Verfahren und Vorrichtung zur elektrischen Feststellung von Aerosolen in Gasen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung von Aerosolen in Gasen, bei welchem in dem Raum zwischen zwei Elektroden mittels min destens einer Quelle radioaktiver Strahlung durch Ionisation Ladungsträger erzeugt werden und zwischen den Elektroden ein elektrostatisches Gleichfeld auf rechterhalten sowie die durch in den Raum gelangende Aerosole verursachte Änderung des zwischen den Elek troden fliessenden Ionenstromes gemessen wird.
Die Erfindung trifft weiterhin eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein Verfahren der vorgenannten Art ist beispiels weise aus der deutschen Patentschrift 1'046'372 be kannt. Bei dem dort beschriebenen Verfahren wird in der durch die beiden Elektroden definierten Ioni- sationskammer ein Ionenstrom vom Ladungsträger eines Vorzeichens aufrechterhalten. Treten Aerosole in die sen Raum ein, ändert sich der Ionenstrom, was als eine Anzeige für das Vorhandensein von Aerosolen verwendet wird.
Zur Erzeugung des unipolaren Stro mes in der Ionisationskammer wird dabei eine Quelle radioaktiver Korpuskularstrahlung verwendet, wobei die Reichweite dieser Strahlung in der Grössenordnung des Elektrodenabstandes liegt. Die radioaktive Quelle ist dabei derart angeordnet, dass die Strahlen parallel zu einer Elektrode verlaufen, in deren Bereich das sich in der Kammer befindliche Gas dann ionisiert wird.
Bei dem genannten älteren Verfahren ist jedoch die Ausnutzung des in der radioaktiven Quelle vor gesehenen radioaktiven Materials nicht sehr gut. Weiterhin ist die Kennlinie der Einrichtung zur Durch führung des bekannten Verfahrens von der mit der Zeit abklingenden Aktivität des radioaktiven Präpa rates sowie von dessen Verschmutzung in einem erheb lichen Ausmass abhängig, was insbesondere bei der Verwendung der Einrichtung als Feuermeldegerät nachteilig ins Gewicht fällt.
Es ist nun der Hauptzweck der vorliegenden Er findung, diese Nachteile zu vermeiden.
Das Verfahren gemäss der vorliegenden Erfindung ist nun dadurch gekennzeichnet, dass eine radioaktive Quelle verwendet wird, von welcher die die Ionisation hervorrufende Korpuskularstrahlung eine Reichweite unter 1 cm besitzt.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, wobei die Vor richtung mit zwei in einem für das zu untersuchende Gas zugänglichen Raum angeordnete Elektroden und mit mindestens einer radioaktiven Quelle zur Ioni- sierung des Gases in einem Teil des Raumes versehen ist. Kennzeichnend für die Vorrichtung ist, dass die Reichweite der Korpuskularstrahlung der radioaktiven Quelle weniger als 1 cm beträgt.
Unter Reichweite der Korpuskularstrahlung soll nachfolgend immer die mittlere Reichweite bei atmo sphärischen Normalbedingungen verstanden werden.
Die Erfindung soll anschliessend anhand der bei liegenden Zeichnungen beispielsweise näher erläutert werden, wobei darstellen: Fig. 1 in schematischer Darstellung, eine Einrich tung zur Feststellung von Aerosolen in Gasen der bisher üblichen Art; Fig. 2 in schematischer Darstellung, eine Einrich tung zur Feststellung von Aerosolen in Gasen, mit einer radioaktiven Quelle, von welcher die ionisierende Korpuskularstrahlung eine Reichweite von weniger als 1 cm besitzt; Fig. 3 e 4 in schematischer Darstellung, die Ein richtungen der Fig. 1 und 2 zur Erläuterung der unter schiedlichen Ausnützung der radioaktiven Quelle;
Fig. 5 e 6 in schematischer Darstellung, die Ein- richtung der Fig. 1 und 2 zur Erläuterung der unter schiedlichen Verhältnisse bei Verschmutzung der ra dioaktiven Quelle; Fig. 7 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Abhängigkeit des Ionisationsstromes von der Ak tivität der Quelle bzw. der Zahl der gebildeten Ionen paare, bei vorgegebener Spannung zwischen den Elek troden; Fig. 8 eine zylindrische Ionisationskammer zur Durchführung des Verfahrens, im Längsschnitt;
Fig. 9 das Schaltbild einer einfachen Feuermelde anlage unter Verwendung einer Ionisationskammer mit einem radioaktiven Präparat, wobei die Reichweite der Korpuskularstrahlen weniger als 1 cm ausmacht; Fig. 10 die Kennlinien der Einrichtung der Fig. 9; Fig. 11 einen Längsschnitt durch eine konstruk tive Ausführung der beiden Ionisationskammern des Feuermelders der Fig. 9; Fig. 12 eine graphische Darstellung der Kennlinien des Feuermelders der Fig. 11.
Fig. 1 zeigt die prinzipielle Anordnung der Elek troden und der radioaktiven Quelle der Ionisations- kammer bei dem Gerät des Standes der Technik. Mit 1 und 2 sind zwei Elektroden bezeichnet, an denen eine Spannung liegt, wobei der negative Pol mit der Elek trode 1 verbunden ist. Die radioaktive Quelle ist mit 3 bezeichnet und ionisiert den Raumteil 4. Im Raumteil 5 sind nur negative Ionen vorhanden. Die begrenzte Ionisierung wird durch den abschirmenden und nur einseitig geöffneten Präparat-Behälter 3a erreicht.
Fig. 2 zeigt in ähnlicher Darstellung ein Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung. Die positive Elektrode ist wiederum mit 2 und die negative Elektrode mit 1 bezeichnet. Auf der negativen Elektrode 1 ist beispiels weise in Form einer aufgedampften Schicht 3 das radioaktive Material enthalten, wobei die Reichweite der Korpuskularstrahlen maximal 1 cm ausmacht. Eine Ionisation findet somit nur in dem mit 4 bezeichneten Raumteil statt, während in gleicher Weise wie bei der Ionisationskammer der Fig. 1 in dem Raumteil 5 keine Ionisation hervorgerufen wird.
Zufolge der Spannungs differenz zwischen den Elektroden 1 und 2 werden die negativen Ionen aus dem Raumteil 4 herausgezo gen, so dass in dem Raumteil 5 praktisch nur Ionen negativen Vorzeichens auftreten, die den Ladungs transport übernehmen. Treten nun zwischen den Elek troden 1 und 2 Aerosole auf, lagern sich diese an die negativen Ionen an und verlangsamen den Transport bzw. setzen den durch die Kammer fliessenden Strom herab. Diese Stromänderung wird nun zur Anzeige für das Vorhandensein von Aerosolen verwendet, wie dies weiter unten noch ausgeführt werden wird.
Durch die Verwendung eines radioaktiven Mate rials, dessen ionisierende Korpuskularstrahlen eine Reichweiter unter 1 cm besitzen, werden eine Reihe von Vorteilen erzielt.
Zunächst ist der Ausnützungsgrad der verwendeten radioaktiven Quelle bedeutend vergrössert, was mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet, dass für die gleiche Ionisierung eine geringere Menge radioaktiver Substanz benötigt wird.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, wird die begrenzte Ionisierung zur Erzeugung des unipolaren Stromes durch einen abschirmenden und nur einseitig geöff neten Präparat-Behälter 3a erreicht. Dadurch werden die meisten Strahlen in der Abschirmung absorbiert, und nur ein kleiner Teil derselben wird zur Ionen erzeugung ausgenützt. Zur Verdeutlichung dieses Ef fektes ist in Fig. 3 ein Punkt der strahlenden Quelle dargestellt, wobei die ungehindert in die Luft aus tretenden Korpuskeln mit durchgezogenen Pfeil strichen und die in der Abschirmung absorbierten mit gestrichelten Linien dargestellt sind. Für die neue Anordnung ist die gleiche Darstellung in Fig. 4 enthalten.
Beim Vergleich der beiden Figuren wird der Vorteil der verbesserten Anordnung bezüglich der Ausnützung der Quelle offensichtlich. Während in Fig. 3 nur eine schmale Halbkugelzone für die Ionisierung ausgenutzt werden kann, erzeugt in Fig. 4 die ganze strahlende Halbkugel nutzbare Ionen.
Ein weiterer Vorteil der Ionisationskammer der Fig. 2 besteht darin, dass eine z. B. bei Feuermeldern unvermeidliche Verschmutzung der radioaktiven Quelle die Funktion der Kammer in geringerem Aus- mass beeinflusst als dies bei der Kammer gemäss Fig. 1 der Fall ist.
Lagert sich auf der radioaktiven Substanz Schmutz an, so verkürzt sich die Reichweite der Strahlen mit zunehmender Schmutzdicke infolge Verlust kinetischer Energie der Korpuskeln in der Schmutzschicht. Wäh rend in der bekannten Anordnung dadurch die ioni sierte Fläche im Bereich der Elektrode entsprechend der Kürzung der Reichweite abnimmt, bleibt in der neuen Anordnung die ionisierte Fläche gleich, obwohl die Reichweite der Strahlung ebenfalls zurückgeht.
Der Einfluss der Verschmutzung auf die beiden Ionisierungsarten ist in Fig. 5 und 6 veranschaulicht. Mit 1 ist wiederum die Elektrode bezeichnet, und L1 gibt die Reichweite der Korpuskeln bei sauberer und L2 diejenige bei verschmutzter Quelle an.
Wie leicht einzusehen ist, wird im ersten Fall der Ionisationsstrom proportional der ionisierten Fläche reduziert. Dieser Effekt ist nicht unbedingt im zweiten Fall zu erwarten, obwol auch hier die Zahl der gebil deten Ionen infolge der verkürzten Strahlenlänge ge ringer wird. Es hat sich nämlich gezeigt, dass in einer unipolaren Ionisationskammer bei genügend ergiebiger Ionisierung und einer bestimmten Elektrodenspannung der Ionisationsstrom infolge der sich ausbildenden Raumladung unabhängig von der Zahl der gebildeten Ionenpaare ist.
Der Sättigungseffekt kann nun so ausgenützt wer den, dass von vornherein eine stärkere Ionisierung erzeugt wird als dies für den gewünschten Strom unbedingt nötig wäre.
In Fig. 7 ist die Abhängigkeit des Stromes der Kammer nach Fig. 2 von der Aktivität der Quelle angegeben, wobei der Zustand bei sauberer Quelle mit A und für einen bestimmten Verschmutzungsgrad mit B markiert ist. Wird nun die Ionisationskammer mit einer Strahlenquelle versehen, die eine dem Punkt A entsprechende Aktivität aufweist, so wirkt sich, wie schon erwähnt, die Verschmutzung bis zu einer ge wissen Grenze überhaupt nicht aus, wohingegen sich bei der bekannten Anordnung dieser Effekt unmittel bar in einem Rückgang des Ionisationsstromes be merkbar macht.
Wie in Fig. 7 gezeigt wird, bleibt der Ionisations- Strom bei ausreichender Ionenerzeugung konstant. Dieser Effekt kann nun einerseits - wie oben erwähnt - zur Eliminierung der Auswirkung der Verschmut zung ausgenützt werden und ausserdem auch, um die Verwendung relativ kurzlebiger Strahler zu ermög lichen. Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, ändert sich der Ionisationsstrom nicht, wenn die Aktivität vom Ur sprungswert A gegen B zurückgeht.
Bewegt sich der Einfluss der Aktivitätsabnahme und der Verschmutzung nur innerhalb der Punkte A und B, so ist keine Beeinflussung des Ionisationsstromes festzustellen.
Als praktisches Beispiel sei der radioaktive Wasser stoff H3 mit einer Halbwertszeit von 12 Jahren er wähnt. Bei entsprechender Überdosierung kann für eine beliebige Zeitdauer der Ionisationsstrom konstant gehalten werden.
Die Verwendung dieses Strahlers hat ausserdem noch den bedeutenden praktischen Vorteil, dass aus- schliesslich Betastrahlen mit einer sehr geringen Energie emittiert werden. Dadurch wird eine biologi sche Strahlengefährdung im Gegensatz zu Gamma Strahlern bzw. Alpha-Stahlern mit Gamma-Kompo- nenten (Ra<B>226)</B> vermieden.
Eine zweckmässig praktische Ausführungsform der Unipolarkammer ist in Fig. 8 dargestellt. Zwischen der stiftförmigen Elektrode 2 und der dazu konzen trisch angeordneten Zylinder-Elektrode 1 ist die Kammerspannung von beispielsweise 100 V angelegt. Die radioaktive Substanz 3 ist auf der inneren Mantel fläche von Elektrode 1 gleichmässig aufgetragen. Im Raum 4 befinden sich positive und negative Ionen, im Raum 5 dagegen nur negative.
In Fig. 9 endlich ist die vollständige Schaltung eines Feuermeldegerätes mit einer nach der Patentbeschrei bung arbeitenden Ionisationskammer dargestellt. Die Messkammer 6 besteht aus der als perforiertes Blech ausgebildeten Kathode 7, der stiftförmigen Anode 8 und der auf der Kathode gleichmässig aufgetragenen radioaktiven Quelle 9. Die Kammer 6 liegt in Serie mit der in Sättigung arbeitenden Vergleichskammer 10, welche aus der Kathode 11, der Anode 12 und der Strahlungsquelle 13 besteht. Parallel zu diesen beiden Ionisationskammern liegt das Glimmrelais bzw. die Kaltkathodenröhre 14 mit einer Kathode 15, einer Steuerelektrode 16 und einer Anode 17.
Diese Anord nung liegt über der Wicklung des Relais 18 an der Spannungsquelle 19. Der Kontakt 20 des Relais 18 liegt in dem Stromkreis einer Alarmanlage, welche aus einer Batterie 21 und einem Horn 22 besteht. Wenn Verbrennungsgase in die Ionisationskammer 6 ge- langen, so steigt die Spannung an der Steuerelektrode 16 und zündet dadurch die Kaltkathodenröhre 14. Es fliesst dann ein tarker Strom durch die Wicklung des Relais 18, so dass mittels Kontakt 20 der Alarm kreis geschlossen wird.
In Fig. 10 sind zur Verdeutlichung der Wirkungs weise die Charakteristiken der beiden in Serie ge schalteten Ionisationskammern aufgetragen.
Darin bedeuten: 22 die Strom-Spannungskennlinie der Messkammer für reine Luft und 23 dieselbe Kenn linie bei Anwesenheit einer gewissen-Aerosol-Konzen- tration; 23 die Charakteristik der Vergleichskammer, wobei sich der Nullpunkt im Diagramm rechts be findet. V ist die an den beiden Kammern angelegte Spannung und VI die sich über der Messkammer einstellende Spannung bei reiner Luft. Beim Eindringen von Aerosolen in die Messkammer steigt die Kammer spannung vom Wert VI auf den Wert V2, also um den Betrag /\ V und zündet die Kaltkathodenröhre 14.
Die konstruktive Ausführung einer derartigen An ordnung ist aus Fig. 11 ersichtlich. Die Bezugzeichen 6 bis 17 bezeichnen in Fig. 11 die gleichen Teile, wie in Fig. 10. Auf einem Sockel 25 ist ein Gehäuse 26 befestigt, welches die Ionisationskammer 10 umgibt. Im Sockel ist ferner die Kaltkathodenröhre 14 befestigt, welche mit dem vom Sockel 25 abragenden Teil die Ionisationskammer 10 trägt.
An der der Kaltkathoden röhre 14 zugekehrten Wand der Ionisationskammer 10 ist die Steuerelektrode 16 befestigt und ragt wie dargestellt in den Innenraum der Kaltkathodenröhre 14. Ein Kontaktstift 27 ist mit der Kathode 15 und dem Gehäuse 26 verbunden und ein Kontaktstift 28 mit der Anode 17 und der Elektrode 12 der Ionisations- kammer 10. Die Elektrode 12 befindet sich dabei im Innern dieser Kammer 10. Die Ionisationskammer 6 besitzt als äussere Elektrode 7 eine perforierte Haube, welche auf dem Gehäuse 26 befestigt sein kann. Von der Aussenwand der Kammer 10 ragt die Elektrode 8 der Kammer 6 ab.
Als radioaktive Präparate in der Unipolarkammer werden Folienstücke verwendet, auf welchen in einer dünnen Titanschicht H3 chemisch gebunden ist. Da in der praktischen Ausführung die theoretisch ideale Anordnung der radioaktiven Quelle (gleichmässige Verteilung über die ganze Elektrodenfläche) nach Fig. 8 unter Umständen infolge herstellungstechnischer Gründe nicht realisiert werden kann, wird die an gestrebte Abhängigkeit zwischen Ionisationsstrom und Zahl der Ladungsträger nach Fig. 7 etwas ungünstiger, d. h.
die Sättigungskurve läuft nicht so flach wie an gegeben. Zum Ausgleich dieser geringen Stromab nahme, die sich, wie schon erwähnt, durch die relativ geringe Halbwertszeit des H3 ergibt, wird vorgesehen, die Referenzkammer mit einer radioaktiven Quelle zu versehen, deren Halbwertszeit den Stromrückgang der Messkammer ausgleicht. Die Wirkungsweise ist in Fig. 12 angedeutet.
Es bedeuten darin 29 die Stromspannungskennlinie der Messkammer zur Zeit 0, 30 dieselbe Charakte ristik nach der Zeit X, 31 die Stromspannungskennlinie der Referenzkammer mit dem 0-Punkt rechts im Diagramm zur Zeit 0, 32 dieselbe Charakteristik nach der Zeit X.
V ist die über den beiden Kammern liegende Spannung und VI die Spannung über der Mess kammer. Die Stromabnahme 0 I entspricht dem Rückgang der Aktivität der radioaktiven Quelle der Referenzkammer infolge radioaktiven Zerfalls. Durch diese Massnahmen gelingt es, den für die Stabilität des Feuermeldegerätes verantwortlichen Wert VI auch dann unabhängig vom radioaktiven Zerfall konstant zu halten, wenn die ideale Anordnung der radio aktiven Quelle aus praktischen Gründen nicht voll ständig berücksichtigt werden kann.
Die Strahlungsquelle der Vergleichskammer kann auch zusammengesetzt sein aus radioaktiven Substan zen verschiedener Halbwertszeiten. Dadurch kann eine hinreichende Kompensation auch dann erreicht werden, wenn die zur Verfügung stehenden Strahler eine Halbwertszeit aufweisen, die nicht genau der benötigten entspricht.