DE1648902B2

DE1648902B2 - Ionenkammerdetektor

Info

Publication number: DE1648902B2
Application number: DE1967G0050999
Authority: DE
Inventors: George Frank Scotia N.Y. Skala (V.StA.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-09-12
Filing date: 1967-08-31
Publication date: 1976-12-02
Also published as: GB1186525A; JPS4930160B1; DE1648902A1; US3573460A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen lonenkammerdetektor zum Nachweis kleinster, von einem Gasstrom mitgerissener Schwebeteilchen, der einen langgestreckten Behälter mit einem Misch- und lonisierungsabschnitt, in den der Gasstrom mit den Schwebeteilchen einleitbar ist: und der eine Strahlungsquelle aufweist, und einem in axialer Richtung folgenden Detektorteil mit zwei Elektroden aufweist, an die zum Sammeln der Ionen in dem Gasstrom eine Spannung anlegbar ist. Ein derartiger lonenkammerdetektor ist aus der DT-AS 10 89 193 bekannt.

Die Möglichkeit, in einem Gasstrom Schwebeteilchen nachweisen zu können, ist für viele industrielle und private Anwendungen wichtig, da man aufgrund dieser Möglichkeit Sicherheits- und Warnvorrichtungen herstellen kann. Insbesondere sind Geräte zum Nachweis einer Luftverschmutzung sowohl im Haushalt als auch in der Industrie von beträchtlicher Bedeutung, da solche Geräte als Rauchmelder und Warnanlagen verwendet werden können. Leider sind nun viele der heute erhältlichen Nachweisgeräte dieser Art teuer und schwierig zu betreiben und außerdem ist ihre Anzeige häufig falsch bzw. ungenau.

Mit der Ionisationskammer gemäß der oben genannten DT-AS 10 89 193 soll erreicht werden, daß die Stärke des lonisationsstromes weitgehend konstant gehalten wird. Demzufolge ist im Inneren der Kammer in Richtung der Gasströmung hinter der Anode ein Sperrgitter angeordnet, dessen Potential niedriger als das Potential der Anode mit Bezug auf die Spannung an der Kathode gewählt ist. Dabei kann der Abstand zwischen der Anode und dem Sperrgitter von außen eingestellt werden. Hierdurch wird jedoch nicht erreicht, daß eine vollständige Mischung des Gases und der Schwebeteilchen durchgeführt wird, und praktisch alle Teilchen Ionen aufnehmen und mit diesen aus dem Gas- und Ionenstrom austreten.

Aus der US-PS 31 78 930 ist es zwar bereits bekannt, schon vor dem eigentlichen Detektorteil eine Ionisierung durchzuführen. Hierdurch soll jedoch lediglich eine Geschwindigkeitsfiltening der geladenen Teilchen vor genommen werden. Deshalb werden die Teilchen im Detektorteil erneut ionisiert.

Weiterhin ist in der DT-PS 11 26 651 eine Ionisationskammer beschrieben, bei der eine radioaktive Strahlungsquelle an den Wandungen eines Hohlraumes angeordnet ist Der gleiche Hohlraum dient jedoch der Mischung, Ionisation und Messung.

'Schließlich ist aus der US-PS 31 34 898 ein Gaschromatograph bekannt, der auch zur Messung von Luftverschmutzungen verwendet werden kann. Dieser Chromatograph weist in einem großen Gehäuse mit einer metallischen Oberfläche eine Elektronen erzeugende Zone, in der eine ultraviolette Lampe Photoelek tronen durch Bestrahlung der metallischen Oberfläche erzeugt, und eine Ionisationskammer auf, die durch einen Abschnitt des Metallgehäuses und eine darin angeordnete langgestreckte Mittelelektrode gebildet

Die der Erindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, einen einfach aufgebauten fonenkammerdetektor zu schaffen, bei dem eine räumliche Trennung zwischen dem Misch- und lonisierungsabschnitt einerseits und dem Detektorteil andererseits besteht und der eine genaue, zur Menge der mitgerissenen Schwebeteilchen proportionale Anzeige liefert.

Diese Aufgabe wird bei einem lonenkammerdetektor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelost, daß der Misch- und lonisierungsabschnitt ein langgestrecktes Volumen besitzt, auf seiner Innenwand die Strahlungsquelle gleichförmig verteilt ist und an seinem Auslaßende durch einen Stopfen mit Öffnungen vom Detektorteil abgetrennt ist, und daß in dem Deiektorteil eine axial langgestreckte Mittelelektrode und eine diese umgebende Außenelektrode angeordnei

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß in dem langgestreckten Volumen des Misch- und lonisierungsabschnittes gemäß der Erfindung das Gas und die Schwebeteilchen gründlich gemischt werden, wobei praktisch alle Schwebeteilchen Ionen aufnehmen. Da gleichzeitig für ein großes Verzögerungsvolumen und eine räumliche Abtrennung zwischen lonisierungs- und Detektorteii gesorgt ist, können sich diese Teilchen absetzen und vermindern dadurch den Ausgangsstrom des Detektors proportional zur Menge der anfangs vorhandenen Schwebeteilchen. Aufgrund der besonderen Gestaltung der Elektroden ist sichergestellt, daß alle nicht von Schwebeteilchen gebundenen Ionen von den Elektroden erfaßt werden, so daß ein eindeutiger Bezugsstrom festgelegt ist. Mit den beiden Elektroden kann ein Verstärker und ein Schreiber oder eine andere Signaleinrichtung verbunden werden, um ein genau arbeitendes Nachweisgerät für Schwebeteilchen in Gasen zu erhalten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Beschreibung und Zeichnung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung näher erläutert.

F i g. 1 ist ein Längsschnitt durch einen lonenkammerdetektor.

Fig.2 ist eine graphische Darstellung und zeigt die Nachweischarakteristik des Ionenkammerdetektors als Funktion des Ionenkammerstroms und des Probenstroms in Abhängigkeit von der Zeit.

Der in Fig. 1 als Ausführungsbeispiel gezeigte lonenkammerdetektor weist einen langgestreckten zylindrischen Körper 10 auf, der an seinen beiden Enden durch Flansche 11 und 12 verschlossen ist. Der Körper 10 kann auch andere &\s zylindrische Querschnittsfor-

men haben. Der Flansch 11 ist mit einem Einlaßstutzen 13 versehen. Der Flansch 12 enthält dagegen eine Auslaßöffnung 14. Innerhalb des Volumens, das vom Körper 10 abgegrenzt ist, befindet sich ein langgeftreckter Behälter 15, der ein Verzögerungsvolumen <8 bildet Das Gas mit den Schwebeteilchen gelangt in dieses Verzögerungsvolumen 18. In dem Teil des lonenkammerdetektors, der vom Behälter 15 gebildet ist, wird das einströmende Gas mit den Scnwebeteilchen gründlich durchmischt, während das Gas von einer Strahlungsquelle 25 ionisiert wird, die innerhalb des Behälters 15 angeordnet ist. Das Ende des Behälters 15 ist in der Nähe des Einlaßstutzens 13 durch einen Stopfen i6 verschlossen, der mit einem becherförmigen Diffusionsprallblech 17 versehen ist. Das Prallblech 17 dient dazu, die einströmende Luft mit den Schwebeteilchen gründlich zu verwirbeln, wenn die Luft und die Schwebeteilchen durch die öffmng 19 hindurch in das Verzögerungsvolumen 18 eintreten.

Die innere Oberfläche des Behälters 15 in dem lonenkammerdetektor nach Fig. 1 ist mit der Strahlungsquelle 25 überzogen. Es ist zwar möglich, die Strahlungsquelle an einer Stelle zu konzentrieren. Es ist jedoch günstiger, die Strahlungsquelle am gesamten Verzögerungsvolumen 18 entlang /u verteilen, so daß das ganze Gas vollständiger und gleichförmiger bestrahlt werden kann. Versuche haben ergeben, daß eine konzentrierte Strahlungsquelle zwar auch auf Ergebnisse führt. Diese Ergebnisse sind j.jdoch weniger genau als diejenigen Ergebnisse, die man bei einer längs der Achse des Behälters 15 gleichmäßig verteilten Strahlungsquelle erhält. Ein möglicher Grund hierfür liegt darin, daß die lonendichte im Gas bei einer konzentrierten Strahlungsquelle zu hoch wird.

Das Auslaßende des Verzögerungsvolumens 18 ist durch einen Stopfen 26 mit öffnungen 27 verschlossen, durch die das Gas in den eigentlichen Detektorteil 30 einströmt. Der Detektorteil 30 weist eine Außenelektrode 31 mit öffnungen 27 auf, durch die der Gasstrom mit den Schwebeteilchen in den Detektorteil 30 einströmen kann. Weiterhin sind eine Auslaßöffnung 32 und eine Mittelelektrode 33 vorgesehen, die mit einer Spannungsquelle 34 verbunden sind. Wenn das Gas zwischen der Außenelektrode 31 und der Mittelelektrode 33 hindurchgeströmt ist, tritt es durch die öffnung 35 und durch die Auslaßöffnung 14 im Endflansch 12 wieder nach außen aus.

Die Außenelektrode 31 ist durch die Kabel 36 mit einem Verstärker oder einem Nachweisgerät verbunden, das ein nicht dargestelltes Elektrometer sein kann.

Der lonenkammerdektor gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel macht von der Erscheinung Gebrauch, daß kleinste Teilchen, wie beispielsweise Schwebeteilchen, durch ihren Einfluß auf den Ausgangsstrom einer lonenkammer nachgewiesen werden können, in der die Kleinionen gesammelt werden, die bei der Bestrahlung des die Schwebeteilchen enthaltenden Gasstroms durch eine schwache Strahlungsquelle entstehen. Wenn keine Schwebeteilchen vorhanden sind, werden praktisch alle Ionen gesammelt, so da2 der Ionenkammerstrom einen Maximalwert erreicht. Dieser Maximalwert des lonenkammerstroms ist durch die Stärke der Strahlungsquelle und durch die lonisierungseigenschaften des Gasstroms bestimmt. Wenn jedoch Schwebeteilchen vorhanden sind, absorbieren sie einige dieser Ionen. Da nun die Schwebeteilchen wesentlich größer als die Ionen sind und da daher die Beweglichkeit der so entstehenden geladenen Partikelchen niedriger ist, werden nur einige wenige dieser geladenen Schwebeteilchen in der lonenkammer gesammelt Dadurch nimmt der Ausgangsstrom der lonenkammer ab. Diese Abnahme des Ionenkammerstromes ist eine Funktion der Teilchenkonzentration und der Teilchengröße. Der lonenkammerdetektor nach F i g. 1 ist besonders in Verbindung Mit einem wasserstoffgekühlten Generator anwendbar. Wenn man beispielsweise solche Teile des Generators, die besonders heiß werden können, mit einem verdampfbaren Material überzieht, kann man einen Teil des zur Kühlung verwendeten Wasserstoffs durch den lonenkammerdetektor hindurchführen und dabei bestimmen, ob von diesem Überzug etwas verdampft ist oder nicht Eine derartige Anwendung des lonenkammerdetektors ist deswegen besonders günstig, weil der Wasserstoff unter Ausnutzung des kleinen Druckunterschiedes innerhalb des Generators durch den Detektor hindurch und zurück zum Generator gefuhrt werden kann, ohne daß zusätzliche Pumpen oder Gebläse notwendig sind.

Um die Arbeitsweise des lonenkammerdetektors darzustellen, wurde ein Detektor nach F i g. 1 hergestellt, dessen Verzögerungsvolumen 18 1120 ecm betrug. Als Strahlungsquelle wurde ein α-Strahler an den Wänden des Behälters 15 entlang verteilt. Im vorliegenden Beispiel war der Α-Strahler Thorium 232, das Λ-Teilchen mit einer Energie von 3.99 MeV ausstrahlt. Die gesamte Aktivität des Thoriums 232 betrug 0,36 Microcurie. Es können jedoch auch andere Strahlungsquellen verwendet werden.

Um den Wirkungsgrad des lonenkammerdetektors zu untersuchen, wurden Versuche zur Bestimmung der thermischen Zersetzungs- und Dissoziationseigenschaften verschiedener Kunststoffe in einer Wasserstoffatmosphäre unternommen, deren Druck bis zu 4 Atmosphären betrug. Die besondere Art des hier verwendeten Kunststoffes ist ohne Bedeutung, da die richtige Auswahl des Kunststoffes davon abhängt, weiche Temperaturempfindlichkeit angestrebt wird oder erforderlich ist. Die Kunststoffe wurden als Überzug auf einen Metallstreifen aufgebracht, der dann von einem Strom beheizt wurde, der durch den Metallstreifen hindurchgeschickt wurde. Der Wasserstoff wurde über den geheizten Streifen geleitet, so daß er das gesamte verdampfte oder flüchtige Material mitreißen und in die lonenkammer transportieren konnte.

Fig.2 zeigt den Verlauf des lonenkammerstroms in Abhängigkeit von der Zeit. Die Kurve 40 in F i g. 2 zeigt, wie der Strom durch den Metallstreifen während einer Zeitdauer von 16 Minuten allmählich erhöht wurde. Die Kurve 41 zeigt dagegen die Abnahme des lonenkammerstroms, die mit fortschreitender Zeit und als Funktion der Materialmenge auftritt, die von dem überzogenen Metallstreifen wegdiffundiert ist. Man sieht, daß während der ersten vier oder fünf Minuten der Ionenkammerstrom etwa seinen Maximalwert hat, was anzeigt, daß die während dieser Zeit in der Probe herrschenden Temperaturen so niedrig waren, daß nur wenig oder gar kein Material vom Kunststoffüberzug verdampfte. Anschließend nahm der Ionenkammerstrom jedoch merklich und laufend ab, da mehr und mehr thermisch erzeugte Schwebeteilchen von dem Wasserstoff mitgenommen wurden, der über den Probestreifen hinwegströmte.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

lonenkammerdetektor zum Nachweis kleinster, von einem Gasstrom mitgerissener Schwebeteilchen, der einen langgestreckten Behälter mit einem Misch- und lonisierungsabschnitt, in den der Gasstrom mit den !Schwebeteilchen einleitbar ist und der eine Strahlungsquelle aufweist, und einem in axialer Richtung folgenden Detektorteii mit zwei Elektroden aufweist an die zum Sammeln der Ionen in dem Gasstrom eine Spannung anlegbar ist dadurch gekennzeichnet, daß der Misch- und Ionisierungsabschnitt (18) ein langgestrecktes Volumen besitzt auf seiner Innenwand die Strahlungsqudlf (25) gleichförmig verteilt ist und an seinem Auslaßende durch einen Stopfen (26) mit öffnungen (27) vom Detektorteil (30) abgetrennt ist und da(3 in dem Detektorteii (30) eine axial langgestreckte Mittelelektrode (33) und eine diese umgebende Außenelektrode (31) angeordnet sind.