Введение

Устройство для генерации яркого света при нагревании пламенем

Газовая мантия, или мантия Велсбаха – это устройство для получения яркого белого света при нагревании пламенем. Название происходит от первоначального источника тепла в газовых фонарях, которые освещали улицы Европы и Северной Америки в конце XIX века. Термин "мантия" отражает способ её расположения над пламенем, подобно плащу. Газовые мантии также использовались в портативных кемпинговых фонарях, фонарях, работающих под давлением, и некоторых масляных лампах. Обычно газовые мантии продаются в виде тканевого пакетика, который при первоначальном использовании, благодаря пропитке нитратами металлов, выгорает, оставляя жесткую, но хрупкую сетку из оксидов металлов. Эти оксиды металлов излучают свет под воздействием тепла пламени при каждом использовании. Диоксид тория часто являлся основным компонентом; его радиоактивность вызывала опасения относительно безопасности работников, занятых в производстве мантий. Однако при нормальном использовании риск для здоровья минимален.

Механизм

Мантия – это мешок из ткани, имеющий приблизительно грушевидную форму, изготовленный из шелка, искусственного шелка на основе рами или вискозы. Волокна пропитаны солями металлов; при первом нагревании в пламени волокна сгорают за секунды, а соли металлов превращаются в твердые оксиды, образуя хрупкую керамическую оболочку в форме исходной ткани. Мантия ярко светится в видимом спектре, излучая при этом мало инфракрасного излучения. Оксиды редкоземельных элементов (церий) и актинидов (торий) в мантии имеют низкую излучательную способность в инфракрасном диапазоне (по сравнению с идеальным черным телом), но высокую – в видимом спектре. Существуют также данные о том, что излучение усиливается за счет кандолюминесценции – излучения света продуктами сгорания до достижения ими теплового равновесия. Сочетание этих свойств обеспечивает мантии, при нагревании пламенем керосина или сжиженного нефтяного газа, излучение интенсивного света, преимущественно в видимом диапазоне, с относительно небольшим количеством нежелательного инфракрасного излучения, что повышает световую эффективность. Мантия способствует процессу горения, поддерживая пламя небольшим и локализованным при более высокой подаче топлива, чем в простой лампе. Концентрация горения внутри мантии улучшает передачу тепла от пламени к ней. После сгорания всего тканевого материала при установке мантия сжимается, оставляя после первого использования очень хрупкую керамическую оксидную оболочку.

История

На протяжении веков искусственный свет создавался с помощью открытого пламени. Лаймлайт был изобретен в 1820-х годах, но температура, необходимая для получения видимого света исключительно за счет излучения черного тела, была слишком высокой для практичного использования в небольших источниках света. В конце XIX века несколько изобретателей пытались разработать эффективную альтернативу, основанную на нагревании материала до более низкой температуры, но с использованием эмиссии дискретных спектральных линий для имитации белого света. Многие ранние попытки использовали платино-иридиевую сетку, пропитанную нитратами металлов, однако они оказались безуспешными из-за высокой стоимости этих материалов и их низкой надежности. Первой эффективной мантией стала корзина Клемонда, созданная в 1881 году и названная в честь ее изобретателя. Это устройство было изготовлено из матрицы оксида магния, не требующей поддержки платиновой проволочной клетки, и было продемонстрировано на выставке в Кристальном дворце в 1883 году. Современная газовая мантия была одним из многочисленных изобретений Карла Ауэра фон Велсбаха, химика, изучавшего редкоземельные элементы в 1880-х годах и бывшего учеником Роберта Бунзена. Игнац Крейдль работал с ним над ранними экспериментами по созданию мантии Велсбаха. Его первый процесс использовал смесь, состоящую из 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 излучали зеленоватый свет и не имели особого успеха. Первая компания Велсбаха основала фабрику в Атцгерсдорфе в 1887 году, но она обанкротилась в 1889 году. В 1889 году Велсбах получил свой первый патент, в котором упоминался торий (5 марта 1889 года, патент США № 399 174). В 1891 году он усовершенствовал новую смесь, состоящую из 99% диоксида тория и 1% диоксида церия, которая излучала гораздо более белый свет и обеспечивала более прочную мантию. После коммерческого внедрения этой новой мантии в 1892 году она быстро распространилась по всей Европе. Газовая мантия оставалась важной частью уличного освещения до широкого распространения электрического освещения в начале 1900-х годов.

Производство

Для изготовления мантии хлопок ткут или вяжут в сетчатый мешок, пропитывают растворимыми нитратами выбранных металлов, а затем транспортируют к месту назначения. Пользователь устанавливает мантию и затем сжигает её, чтобы удалить хлопковый мешок и превратить нитраты металлов в нитриты, которые сплавляются вместе, образуя твердую сетку. При дальнейшем нагревании нитриты окончательно разлагаются до хрупкой сетки из твердых оксидов с очень высокой температурой плавления. Ранние мантии продавались в несгоревшем состоянии, поскольку оксидная структура после нагрева была слишком хрупкой для удобной транспортировки. Мантия приобретает рабочую форму, когда хлопок сгорает при первом использовании. Изначально неиспользованные мантии нельзя было долго хранить, так как хлопок быстро гнил из-за коррозионного воздействия кислых нитратов металлов. Проблема кислотной коррозии металлов была решена путем обработки мантии раствором аммиака для нейтрализации избыточной кислоты. Впоследствии мантии стали изготавливать из нитроцеллюлозы (пушечного хлопка), из которой можно получать нити значительно тоньше, чем из обычного хлопка. Перед первым использованием их необходимо было преобразовать обратно в целлюлозу путем погружения в сульфид аммония, поскольку нитроцеллюлоза легко воспламеняется и может быть взрывоопасной. Позже было обнаружено, что прочность хлопковой мантии можно значительно повысить, погрузив её в раствор коллодия для покрытия тонким слоем, который сгорает при первом использовании. Мантии имеют связующую нить для крепления к патрону лампы. До запрета асбеста из-за его канцерогенности использовалась асбестовая нить. В современных мантиях применяются проволока или нить из керамического волокна.

Опасения по поводу безопасности

Торий является радиоактивным и производит радиоактивный газ радон-220 как один из продуктов его распада. Более того, при нагревании до состояния каления торий испаряет свои радиогенные дочерние продукты, в частности радий-224. Несмотря на очень короткий период полураспада, радий быстро восстанавливается из своего радиородителя (тория-228), и каждое новое нагревание мантии до каления высвобождает в воздух свежую порцию радия-224. Этот побочный продукт может быть вдыхан при использовании мантии в помещении и представляет собой проблему внутренней радиотоксичности, связанную с альфа-излучением. Вторичными продуктами распада тория являются радий и актиний. В связи с этим существуют опасения относительно безопасности ториевых мантий. Австралийское агентство по радиационной защите и ядерной безопасности рекомендует использовать мантии из иттрия. Исследование 1981 года оценило, что доза от использования ториевой мантии каждую неделю в течение года будет незначительной по сравнению с обычной годовой дозой фонового излучения, составляющей около [значение опущено в оригинале], хотя это предполагает, что торий остается неповрежденным, а не рассеянным в воздухе. Человек, непосредственно проглотивший мантию, получил бы дозу [значение опущено в оригинале]. Однако радиоактивность является серьезной проблемой для людей, занимающихся производством мантий, и проблемой загрязнения почвы вокруг некоторых бывших заводских площадок. Одна из потенциальных причин для беспокойства заключается в том, что частицы из ториевых газовых мантий со временем "выпадают" и попадают в воздух, где они могут попадать с пищей или водой. Эти частицы также могут быть вдыхаемыми и оставаться в легких или печени, вызывая длительное воздействие, превышающее риск фонового излучения. Также вызывает опасения выброс пыли, содержащей торий, при разрушении мантии в результате механического воздействия. Все эти проблемы привели к использованию альтернатив в некоторых странах, обычно иттрия или иногда циркония, хотя они обычно дороже или менее эффективны. Опасения по поводу безопасности стали предметом федерального иска против компании Coleman (Wagner v. Coleman), которая первоначально согласилась размещать предупреждающие надписи на мантиях в связи с этой проблемой, а затем перешла на использование иттрия. В июне 2001 года Комиссия по ядерному регулированию США опубликовала исследование о систематической радиологической оценке освобождений от регулирования источников и побочных продуктов, в котором указано, что радиоактивные газовые мантии явно разрешены к использованию в США.