Gasmantel
En glödgasmantel , gasmantel eller Welsbachmantel är en anordning för att generera glödande starkt vitt ljus när den värms upp av en låga. Namnet syftar på dess ursprungliga värmekälla i gaslampor som lyste upp Europas och Nordamerikas gator i slutet av 1800-talet. Mantle syftar på hur den hänger som en mantel ovanför lågan. Gasmantlar användes också i bärbara campinglyktor , trycklyktor och några oljelampor .
Gasmantlar säljs vanligtvis som en tygpåse som, på grund av impregnering med metallnitrat, bränns bort och lämnar ett styvt men ömtåligt nät av metalloxider när de värms upp under den första användningen; dessa metalloxider producerar ljus från lågans värme när de används. Toriumdioxid var vanligtvis en viktig komponent; eftersom det är radioaktivt har det lett till oro över säkerheten för de som är inblandade i tillverkningen av mantlar. Normal användning innebär dock minimal hälsorisk.
Mekanism
Manteln är en grovt päronformad tygpåse, gjord av siden, ramiebaserat konstsilke eller rayon . Fibrerna är impregnerade med metallsalter; när manteln först värms upp i en låga, bränns fibrerna bort på några sekunder och metallsalterna omvandlas till fasta oxider och bildar ett sprött keramiskt skal i form av det ursprungliga tyget. En mantel lyser starkt i det synliga spektrumet samtidigt som den avger lite infraröd strålning. De sällsynta jordartsmetalloxiderna ( cerium ) och aktiniden ( thorium ) i manteln har en låg emissivitet i det infraröda (i jämförelse med en idealisk svart kropp ) men har hög emissivitet i det synliga spektrumet . Det finns också vissa bevis för att emissionen förstärks av candoluminescens , emissionen av ljus från förbränningsprodukterna innan de når termisk jämvikt. Kombinationen av dessa egenskaper ger en mantel som, när den värms upp av en fotogen- eller flytande petroleumgaslåga , avger intensiv strålning som mestadels är synligt ljus, med relativt lite energi i det oönskade infraröda, vilket ökar ljuseffektiviteten.
Manteln underlättar förbränningsprocessen genom att hålla lågan liten och innesluten, vid högre bränsleflödeshastigheter än i en enkel lampa. Denna koncentration av förbränning inuti manteln förbättrar överföringen av värme från lågan till manteln. Manteln krymper efter att allt tygmaterial har brunnit bort och blir mycket ömtåligt efter första användningen.
Historia
I århundraden har artificiellt ljus genererats med hjälp av öppna lågor. Limelight uppfanns på 1820-talet, men temperaturen som krävdes för att producera synligt ljus genom enbart svartkroppsstrålning var för hög för att vara praktiskt för små ljus. I slutet av 1800-talet försökte flera uppfinnare att utveckla ett effektivt alternativ baserat på att värma ett material till en lägre temperatur men använda emissionen av diskreta spektrallinjer för att simulera vitt ljus.
Många tidiga försök använde platina - iridium -gasväv indränkt i metallnitrat , men dessa var inte framgångsrika på grund av de höga kostnaderna för dessa material och deras dåliga tillförlitlighet. Den första effektiva manteln var Clamond-korgen 1881, uppkallad efter dess uppfinnare. Denna enhet tillverkades av en matris av magnesiumoxid , som inte behövde stödjas av en platinatrådbur, och visades på Crystal Palace- utställningen 1883.
Den moderna gasmanteln var en av många uppfinningar av Carl Auer von Welsbach , en kemist som studerade sällsynta jordartsmetaller på 1880-talet och som hade varit Robert Bunsens elev. Ignaz Kreidl arbetade med honom på sina tidiga experiment för att skapa Welsbach-manteln. Hans första process använde en blandning av 60% magnesiumoxid , 20% lantanoxid och 20% yttriumoxid , som han kallade "Actinophor" och patenterade 1887 (15 mars 1887, US patent #359.524). Dessa ursprungliga mantlar gav ett gröntonat ljus och var inte särskilt framgångsrika. Welsbachs första företag etablerade en fabrik i Atzgersdorf 1887, men den misslyckades 1889. 1889 fick Welsbach sitt första patent som nämnde torium (5 mars 1889, US patent #399 174). 1891 fulländade han en ny blandning av 99 % toriumdioxid och 1 % ceriumdioxid som avgav ett mycket vitare ljus och gav en starkare mantel. Efter att ha introducerat denna nya mantel kommersiellt 1892 spreds den snabbt över hela Europa. Gasmanteln förblev en viktig del av gatubelysningen fram till det omfattande införandet av elektrisk belysning i början av 1900-talet.
Produktion
För att producera en mantel vävs eller stickas bomull till en nätpåse, impregneras med lösliga nitrater av de valda metallerna och värms sedan upp; bomullen bränns bort, och nitraterna omvandlas till nitriter, som smälter samman till ett fast nät. När uppvärmningen fortsätter sönderdelas nitriterna slutligen till ett ömtåligt nät av fasta oxider med mycket hög smältpunkt.
Tidiga mantlar såldes i ouppvärmt bomullsnät, eftersom oxidstrukturen var för ömtålig för att lätt kunna transporteras. Manteln omvandlades till arbetsform när bomullen brann bort vid första användningen. Oanvända mantlar kunde inte lagras särskilt länge, eftersom bomullen snabbt ruttnade på grund av den frätande naturen hos de sura metallnitraterna, ett problem som senare åtgärdades genom att blötlägga manteln i en ammoniaklösning för att neutralisera överskottssyran .
Senare mantlar tillverkades av pistolbomull ( nitrocellulosa ) eller kollodium snarare än vanlig bomull, eftersom extremt fina trådar av detta material kunde produceras, men det måste omvandlas tillbaka till cellulosa genom nedsänkning i ammoniumsulfid innan den första användningen, eftersom pistolbomull är mycket brandfarligt och kan vara explosiv. Senare upptäckte man att en bomullsmantel kunde förstärkas tillräckligt genom att doppa den i en lösning av kollodium, som belade den med ett tunt lager, som skulle brännas av när manteln användes första gången.
Mantlar har en bindande tråd för att binda dem till lampbeslaget. Tills asbest förbjöds på grund av dess cancerogenicitet användes en asbesttråd; moderna mantlar använder en tråd eller en keramisk fibertråd.
Säkerhetsfrågor
Torium är radioaktivt och producerar den radioaktiva gasen radon -220 som en av dess sönderfallsprodukter . Dessutom, när det värms upp till glödande, förångar torium sina radiodöttrar i tillväxt , särskilt radium -224. Trots sin mycket korta halveringstid fylls radium snabbt på från sin radiomoder (thorium-228), och varje ny uppvärmning av manteln till glödande släpper ut en ny spolning av radium-224 i luften. Denna biprodukt kan andas in om manteln används inomhus, och är ett problem för inre radiotoxicitet för alfasändare . Sekundära sönderfallsprodukter av torium inkluderar radium och aktinium . På grund av detta finns det farhågor om säkerheten för toriummantlar. Australian Radiation Protection and Nuclear Safety Agency rekommenderar mantlar gjorda med yttrium istället.
En studie 1981 uppskattade att dosen från att använda en toriummantel varje helg under ett år skulle vara 3–6 mikrosievert (0,3–0,6 mrem ), liten i jämförelse med den normala årliga bakgrundsstrålningsdosen på cirka 2,4 mSv (240 mrem), även om detta förutsätter att torium förblir intakt snarare än luftburet. En person som faktiskt får i sig en mantel skulle få en dos på 2 mSv (200 mrem). Radioaktiviteten är dock ett stort problem för personer som är involverade i tillverkning av mantlar och ett problem med förorening av marken runt några tidigare fabriksplatser.
En potentiell orsak till oro är att partiklar från toriumgasmantlar "faller ut" med tiden och kommer ut i luften, där de kan intas i mat eller dryck. Dessa partiklar kan också andas in och stanna kvar i lungorna eller levern, vilket orsakar långvarig exponering som överstiger risken för bakgrundsstrålning. Också oroväckande är frigörandet av toriumhaltigt damm om manteln splittras på grund av mekanisk påverkan.
Alla dessa problem har lett till användningen av alternativ i vissa länder, vanligtvis yttrium eller ibland zirkonium , även om dessa vanligtvis antingen är dyrare eller mindre effektiva. Säkerhetsproblem var föremål för en federal process mot Coleman Company ( Wagner v. Coleman ), som till en början gick med på att placera varningsetiketter på mantlarna för detta problem, och som därefter gick över till att använda yttrium.
I juni 2001 publicerade US Nuclear Regulatory Commission en studie om den systematiska radiologiska bedömningen av undantag för källa och biproduktmaterial, där man konstaterade att radioaktiva gasmantel är uttryckligen lagliga i USA.
Se även
Anteckningar
externa länkar
- . Encyclopædia Britannica . Vol. 16 (11:e upplagan). 1911. s. 651–673.
- En kort historik om glödlampan
- Auer von Welsbach
- Australian Radiation Protection and Nuclear Safety Agencys artikel "Radioactivity in Lantern Mantles"
- Dokument från New Jersey Consumer and Environmental Health Services som innehåller en beskrivning av kontaminering vid tidigare fabriksanläggning i Camden, New Jersey.
- Clamond Gas Burner : Scientific American 2 oktober 1886