DE3215059A1 - Lithiummetalldetektor - Google Patents

Description

Lithiummetalldetektor

Die Erfindung betrifft einen Lithiumraetalldetektor mit einer Glühfadenelektrode, an welcher in einem Trägergas transportierte Lithiumatome und Lithiumkomponenten reagieren und durch thermische Ionisation positive Lithiumionen entstehen,und mit einer Koiiektorelektrode sowie einem ersten Schaltkreis, um einen Lithiumionenstrom zur Kollektorelektrode auszulösen und diesen festzustellen, wobei der Lithiumionenstrcra das Vorhandensein einer Lithiumkonzentration iia Trägergas anzeigt.

Alkalimetalidetektoren sind vielseitig bekannt und in den US-PS 4 047 101, 4 095 171 und 4 117 396 beschrieben. Derartige bekannte Alkalimetalidetektoren verwenden Glühfadenelektroden, welche typischerweise aus einer Metallkeramik wie z. 3. aus einem SiO₀ überzogenen Cermet-Draht aus MoSi„ hergestellt sind und mit einer Kollektoreiektrode vorzugsv/eise in Plattenform zusammenarbeiten. Die Glühfadenelektrode wird auf eine Temperatur über 900⁰C mit Hilfe eines ersten Schaltkreises erhitzt und der Atmosphäre bzw. einem Trägergas ausgesetzt, in welchem die interessierenden Alkaliteilchen existieren können. Wenn diese Teilchen mit der Oberfläche der Glühfadeneiektrode in Berührung kommen, werden diese, soweit sie aus Äikal!komponenten bestehen, dissoziiert, ionisiert und als positive Ionen von der Glühfadenelektrode abgegeben.

WS 319 P - 2479 Ein zwischen

Ein zwischen der Glühfadenelektrode und der Kollektorelektrode mit Hilfe eines zweiten Schaltkreises ausgebildetes elektrisches Feld sorgt dafür, daß die Ionen zur Kollektorelektrode wandern und in dieser einen Ionenstrom auslösen, der mit Hilfe eines Ampermeters meßbar ist. Die Größe des Ionenstroms ist eine Anzeige für das Vorhandensein von Alkalimetallen in der die Glühfadenelektrode umgebenden Atmosphäre.

Alkalimetalldetektoren werden prinzipiell in Alarmanlagen für Natriumlecks bei schnellen Brüterreaktoren verwendet. Wenn ein Leck vorhanden ist, reagiert das Natrium mit der Luft, so daß in der Luft Natriumteilchen oder Teilchen von Natriumkomponenten in Form von Rauch oder anderen Aerosolen vorhanden sind. Derartige Alkalimetalldetektoren haben eine sehr hohe Empfindlichkeit, welche in der Großem
liegt.

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Größenordnung von etwa 3x10 Gramm Natrium/cm³ Gas

Kernfusionsreaktoren und Fusionsprüfsysteme umfassen Systeme, die große Mengen von flüssigem Lithium bei hohen Temperaturen umfassen. Es bestand die Hoffnung, daß die vorausstehend bekannten Detektoren für die Sicherheitsüberwachung von in Luft austretendem Lithium verwendet werden könnte, da das Lithium in der Luft ebenso wie Natrium unter Erzeugung von Rauch verbrennt. Bei einer Testsituation unter Verwendung von LiOH, Li₂O und LiCO, in Aerosolen mußte festgestellt werden, daß die bekannten Detektoren nicht ansprechen, im Gegensatz zu gleichartigen Natriumkomponenten in Aerosolen bei entsprechenden Überprüfungen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Detektoren zu schaffen, mit welchen Lithium festgestellt

WS 319 P - 2479 werden kann,

werden kann, wobei die vorausstehend genannten Nachteile der bekannten Detektoren überwunden werden.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem für die Feststellung von Natrium und Natriumkomponenten bekannten Stand der Technik erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein zweiter Schaltkreis an die Glühfadenelektrode angeschlossen ist, mit welchem die Glühfadentemperatur auf einen Wert über 1000⁰C zur Ionisation der Lithiumatome und Lithiumkomponenten gehalten wird.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Mit den Maßnahmen der Erfindung kann Lithium mit Hilfe von für die Feststellung von Alkalimetallen geeigneten Detek- ' toren festgestellt werden, indem die Glühfadenelektrode derartiger Detektoren bei Temperaturen betrieben wird, die oberhalb etwa 1000⁰C liegen.

Die Erfindung mit ihren Vorteilen und Merkmalen wird anhand eines auf die Zeichnung bezugnehmenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen;

Fig. 1 ein Diagramm über das Ansprechverhalten eines bekannten Detektors,

Fig. 2 ein Diagramm des Ansprechverhaltens eines Detektors gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines zu einem Lithiumdetektor umgewandelten Natriumdetektors,

Fig. 4 eine Kalibrierkurve für die Glühfadentemperatur.

WS 319 P - 2479 Ein Alkalimetalldetektor

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Ein Alkalimetalldetektor kann mit Erfolg zur Feststellung von Lithium verwendet werden, wenn der Glühfaden bei Temperaturen von 1100⁰C und darüber betrieben wird. Dies läßt sich dadurch verwirklichen, daß in einem ersten, dem Glühfaden zugeordneten Schaltkreis der Glühfaden gemessen und derart eingestellt wird, daß sich z. B. mit Hilfe einer veränderlichen Spannungsversorgung der Glühfadenstrom auf einem der gewünschten Temperatur entsprechenden Wert gehalten wird. Die Korrelation zwischen der Glühfadentemperatur und dem Glühfadenstrom ergibt sich aus einer Kalibrierkurve, die man unter Verwendung eines optischen Pyrometers und unter Konstanthaltung bestimmter Parameter wie z. B., wenn vorhanden, einer Gasstromatmosphäre zusammen mit weiteren Betriebsbedingungen erhält.

In Fig.l ist ist das Ansprechverhalten für einen Alkalimetalldetektor bekannter Art beschrieben. Auf der Ordinate 1 wird das Nettoverhalten des Detektors, d. h. das Detektorsignal minus Background-Signal in Abhängigkeit von der Temperatur auf der Abszisse 2 entweder für Natrium oder Kalium dargestellt. Der Nettoverlauf der Kurve 4 liegt etwa um das zehnfache über der Background-Kurve 3 für alle betrachteten Temperaturen. Daraus ergibt sich, daß die niedrigere Temperatur, wenn der Detektor in herkömmlicher Weise betrieben wird (etwa 900⁰C), ausreicht, um Natrium und Kaliumkomponenten zu dissoziieren und die sich daraus ergebenden Alkalimetallatome zu ionisieren. Obwohl bei einem Betrieb mit höheren Temperaturen ein günstigeres Nettoverhalten zu erwarten ist, führt dies zu einer kürzeren Lebensdauer des Glühfadens. Da andererseits das Ansprechverhalten des Detektors bei einer Temperatur von etwa 900⁰C ausreichend über der Background-Kurve liegt, ist ein Betrieb bei dieser Temperatur zu bevorzugen.

WS 319 P- 2479 Eine gleichartige

Eine gleichartige Kurvenschar ist für Lithiumkomponenten wie z. B. LiOH und Li-CO₃ in Fig. 2 dargestellt. Hier ergibt sich ein deutlicher Unterschied des Verhaltens für Natrium und Kalium. Bei einer Glühfadentemperatur von etwa 900⁰C liegt die Kurve 4 für das Nettoverhalten zumindest um den Faktor 10 unter der Background-Kurve, d. h. es ist im wesentlichen eine Null-Reaktion vorhanden. Bei Temperaturen zwischen 1000⁰C und 1100⁰C ist die Feststellung von Lithium möglich, da, wie aus Fig. 2 entnehmbar, die Kurve für das Ansprechverhalten es Detektors oberhalb der Background-Kurve liegt. Es ergibt sich also nur für die höheren Glühfadentemperaturen von etwa 1100⁰C ein Ansprechverhalten für Lithium, das gleichartig dem Ansprechverhalten für Natrium und Kalium ist, d. h. um zumindest eine Größenordnung über dem Verlauf der Background-Kurve liegt. Daraus ergibt sich, daß für das Feststellen von Lithium die Glühfadentemperatur vorzugsweise in der Größenordnung von 1100⁰C liegen sollte.

Eine mögliche Erklärung für diese Beobachtung kann die größere Stabilität der Lithiumkomponenten, verglichen mit derjenigen von Natrium und Kalium sein. In Fig. 1 sind die Dissoziationsenthalpien für die betreffenden Komponenten aufgelistet. Natrium- und Kaliumhydroxide haben nahezu identische Werte, wogegen die Lithiumkomponenten für die Dissoziation mehr Energie benötigen. Dies stimmt qualitativ etwa mit den Verhältnissen bei den Glühfadentemperaturen überein. In der Tat werden jedoch die Komponenten auf einer im wesentlichen SiO₃-Oberflache dissoziiert, da eine katalytische Reaktion auftritt. Deshalb ist es nicht bekannt, daß Massendissoziationsenthalpien anwendbar sind.

WiS 319 P - 2479 Da die

Da die thermische Ionisationsreaktion kathalytisch sein kann, kann sowohl das Material der Glühelektrode als auch die Glühfadentemperatur von Wichtigkeit sein. Die in Fig. 2 dargestellten Verhältnisse wurden unter Verwendung eines mit SiO₂ überzogenen Cermet-Drahtes aus MoSi₂ erhalten.

Tabelle 1

Dissoziationsenthalpien, ΔΗ ° (kcal/mol) für Alkalimetallkomponenten

Komponent en Δ H^ °

LiOH χ H₂O 188,77

Li₂CO₃ 290,54

NaOH 101,99

KOH 101,78

In Fig. 3 ist in schematischer Darstellung ein Alkalimetalldetektor gezeigt, wie er für einen Betrieb bei etwa 1100⁰C oder darüber zur Feststellung von Lithium modifiziert werden kann. Das Detektorgehäuse 5 enthält eine Glühfadenelektrode 7 und eine Kathodenelektrode 8. Ein Trägergas 6 wird durch das Detektorgehäuse 5 geleitet und wirkt auf die Glühfadenelektrode 7 ein. Das Trägergas kann Lithiumionen 11 und Lithium-Luft-Reaktionsprodukte 12 als Aerosol enthalten.

Die Glühfadenelektrode 7 wird auf eine Temperatur von etwa 1100⁰C oder, wenn erwünscht, darüber erhitzt werden, indem eine spannungsveränderliche Stromversorgung 15 verwendet wird. Unter der Kontrolle eines Ampermeters kann die eine Kalibrierkurve entsprechend der gemäß Fig. 4 eingestellt werden. Die Lithium-Luft-Reaktionsprodukte

WS 319 P - 2479 12 reagieren

12 reagieren beim Kontakt mit der Glühfadenelektrode 7, wobei Lithiumionen 11 entstehen/ die zur Kollektorelektrode 8 aufgrund des elektrischen Feldes wandern, welches durch eine Vorspannung 14 zwischen den Elektroden wirksam ist. Ein Modell des Detektors mit einer Glühfadenelektrodentemperatur von etwa 1100⁰C wurde erfolgreich getestet,
wobei sich ergab, daß Lithium festgestellt werden kann.

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Claims (3)

1. Patentansprüche

   Θ-

   1/. Lithiummetalldetektor mit einer Glühfadenelektrode, an welcher in einem Trägergas transportierte Lithiumatome und Lithiumkomponenten reagieren und durch thermische Ionisation positive Lithiumionen entstehen, und mit einer Kollektorelektrode sowie einem ersten Schaltkreis, um einen Lithiumionenstrom zur Kollektorelektrode auszulösen und diesen festzustellen, wobei der Lithiumionenstrom das Vorhandensein einer Lithiumkonzentration im Trägergas anzeigt,

   dadurch gekennzeichnet, - daß ein zweiter Schaltkreis an die Glühfadenelektrode (7) angeschlossen ist, mit welchem die Glühfadentemperatur auf einen Wert über 1000⁰C zur Ionisation der Lithiumatome und Lithiumkomponenten gehalten wird.
2. 2. Lithiummetalldetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - daß die Glühfadenelektrode aus einem mit SiO, genen

   überzo-

   Cermet-Draht aus MoSi„ besteht.

   FS/B

   ·— 2 —
3. 3. Lithiummetalldetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schaltkreis eine variable Spannungsversorgung (15) umfaßt.

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