Кіріспе

Жалынмен қызған кезде жарқын жарық шығаратын құрылғы. Газды шамның мантиясы, газ мантиясы немесе Велсбах мантиясы – жалынмен қызған кезде жарқын ақ жарық шығаратын құрылғы. Бұл атау оның газ шамдарындағы бастапқы жылу көзіне сілтеме жасайды, олар 19 ғасырдың соңында Еуропа мен Солтүстік Америка көшелерін жарықтандырды. «Мантия» атауы оның жалыннан жоғары, плащ сияқты іліну тәсілінен туындаған. Газ мантиялары портативті кемпингтік шамдарда, қысымды шамдарда және кейбір май шамдарында да қолданылды. Газ мантиялары әдетте металл нитраттарымен сіңдірілген матадан жасалған қап түрінде сатылады, ол алғашқы пайдалану кезінде қыздырылғанда металл оксидтерінен тұратын қатты, бірақ нәзік торды қалдырып, жанып кетеді; осы металл оксидтері пайдалану кезінде жалынның жылуынан жарық шығарады. Торий диоксиді көбінесе негізгі компонент болды; радиоактивтілігіне байланысты, ол мантияларды өндіруге қатысқан адамдардың қауіпсіздігі туралы алаңдаушылықтарға әкелді. Дегенмен, қалыпты қолдану кезінде денсаулыққа төндіретін қауіп аз.

Механизм

Мантия – жібек, рами негізіндегі жасанды жібек немесе rayon материалынан жасалған, шамамен алма пішіндес матадан тігілген қап. Талшықтары металл тұздарымен сіңдірілген; мантияны алғашқы рет отпен қыздырғанда, талшықтар бірнеше секундтың ішінде жанып кетеді, ал металл тұздары қатты оксидтерге айналып, бастапқы мата пішініндегі хрупкий керамикалық қабық құрайды. Мантия көрінетін спектрде жарқырап жарық береді, бірақ инфрақызыл сәуле шығару өте аз. Мантиядағы сирек жер элементтері (церий) және актинидтер (торий) оксидтері инфрақызыл сәуледе (идеал қара денемен салыстырғанда) төмен эмиссияға ие, бірақ көрінетін спектрде жоғары эмиссияға ие. Сонымен қатар, жарық шығарудың кандолюминесценция арқылы күшейтілетініне қатысты да дәлелдер бар – бұл жану өнімдерінен жылулық тепе-теңдікке жетпей тұрып жарық шығару құбылысы. Бұл қасиеттердің үйлесімі керосин немесе сұйытылған мұнай газының жалынымен қыздырылғанда мантиядан көбінесе көрінетін жарық шығаруға мүмкіндік береді, ал қажетсіз инфрақызыл сәуледегі энергия мөлшері салыстырмалы түрде аз болады, бұл жарық тиімділігін арттырады. Мантия отты кіші және бақылауда ұстау арқылы, қарапайым шамға қарағанда отын ағыны жоғары болғанда да, жану процесін жеңілдетеді. Жануды мантия ішінде шоғырландыру оттың жалынынан мантияға жылу беруді жақсартады. Мантия орнату кезінде барлық мата материалдары жанып кеткеннен кейін қысқарады, ал бірінші пайдаланудан кейін өте нәзік керамикалық оксид қабығын қалдырады.

Тарих

Ғасырлар бойы жасанды жарық ашық отты пайдалану арқылы жасалып келді. Лаймлайт 1820 жылдары ойлап табылды, бірақ қара дене сәулеленуі арқылы көрінетін жарық шығару үшін қажетті температура кішкентай шамдар үшін тиімді болмады. 19 ғасырдың соңында бірнеше өнертапқыштар материалды төмен температураға қыздыруға негізделген, бірақ ақ жарықты имитациялау үшін дискретті спектрлік сызықтардың шығарылуын пайдаланып, тиімді баламаны жасауға тырысты. Көптеген алғашқы әрекеттерде металл нитраттарымен сіңген платина-иридий марлясы қолданылды, бірақ бұл материалдардың жоғары құны мен сенімділігінің нашар болуына байланысты сәтті болмады. Алғашқы тиімді мантия 1881 жылы оның ойлап тапқан атымен аталған Кламонд себеті болды. Бұл құрылғы магний оксидінің матрицасынан жасалды, оны платина сым тормен қолдаудың қажеті болмады және 1883 жылғы Кристалл сарайы көрмесінде көрсетілді. Қазіргі заманғы газ мантиясы 1880 жылдары сирек кездесетін элементтерді зерттеген және Роберт Бунсеннің шәкірті болған химик Карл Ауер фон Велсбахтың көптеген өнертабыстарының бірі болды. Игнац Крейдл онымен бірге Велсбах мантиясын жасау бойынша алғашқы тәжірибелер жүргізді. Оның алғашқы процесі 60% магний оксиді, 20% лантан оксиді және 20% иттрий оксиді қоспасын пайдаланды, оны ол «Актинофор» деп атады және 1887 жылы патент алды (15 наурыз 1887 ж., АҚШ патенті №359,524). Бұл бастапқы мантиялар жасыл түсті жарық берді және өте сәтті болмады. Велсбахтың алғашқы компаниясы 1887 жылы Атцгерсдорф қаласында зауыт ашты, бірақ 1889 жылы банкрот болды. 1889 жылы Велсбах торийді атаған алғашқы патенін алды (5 наурыз 1889 ж., АҚШ патенті №399,174). 1891 жылы ол торий диоксидінің 99% және церий диоксидінің 1% жаңа қоспасын жетілдірді, ол әлдеқайда ақ жарық шығарып, күшті мантия жасады. Бұл жаңа мантия 1892 жылы саудаға шығарылғаннан кейін, ол бүкіл Еуропаға жылдам тарады. Газ мантиясы 1900 жылдардың басында электр жарығының кеңінен таралуына дейін көше жарығының маңызды бөлігі болып қала берді.

Өндіріс

Мантия жасау үшін мақта тоқылып немесе тігіліп, тор қапшыққа айналдырылады, таңдалған металдардың ерігіш нитраттарымен сіңдіріліп, содан кейін оны тағайындалған жеріне тасымалдайды. Пайдаланушы мантияны орнатады, содан кейін оны өртеп, мақта қапшығын алып тастайды және металл нитраттарын нитриттерге айналдырады, олар бірігіп қатты тор құрайды. Жылыту жалғасқанда нитриттер әрі қарай ыдырап, өте жоғары балқу нүктесіне ие, нағыз жұқа оксидтердің торына айналады. Алғашқы мантиялар қыздырылмаған мақта торы түрінде сатылды, себебі қыздырылғаннан кейінгі оксид құрылымы көлікке жарамсыз тым қажуар болды. Мақта алғашқы пайдалану кезінде күйген кезде ғана мантия жұмыс істейтін күйіне жетеді. Бастапқыда қолданылмаған мантияларды ұзақ сақтау мүмкін болмады, өйткені мақта қышқыл металл нитраттарының коррозиялық әсерінен тез шіритін. Кейіннен қышқыл металл коррозиясы мантияны артық қышқылды бейтараптандыру үшін аммиак ерітіндісіне батыру арқылы шешілді. Кейінірек мантиялар гүнкоттоннан (нитроцеллюлозадан) жасалды, одан қарапайым мақта жіптерімен салыстырғанда өте жұқа жіптер алуға болады. Оны алғашқы пайдаланудан бұрын аммоний сульфидіне батырып, целлюлозаға қайта айналдыру қажет болды, себебі гүнкоттон өте тез тұтанады және жарылғыш болуы мүмкін. Кейіннен мақтаның коллодий ерітіндісіне малып, оны алғашқы пайдалану кезінде күйіп кететін жұқа қабатпен қаптау арқылы жеткілікті күшейтуге болатыны анықталды. Мантиялар шамға бекіту үшін байланыстыру жібімен жабдықталған. Асбесттің қатерлі ісік тудыратын қасиеттеріне байланысты тыйым салынғанға дейін асбест жіптері қолданылды. Қазіргі заманғы мантиялар сымнан немесе керамикалық талшықтан жасалған жіптерден жасалады.

Қауіпсіздік мәселелері

Торий радиоактивті және оның ыдырау өнімдерінің бірі ретінде 220 радон радиоактивті газын бөліп шығарады. Сонымен қатар, қыздырылғанда торий өзінің радиоактивті қыздарын, әсіресе 224 радийді, буландырады. Оның жартылай ыдырау мерзімі өте қысқа болғанымен, радий өзінің радиоанасынан (228 торий) жылдам толығып, мантияның жану кезіндегі әрбір қызу ауаға 224 радийдің жаңа ағынын шығарады. Бұл қосалқы өнім мантияны үй ішінде қолданғанда тыныспен ішке тартылуы мүмкін және ішкі альфа-эмиттерлік радиотоксикация тудыруы мүмкін. Торийдің ыдырау өнімдеріне радий және актиний жатады. Осы себепті торий мантияларының қауіпсіздігіне қатысты алаңдаушылықтар туындайды. Австралияның Радиациялық қорғау және ядролық қауіпсіздік агенттігі иттрийден жасалған мантияларды қолдануды ұсынады. 1981 жылғы зерттеуде торий мантиясын бір жыл бойы әр апта соңында пайдаланудың дозасы, шамамен жылына шамамен болатын қалыпты жылдық фонолық сәулелену дозасына қарағанда өте аз болады деп есептелді, бірақ бұл торийдің ауада тарамай, тұтас күйінде қалады деген шартқа байланысты. Егер адам мантияны жұтып қойса, доза мөлшері болады. Алайда, радиоактивтілік мантия өндірісімен айналысатын адамдар үшін маңызды мәселе болып табылады және кейбір бұрынғы заводтар маңындағы топырақтың ластануына себеп болады. Алаңдау тудыратын бір жайт – торий газ мантияларынан бөлшектер уақыт өте келе түсіп, ауаға араласып, тамақ пен сусындар арқылы денеге сіңуі мүмкін. Бұл бөлшектер тыныспен ішке тартылып, өкпеде немесе бауырда қалып, фонолық сәулеленуден асып түсетін ұзақ мерзімді әсер етуі мүмкін. Сонымен қатар, мантияның механикалық әсерден сынуы салдарынан торийлі шаңның таралуы да алаңдатады. Осы мәселелердің барлығы кейбір елдерде иттрий немесе кейде цирконий сияқты баламалы материалдарды қолдануға әкелді, бірақ олар көбінесе қымбатқа түседі немесе тиімділігі төмен болады. Қауіпсіздік мәселесіне байланысты Кольман компаниясына қарсы федералдық сот ісі (Вагнер Кольманға қарсы) қозғалды, ол бастапқыда мантияларға ескерту таңбаларын қоюға келісті, содан кейін иттрийді пайдалануға көшті. 2001 жылдың маусым айында АҚШ Ядролық реттеу комиссиясы АҚШ-та радиоактивті газ мантияларының заңды екендігін мәлімдеп, бастапқы және қосалқы өнімдер материалдарына рұқсат берудің жүйелі радиологиялық бағалауы туралы зерттеу жариялады.