Ionisations-Feuermelder
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ionisationsfeuermelder mit mindestens einer mit der Umgehungsluft in unmittelblarer Verbindung stehenden Ionisationskammer und einer in ihr angeordneten radioaktiven Quelle zur Vergrösserung des Verhältnisses von Nah- und Fernstrahlung.
Bei den bekannten, aus zwei Ionisationskammern und einer Kaltkathodenröhre als Stromverstärkungselement bestehenden Feuermeldern ergab sich der Nachteil, dass die als Messkammer ausgebildete offene Ionisationskammer durch die in der Umgebungsluft enthaltenen Staubteilchen im Laufe der Betriebszeit rasch und stark verschmutzt wurde. Die Schmutzbildung ergibt sich aus den in der zu uberwa- chenden Luft enthaltenen Schmutzteilchen wie Staub, Russ, Öldämpfe usw. Die sich auf dem radioaktiven Präpanat - z. B. natürliches Radium mit dessen Fol geprodukten - ausbildende Schrnutzschicht vermindert mit zunehmender Dicke die ionisierende Strahlung.
Dadurch werden weniger lonenpaare gebildet und die Folge davon ist ein Rückgang des Ionisationsstromes. Weiterhin ist es auch möglich, dass eine mehr oder weniger gut isolierende Staubschicht auf den Elektroden der Kammer die elektrische Feldstärke hemntersetzt, worauf sich der Ionisationsstrom ebenfalls reduziert. In jedem Fall wirkt sich eine Verstaubung bzw. Verschmutzung der Ionisationskammer nachteilig auf die Stabilität des Ionisationsstromes und damit des Melders überhaupt aus.
Ausserdem kann eine Schmutzablage auf dem die Messkammer gegen die Atmosphäre abschliessenden Gitter die Funktionsfähigkeit des Melders erheblich beeinträchtigen, weil die Gitteröffnungen dadurch mehr oder weniger verstopft werden, so dass das zu prüfende Gas nicht mehr ungehindert in die Kammer eintreten kann. Die Empfindlichkeit des Melders wird dadurch erheblich reduziert.
Eine periodische Reinigung des Melders in kurzen Zeitabständen ist deshalb erforderlich. Diese Arbeit ist sehr zeitraubend und kostspielig, da sich die Melder oft an schwer zugänglichen Orten oder in hohen Dachgiebleln befinden. Es wurde deshalb nach geeigneten Mitteln gesucht, um die Verstaubung einzuschränken oder überhaupt zu verhindern. Es sind daher Filter bekannt geworden, durch welche die zu überwachende Liuft angesaugt wird. Die im Vergleich zu den Brandaerosolen wesentlich grösseren Staubteilchen werden im Filter zurückgehalten. Diese Methode ist jedoch mit grossem Aufwand verbunden und lohnt sich nur für die Überwachung sehr teurer und stark verstaubter Objekte bzw. Räume.
Es ist auch eine Einrichtung bekannt, bei der die in der geschlossenen Referenzkammer untergebrachte radioaktive Quelle gleichzeitig die Messkammer über dünne Folien ionisiert. Hierdurch ist aber das Pro Sblem der Schmutzbildung in der offenen Messkammer nicht gelöst worden, da die Strahlungsintensität noch eine zu grosse Reichweite aufweist. Die Fernstrahlung fördert die Verstaubung der Ionisations kammern, wie theoretische Überlegungen und praktische Versuche zeigten.
Blei den bekannten Feuermeldern wird für die Ionisierung der Kammern praktisch ausschliesslich die Alpha-Strahlung des Radiums ausgenützt, da die Heliumkerne infolge ihrer grossen Masse und Energie eine weit höhere lonisierungsausbeute ergeben als die Beta- und Gammastrahlen.
Der Ionisationsbereich der Alphastrahlen ist infolge der geringen Reichweite dieser Strahlen im wesentlichen auf die Kammern beschränkt. Dagegen ionisieren die beim Keruzerfall ebenfalls emittierten Beta- und Gammastrahlen infolge ihrer viel grösseren Reichweite und ihres grösseren Durchdringungsvermögens einen ausgedehnteren Bereich ausserhalb der Kammern. Es sei darauf hingewiesen, dass die Betaund Gammastrahlen des Radiuins in Luft eine ionisierende Wirkung über mehr als zwei Meter haben.
Infolge dieser Ionisierung werden die in der Umgebungsluft schwebenden Staubteilchen elektrisch geladen und ein Teil davon wird durch das stets zwischen dem auf einem definierten elektrischen Potential liegenden Melder und dem Raum vorhandenen elektrischen Feld zum Melder transportiert, wo sich die Staubteilchen auf dem Abschlussgitter, den Elektroden, wie auch auf dem radioaktiven Präparat der Kammer absetzen und die erwähnten nachteiligen Auswirkungen zeitigen.
Genau der gleiche Vorgang spielt sich beispielsweise in den für die Entstaubung von Luft gebauten Elektrofiltern ab, wo sich der Staub ebenfalls auf den Elektroden absetzt.
Die Eliminierung der Verstaubung durch die unerwünschte Strahinng ausserhalb des Melders lässt sich auf mehrere Arten erreichen: - Plazierung des Melders ausserhalb des zu überwachenden Raumes, wobei die Melder über Rohrleitungen mit dem Raum verbunden sind. Diese Methode ist sehr aufwendig und kommt deshalb nur für Spezialfälle in Frage wie z. B. auf Schiffen, wo dieselben Leitungen auch für Löschzwecke verwenw det werden können.
- Verhinderung der Ausbildung eines elektrischen Feldes zwischen Melder und Raum.
Diese Methode lässt sich ebenfalls aus praktischen und preislichen Gründen meist nicht verwirklichen, weil dies eine vollsän,'dige elektrische Abschirmung des geschützten Raumes bedingt.
- Verhinderung der Ionisierung ausserhalb der Ionisationskammer, indem die Menge der radioaktiven Quelle verkleinert wird. Hierdurch wird nicht nur die für die Verschmutzung verantwortliche Fernstrahlung, sondern auch die für die Ansprechempfindlichkeit des Melders auf Brandaerosoie verantwortliche Nahstrahlung verringert. Dies führt zu unbrauchbaren Meldern. Es sind daher schon Massnahmen bekannt, die das Verhältnis von Nahstrahlurug zu Ferustrahlung der radioaktiven Quelle verändern.
Dies wird durch entsprechende Umhüllung des Ionisationsfenermelders mit str ahlen abschirmendem Material, z. B. Blei, erreicht. Hierdurch wird der Melder in seiner Herstellung verteuert, sowie in seinem Gewicht und seinen räumlichen Abmessungen unzulässig vergrössert. Der Einsatz des Melders wird besonders in schwer zugänglichen Räumen erschwert, wenn nicht sogar verhindert.
Eine gewisse Verstanbung tritt auch im nicht-ionisierten Raum und ohne Anwesenheit eines elektrischen Feldes ein. Sie ist aber in den meisten AnwenF dungsfällen des Melders unerheblich. Ein wesentlicher technischer Fortschritt ist deshalb dann erreicht, wenn die unerwünschte zusätzliche Verstaubung durch die Aussenionisierung auf ein Mass reduziert wird, das im Vergleich zur natürlichen Verstaubung unbedeutend ist. Es hat sich gezeigt, dass dieses Ziel erreicht wird, wenn die Ionisierung ausserhalb der Kammer einen gewissen Maximalwert nicht überschreitet, ohne Verminderung der die Empfindlichkeit des Melders bestimmenden Nahstrahlung.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergrösserung des Nah- und Fernstrahlungsverhältnisses als radioaktive Quelle eine gammastrahlungsarme Substanz mit einem solchen-unter Aus- serachtlassung von Strahlungsabschirrnungsmitteln am Feuermelder vorbestimmten - Verhältnis von Nah- und Fernstrahlung verwendet ist, dass innerhalb der Ionisationskammer in 0,5 cm Abstand von der Substanz mindestens 108 mal mehr Ionenpaare pro mm2 erzeugt sind als ausserhallb der Ionisationskammer in einem Abstand von 10cm von der Substanz in Luft bei Normalbedingungen.
Es ist also ein Ionisationsfeuermelder konzipiert, bei dem ohne Verminderung der Nahstrahiung die Fernstrahlung weitgehend herabgesetzt wurde zur Erhaltung hoher Ionisationsströme in der Iom.sationskammer und zur Vermeidung der Verschmutzung durch Staub, Russ, Öldämpfe, ohne Anordnung weiterer konstruktiver Mittel um den Melder herum. Hierdurch kann der Feuermelder in staubfrei chen Räumen und an schwer zugänglichen Stellen angebracht werden, ohne die Nachteile der bekann ten Vorrichtungen zu besitzen, wie Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit und somit eine periodische Reimgung der Melder oder grosse räumliche Abmessungen und hohes Gewicht.
Die Reduktion der äusseren Ionisierung auf diesen Wert ist mit Radius als radioaktive Substanz nur unter Inkaufnahme erheblicher Nachteile erreichbar, weil der Anteil der die Fernstrahlung verursachenden Beta- und Gammastrahlung im Vergleich zur nutzbaren Alphastrahlung beträchtlich ist. So ist es denn verständlich, dass alle bisher hergestellten Feuermelder eine äussere Ionisierung erzeugen, die ganz wesentlich über dem genannten Wert liegt, und zwar in der Grössenordnung von 10 Ionenpaaren pro mm9 in einer Sekunde.
Will man die Fernwirrg der radioaktiven Quelle der bekannten Melder auf diesen Wert reduzieren, so muss man entweder die Radiummenge erheblich verkleinern oder die Kammer mit strahlenabschirmendem Material umhüllen. Beide Massnahmen lassen sich aus praktischen Gründen nur schwer durohführen. Die Reduktion der Radiummenge auf den erforderlichen Wert ergibt Ionisationsströme in den Kammern in der Grössenordnung von 10-ttA statt der üblichen 10-9A. Unter Berücksichtigung der auf den Melder wirkenden Umgebungseinnlüsse und der zur Verfügung stehenden Isolationsmaterialien bieten Melder mit Ionisationskammern derart geringer Stärke keine ausreichende Betriebssicherheit.
Zu berücksichtigen ist ausserdem noch der be deutend grössere Aufwand zur Verstärkung dieses geringen Ionisationsstromes für die Alarmsignalaus- lösung. Die Abschirmung der Strahlung ist ebenfalls praktisch nur schwer durchführbar. Die Beta- und Gammastrahlung müsste durch eine massive Umhüllung abgeschirmt werden, um die gewünschte Verminderung der Aussenionisierung zu gewährleisten.
Nebst dem beträchtlichen Gewicht einer solchen Abdeckung wirkt sie sich auch bei günstiger, konstruktiver Ausbildung immer noch ausserordentlich hemmend auf den Eintritt der Brandgase aus. Es ist deshalb vorteilhafter, den gewünschten Effekt durch gammastrahlungsarme Substanzen zu erreichen, wie sie bei bisher nicht verwendeten radioaktiven Isotopen vorliegen. Sie müssen sich dadurch auszeichnen, dass sie eine starke Ionisierung im Nahbereich (Wirkradius bis 8 cm) und eine geringe Ionisierung im Fernbereich (über 8 cm) aufweisen. Im wesentlichen geht es darum, durch die Nahstrahlung Kammerströme in der Grössenordnung der bekannten Melder zu erhalten, aber die äussere Ionisationswirkung um einen Faktor 10 gegenüber Radium zu reduzieren.
Wenn wir davon ausgehen, dass Radium in 0,5 cm von der Substanz rund 10, mal mehr Ionenpaare/mm3 erzeugt als im Abstand von 10cm, so kommen Substanzen in Frage, bei denen dieses Verhältnis mindestens 108 beträgt. Je grösser das Verhältnis zwischen der Ionisierung durch Nahstrahlung und Fernstrahlung ist, desto grösser kann der Ionisationsstrom sein, ohne die als maximal-zulässig erkannte Grenze der Aussenionisierung zu überschreiten. Das bedeutet, dass damit betriebssichere Feuermelder erwähnter Art gebaut werden können.
Als radioaktive Isotope, welche diese Forderung erfüllen, seien beispielsweise erwähnt: Pu 238, Pu 239, Pu 240, Pu 242, Po 208, Po 209, Am 241. Sie zeichnen sich alle dadurch aus, dass sie entweder keine Beta- bzw. Gammastrahlung emittieren oder dass diese Strahlung im Vergleich zur nutzbaren Alphastrahlung gering ist.
Es kommen aber auch Strahler in Frage, die vorwiegend Betastrahlen kurzer Reichweite aussenden, wie z. B. Tritium, C 14 und ähnliche.
Allfällig störende, durch die primäre Kernstrahlung in der Umhüllung erzeugte Bremsstrahlung und die bei obgenannten Isotopen oft noch vorhandene energiearme Beta- bzw. Gammastrahlung kann ausserdem noch durch eine geeignete Abschirmung in der Wirkung vermindert werden. Die Abschirmung dieser Beta-, sowie elektromagnetischen Strahlung ist relativ leicht, weil es sich im Vergleich zu den Betaund Gammastrahlungen des Radiums-wie erwähnt - um energieschwache Strahlen handelt.
Die Verwendung eines Alpha-Strahlers. mit energiearmer Beta- oder Gammastrahlung oder eines reinen Betastrahlers kurzer Reichweite hat ausserdem noch bei Feuermeldern, die eine Kaltkathodenröhre als Relaisröhre enthalten, den Vorteil, dass die Ionisierung im Röhreninnern wesentlich kleiner ist als bei Verwendung von Radium. Während die harten Beta-und Gammastrahlen des Radiums die Glaswand der Röhre durchdringen, werden jene der erwähnten Isotopen weitgehend abgeschirmt. Die Ionisierung des Gasraumes der Röhre erzeugt einen Strom zwischen den Röhrenelektroden. Dieser vermindert die Steuerempfindlichkeit der Röhre.