Калильная сетка , газовая сетка или сетка Вельсбаха — это устройство для получения яркого белого света при нагревании пламенем. Название относится к его первоначальному источнику тепла в газовых фонарях , которые освещали улицы Европы и Северной Америки в конце 19 века. Калильная сетка относится к тому, как она висит, как плащ, над пламенем. Газовые сеточки также использовались в переносных кемпинговых фонарях , фонарях под давлением и некоторых масляных лампах. [1]
Газовые калильные сетки обычно продаются в виде тканевого мешка, который из-за пропитки нитратами металлов сгорает, оставляя жесткую, но хрупкую сетку оксидов металлов при нагревании во время первоначального использования; эти оксиды металлов производят свет от тепла пламени при каждом использовании. Диоксид тория обычно был основным компонентом; будучи радиоактивным , он вызывал опасения по поводу безопасности тех, кто участвует в производстве калильных сеток. Однако обычное использование представляет минимальный риск для здоровья. [ необходима цитата ]
Мантия представляет собой тканевый мешок примерно грушевидной формы, сделанный из шелка, искусственного шелка на основе рами или вискозы . Волокна пропитаны солями металлов; когда мантию сначала нагревают в пламени, волокна сгорают за считанные секунды, а соли металлов превращаются в твердые оксиды, образуя хрупкую керамическую оксидную оболочку в форме исходной ткани. Мантия ярко светится в видимом спектре, испуская при этом небольшое инфракрасное излучение. Оксиды редкоземельных элементов ( церий ) и актинидов ( торий ) в мантии имеют низкую излучательную способность в инфракрасном диапазоне (по сравнению с идеально черным телом ), но имеют высокую излучательную способность в видимом спектре . Также есть некоторые свидетельства того, что излучение усиливается кандолюминесценцией , излучением света продуктами сгорания до того, как они достигнут теплового равновесия. [2] Сочетание этих свойств дает мантию, которая при нагревании пламенем керосина или сжиженного нефтяного газа испускает интенсивное излучение, которое в основном представляет собой видимый свет с относительно небольшой энергией в нежелательном инфракрасном диапазоне, что увеличивает световую эффективность.
Калильная сетка помогает процессу горения, сохраняя пламя небольшим и удерживая его при более высоких скоростях потока топлива, чем в простой лампе. Концентрация горения внутри калильной сетки улучшает передачу тепла от пламени к калильной сетке. Калильная сетка сжимается после того, как весь тканевый материал сгорает во время установки, оставляя очень хрупкую керамическую оксидную оболочку после первого использования.
На протяжении столетий искусственный свет создавался с помощью открытого пламени. Limelight был изобретен в 1820-х годах, но температура, необходимая для получения видимого света только посредством излучения черного тела, была слишком высокой, чтобы быть практичной для небольших источников света. В конце 19 века несколько изобретателей пытались разработать эффективную альтернативу, основанную на нагревании материала до более низкой температуры, но с использованием излучения дискретных спектральных линий для имитации белого света.
Во многих ранних попытках использовалась платиново - иридиевая сетка, пропитанная нитратами металлов , но они не увенчались успехом из-за высокой стоимости этих материалов и их низкой надежности. Первой эффективной мантией была корзина Клэмона в 1881 году, названная в честь ее изобретателя. Это устройство было изготовлено из матрицы оксида магния , которая не нуждалась в поддержке платиновой проволочной клетки, и было выставлено на выставке в Хрустальном дворце в 1883 году.
Современная газовая мантия была одним из многих изобретений Карла Ауэра фон Вельсбаха , химика , который изучал редкоземельные элементы в 1880-х годах и был учеником Роберта Бунзена . Игнац Крейдл работал с ним над его ранними экспериментами по созданию мантии Вельсбаха. Его первый процесс использовал смесь 60% оксида магния , 20% оксида лантана и 20% оксида иттрия , которую он назвал «Актинофор» и запатентовал в 1887 году (15 марта 1887 года, патент США № 359,524). Эти оригинальные мантии давали зеленоватый свет и не были очень успешными. Первая компания Вельсбаха основала фабрику в Ацгерсдорфе в 1887 году, но она обанкротилась в 1889 году. В 1889 году Вельсбах получил свой первый патент, в котором упоминался торий (5 марта 1889 года, патент США № 399,174). В 1891 году он усовершенствовал новую смесь 99% диоксида тория и 1% диоксида церия , которая давала гораздо более белый свет и производила более прочную сетку. После того, как эта новая сетка была введена в коммерческую эксплуатацию в 1892 году, она быстро распространилась по всей Европе. Газовая сетка оставалась важной частью уличного освещения вплоть до повсеместного внедрения электрического освещения в начале 1900-х годов. [3]
Для изготовления мантии хлопок ткут или вяжут в сетчатый мешок, пропитывают растворимыми нитратами выбранных металлов, а затем перевозят к месту назначения. Пользователь устанавливает мантию, а затем сжигает ее, чтобы удалить хлопковый мешок и преобразовать нитраты металлов в нитриты, которые сплавляются вместе, образуя прочную сетку. По мере продолжения нагрева нитриты в конечном итоге распадаются на хрупкую сетку твердых оксидов с очень высокими температурами плавления.
Ранние мантии продавались в ненагретом состоянии хлопковой сетки, поскольку структура оксида после нагрева была слишком хрупкой для легкой транспортировки. Мантия принимает рабочую форму, когда хлопок сгорает при первом использовании. Первоначально неиспользованные мантии не могли храниться очень долго, потому что хлопок быстро сгнивал из-за едкой природы кислых нитратов металлов. Кислотная коррозия металла позже была устранена путем замачивания мантии в растворе аммиака для нейтрализации избытка кислоты.
Позже защитные оболочки изготавливались из пироксилина ( нитроцеллюлозы ), который можно было производить с чрезвычайно тонкими нитями по сравнению с обычными хлопковыми нитями. Их приходилось преобразовывать обратно в целлюлозу путем погружения в сульфид аммония перед первым использованием, поскольку пироксилин легко воспламеняется и может быть взрывоопасным. Позже было обнаружено, что хлопчатобумажную оболочку можно было достаточно укрепить, окунув ее в раствор коллодия, чтобы покрыть ее тонким слоем, который сгорал при первом использовании оболочки.
Калитки имеют связующую нить, чтобы привязать их к патрону лампы. До тех пор, пока асбест не был запрещен из-за его канцерогенности , использовалась асбестовая нить. Современные калитки используют проволоку или нить из керамического волокна.
Торий радиоактивен и производит радиоактивный газ радон -220 как один из продуктов своего распада . Более того, при нагревании до раскаливания торий испаряет свои дочерние радиоактивные соединения , в частности радий -224. Несмотря на очень короткий период полураспада, радий быстро восполняется из своего радиоактивного родителя (тория-228), и каждый новый нагрев мантии до раскаливания высвобождает свежий поток радия-224 в воздух. Этот побочный продукт можно вдыхать, если мантия используется в помещении, и он является проблемой внутренней радиотоксичности альфа-излучателя . Вторичные продукты распада тория включают радий и актиний . Из-за этого существуют опасения относительно безопасности ториевых мантий. Австралийское агентство по радиационной защите и ядерной безопасности рекомендует вместо этого мантии, изготовленные из иттрия. [4]
Исследование, проведенное в 1981 году, показало, что доза от использования ториевой мантии каждые выходные в течение года составит 3–6 микрозивертов (0,3–0,6 мбэр ), что незначительно по сравнению с обычной годовой фоновой дозой радиации около 2,4 мЗв (240 мбэр), хотя это предполагает, что торий остается нетронутым, а не витает в воздухе. Человек, фактически проглотивший мантию, получит дозу 2 мЗв (200 мбэр). [5] [6] Однако радиоактивность является серьезной проблемой для людей, занятых в производстве мантий, и проблемой загрязнения почвы вокруг некоторых бывших заводских площадок. [7]
Одной из потенциальных причин для беспокойства является то, что частицы из газовых мантий тория со временем «выпадают» и попадают в воздух, где они могут попасть в пищу или питье. Эти частицы также могут вдыхаться и оставаться в легких или печени, вызывая долгосрочное воздействие, превышающее риск фонового излучения. Также вызывает беспокойство выброс пыли, содержащей торий, если мантия разобьется из-за механического удара.
Все эти проблемы привели к использованию альтернатив в некоторых странах, обычно иттрия или иногда циркония , хотя они обычно либо более дороги, либо менее эффективны. Проблемы безопасности были предметом федерального иска против Coleman Company ( Wagner v. Coleman ), которая изначально согласилась разместить предупреждающие надписи на мантиях для этой проблемы, а затем перешла на использование иттрия. [6] [8]
В июне 2001 года Комиссия по ядерному регулированию США опубликовала исследование о систематической радиологической оценке исключений для исходных и побочных материалов [9] , в котором говорилось, что радиоактивные газовые оболочки однозначно являются законными в США. [10]