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.
Ionization fire alarm
The present invention relates to an ionization fire alarm with at least one ionization chamber in direct connection with the bypass air and a radioactive source arranged in it to increase the ratio of near and far radiation.
In the case of the known fire alarms consisting of two ionization chambers and a cold cathode tube as a current amplifying element, the disadvantage was that the open ionization chamber, designed as a measuring chamber, was quickly and heavily soiled by the dust particles in the ambient air over the course of the operating time. The dirt formation results from the dirt particles contained in the air to be monitored, such as dust, soot, oil vapors, etc., which are deposited on the radioactive preparation - e.g. B. natural radium with its foliated products - the protective layer of abrasion reduces the ionizing radiation with increasing thickness.
As a result, fewer ion pairs are formed and the result is a decrease in the ionization current. Furthermore, it is also possible that a more or less well insulating layer of dust on the electrodes of the chamber inhibits the electrical field strength, whereupon the ionization current is also reduced. In any case, dust or soiling of the ionization chamber has a disadvantageous effect on the stability of the ionization current and thus of the detector in general.
In addition, a deposit of dirt on the grille that seals the measuring chamber from the atmosphere can significantly impair the functionality of the detector because the grille openings are more or less blocked, so that the gas to be tested can no longer enter the chamber unhindered. This considerably reduces the sensitivity of the detector.
Periodic cleaning of the detector at short intervals is therefore necessary. This work is very time-consuming and costly, as the detectors are often in hard-to-reach places or in high gables. Suitable means were therefore sought to limit or even to prevent dust formation. Filters have therefore become known through which the air to be monitored is sucked in. The dust particles, which are much larger than the fire aerosols, are retained in the filter. However, this method is associated with great effort and is only worthwhile for monitoring very expensive and very dusty objects or rooms.
A device is also known in which the radioactive source housed in the closed reference chamber simultaneously ionizes the measuring chamber via thin foils. However, this did not solve the problem of dirt formation in the open measuring chamber, since the radiation intensity still has too great a range. Long-distance radiation promotes dust build-up in the ionization chambers, as theoretical considerations and practical tests have shown.
With the known fire alarms, the alpha radiation of radium is used almost exclusively for ionization of the chambers, since the helium nuclei, due to their large mass and energy, have a much higher ionization yield than the beta and gamma rays.
The ionization range of the alpha rays is essentially limited to the chambers due to the short range of these rays. In contrast, the beta and gamma rays, which are also emitted during the decay of fuel, ionize a larger area outside the chambers due to their much greater range and greater penetration capacity. It should be noted that the beta and gamma rays of the radiuin in air have an ionizing effect over more than two meters.
As a result of this ionization, the dust particles floating in the ambient air are electrically charged and part of them is transported to the detector by the electrical field that is always present between the detector, which is at a defined electrical potential and the room, where the dust particles are located on the cover grille, the electrodes, as well as settle on the radioactive preparation of the chamber and produce the aforementioned adverse effects.
Exactly the same process takes place, for example, in the electrostatic precipitators built for dedusting air, where the dust also settles on the electrodes.
The elimination of dust caused by unwanted radiation outside the detector can be achieved in several ways: - Placing the detector outside the room to be monitored, whereby the detectors are connected to the room via pipes. This method is very complex and is therefore only suitable for special cases such as B. on ships, where the same lines can be used for extinguishing purposes.
- Prevention of the development of an electric field between the detector and the room.
This method can also usually not be implemented for practical and price reasons, because it requires complete electrical shielding of the protected space.
- Prevention of ionization outside the ionization chamber by reducing the amount of radioactive source. This not only reduces the long-range radiation responsible for the pollution, but also the local radiation responsible for the sensitivity of the detector to fire aerosoie. This leads to unusable detectors. Measures are therefore already known which change the ratio of near radiation to ferrous radiation from the radioactive source.
This is achieved by appropriately wrapping the ionization window detector with str ahlen shielding material, e.g. B. lead achieved. This makes the detector more expensive to manufacture, and its weight and spatial dimensions are inadmissibly increased. The use of the detector is made difficult, if not even prevented, particularly in hard-to-reach areas.
A certain amount of bracing occurs even in a non-ionized space and without the presence of an electric field. However, it is irrelevant in most applications of the detector. Significant technical progress is therefore achieved when the undesired additional dust is reduced by the external ionization to a level that is insignificant in comparison to natural dust. It has been shown that this goal is achieved if the ionization outside the chamber does not exceed a certain maximum value, without reducing the near radiation which determines the sensitivity of the detector.
The invention is characterized in that, in order to increase the near and far radiation ratio, a low-gamma radiation substance is used as a radioactive source with such a ratio of near and far radiation - ignoring radiation shielding means on the fire alarm - that within the ionization chamber in 0, 5 cm from the substance, at least 108 times more ion pairs per mm2 are generated than outside the ionization chamber at a distance of 10 cm from the substance in air under normal conditions.
An ionization fire alarm has been designed in which the long-range radiation has been largely reduced without reducing the local radiation in order to maintain high ionization currents in the ionization chamber and to avoid contamination by dust, soot, and oil vapors, without arranging further constructional means around the detector. This allows the fire alarm to be installed in dust-free areas and in hard-to-reach places without having the disadvantages of the well-known devices, such as impairment of functionality and thus a periodic reimgation of the alarm or large spatial dimensions and heavy weight.
The reduction of the external ionization to this value can only be achieved with Radius as a radioactive substance at the expense of considerable disadvantages, because the proportion of beta and gamma radiation causing long-range radiation is considerable compared to usable alpha radiation. So it is understandable that all fire alarms manufactured to date generate an external ionization that is considerably above the value mentioned, namely in the order of magnitude of 10 ion pairs per mm9 in one second.
If you want to reduce the long-range confusion of the radioactive source of the known detectors to this value, you either have to reduce the amount of radium considerably or enclose the chamber with radiation-shielding material. For practical reasons, both measures are difficult to carry out. Reducing the amount of radium to the required level results in ionization currents in the chambers in the order of magnitude of 10-ttA instead of the usual 10-9A. Taking into account the environmental influences acting on the detector and the available insulation materials, detectors with ionization chambers of such low thickness do not offer sufficient operational safety.
Also to be taken into account is the significantly greater effort required to amplify this low ionization current for triggering the alarm signal. The shielding of the radiation is also difficult to carry out in practice. The beta and gamma radiation would have to be shielded by a massive covering in order to ensure the desired reduction in external ionization.
In addition to the considerable weight of such a cover, it still has an extremely inhibiting effect on the entry of fire gases, even with a favorable, constructive design. It is therefore more advantageous to achieve the desired effect using substances that are low in gamma radiation, such as are present in radioactive isotopes that have not been used previously. They must be characterized by the fact that they have strong ionization in the close range (effective radius up to 8 cm) and low ionization in the far range (over 8 cm). Essentially, the aim is to use the near radiation to obtain chamber currents in the order of magnitude of the known detectors, but to reduce the external ionization effect by a factor of 10 compared to radium.
If we assume that radium generates around 10 times more ion pairs / mm3 at 0.5 cm from the substance than at a distance of 10 cm, then substances come into question where this ratio is at least 108. The greater the ratio between the ionization by near and far radiation, the greater the ionization current can be without exceeding the limit of external ionization recognized as the maximum permissible. This means that reliable fire alarms of the type mentioned can be built with them.
The following radioactive isotopes which meet this requirement may be mentioned, for example: Pu 238, Pu 239, Pu 240, Pu 242, Po 208, Po 209, Am 241. They are all characterized by the fact that they either have no beta or gamma radiation emit or that this radiation is low compared to the usable alpha radiation.
But there are also emitters in question that mainly emit short-range beta rays, such as B. tritium, C 14 and the like.
Any interfering bremsstrahlung generated by the primary nuclear radiation in the envelope and the low-energy beta or gamma radiation that is often still present in the case of the above-mentioned isotopes can also be reduced in their effect by suitable shielding. The shielding of this beta and electromagnetic radiation is relatively easy because in comparison to the beta and gamma radiation of radium - as mentioned - it is low-energy radiation.
The use of an alpha emitter. with low-energy beta or gamma radiation or a pure beta emitter with a short range also has the advantage of fire alarms that contain a cold cathode tube as a relay tube that the ionization inside the tube is much smaller than when using radium. While the hard beta and gamma rays of the radium penetrate the glass wall of the tube, those of the mentioned isotopes are largely shielded. The ionization of the gas space in the tube creates a current between the tube electrodes. This reduces the control sensitivity of the tube.