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Ionisations-Feuermelder Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ionisationsfeuermelder
mit mindestens einer mit der Umgebungsluft in unmittelbarer Verbindung stehenden
Ionisationskammer und einer in ihr angeordneten radioaktiven Quelle sowie mit Maßnahmen
zur Vergrößerung des Verhältnisses von Nah- und Fernstrahlung.
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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 überwachenden Luft enthaltenen
Schmutzteilchen wie Staub, Ruß, Öldämpfe usw. Die sich auf dem radioaktiven Präparat
- z. B. natürliches Radium mit dessen Folgeprodukten - ausbildende Schmutzschicht
vermindert mit zunehmender Dicke die ionisierende Strahlung.
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Dadurch werden weniger Ionenpaare gebildet, und die Folge davon ist
ein Rückgang des lonisationsstromes. Weiterhin ist es auch möglich, daß eine mehr
oder weniger gut isolierende Staubschicht auf den Elektroden der Kammer die elektrische
Feldstärke heruntersetzt, 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.
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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.
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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 Dachgiebeln befinden.
Es wurde deshalb nach geeigneten Mitteln gesucht, um die Verstaubung einzusehränken
oder überhaupt zu verhindern. Es sind daher Filter bekanntgeworden, durch welche
die zu überwachende Luft 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 Problem
der Schmutzbildung in der offenen Meßkammer nicht gelöst worden, da die Strahlungsintensität
noch eine zu große Reichweite aufweist. Die Fernstrahlung fördert die Verstaubung
der Ionisationskammern, wie theoretische Überlegungen und praktische Versuche zeigten.
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Bei den bekannten Feuermeldern wird für die Ionisierung der Kammern
praktisch ausschließlich die Alphastrahlung des Radiums ausgenützt, da die Heliumkerne
infolge ihrer großen Masse und Energie eine weit höhere lonisierungsausbeute ergeben
als die Beta- und Gammastrahlen.
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Der Ionisationsbereich der Alphastrahlen ist infolge der geringen
Reichweite dieser Strahlen im wesentlichen auf die Kammern beschränkt. Dagegen ionisieren
die beim Kernzerfall 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 Beta- und Gammastrahlen
des Radiums inlufteineionisierende Wirkung über mehr als 2 m haben.
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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.
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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.
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Die Eliminierung der Verstaubung durch die unerwünschte Strahlung
außerhalb des Melders läßt sich auf mehrere Arten erreichen: Plazierung der Melder
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 verwendet
werden können.
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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 vollständige elektrische Abschirmung des
geschützten Raumes bedingt.
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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 Brandaerosole verantwortliche Nahstrahlung verringert. Dies führt
zu unbrauchbaren Meldern. Es sind daher schon Maßnahmen bekannt, die das Verhältnis
von Nahstrahlung zu Fernstrahlung der radioaktiven Quelle verändern. Dies wird durch
entsprechende Umhüllung des Ionisationsfeuermelders mit strahlenabschirmendem 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.
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Eine gewisse Verstaubung tritt auch im nichtionisierten Raum und
ohne Anwesenheit eines elektrischen Feldes ein. Sie ist aber in den meisten Anwendungsfällen
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.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung des
Nah- und Fernstrahlungsverhältnisses als radioaktive Quelle eine gammastrahlungsarme
Substanz mit einem -solchen - unter Außerachtlassung von Strahlungsabschirmungsmitteln
am Feuermelder vorbestimmten - Verhältnis von Nahzu Fernstrahlung verwendet ist,
daß innerhalb der Ionisationskammer in 0,5 cm Abstand von der Sub-
stanz mindestens
108mal Ionenpaare pro Kubikmillimeter in 1 Sekunde mehr erzeugt sind als außerhalb
der Ionisationskammer in einem Abstand von 10 cm von der Substanz.
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Es ist also ein Ionisationsfeuermelder konzipiert, bei dem ohne Verminderung
der Nahstrahlung die Fernstrahlung weitgehend herabgesetzt wurde zur Erhaltung hoher
Ionisationsströme in der Ionisationskammer und zur Vermeidung der Verschmutzung
durch Staub, Ruß, Öldämpfe ohne Anordnung weiterer konstruktiver Mittel um den Melder
herum. Hierdurch kann der Feuermelder in staubreichen Räumen und an schwer zugänglichen
Stellen angebracht werden, ohne die Nachteile der bekannten Vorrichtungen zu besitzen,
wie Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit und somit eine periodische Reinigung
der Melder oder große räumliche Abmessungen und hohes Gewicht.
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Die Reduktion der äußeren Ionisierung auf diesen Wert ist mit Radium
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 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
über 10 Ionenpaaren pro Kubikmillimeter in 1 Sekunde.
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Will man die Fernwirkung 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 durchführen. Die Reduktion der Radiummenge
auf den erforderlichen Wert ergibt Ionisationsströme in den Kammern in der Größenordnung
von 10-11 A statt der üblichen 10-9 A. Unter Berücksichtigung der auf den Melder
wirkenden Umgebungseinflüsse und der zur Verfügung stehenden Isolationsmaterialien
bieten Melder mit Ionisationskammern derart geringer Stärke keine ausreichende Betriebssicherheit.
Zu berücksichtigen ist außerdem noch der bedeutend größere Aufwand zur- Verstärkung
dieses geringen Ionisationsstromes für die Alarmsignalauslösung. 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. Neben 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 erfindungsgemäß
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 107mal mehr Ionenpaare
pro Kubikmillimeter
in 1 Sekunde erzeugt als im Abstand von 10 cm, so kommen erfindungsgemäß 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.
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Als radioaktive Isotope, welche diese Forderung erfüllen, seien beispielsweise
erwähnt: Pu 238, Pu 239, Pu 240, Pu 242, Po 208, Po 209, Am 241.
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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.
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Es kommen aber auch Strahler in Frage, die vorwiegend Betastrahlen
kurzer Reichweite aussenden, wie z. B. Tritium, C 14 u. ä.
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Allfällig störende, durch die primäre Kernstrahlung in der Umhüllung
erzeugte Bremsstrahlung und die bei den obengenannten 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 Beta- und Gammastrahlungen
des Radiums - wie erwähnt - um energieschwache Strahlen handelt.
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Die Verwendung eines Alphastrahlers 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 Iso-
topen weitgehend abgeschirmt. Die Ionisierung des Gasraumes
der Röhre erzeugt einen Strom zwischen den Röhrenelektroden. Dieser vermindert die
Steuerempfindlichkeit der Röhre.