<B>Einrichtung zur elektrischen</B> Auf ladung <B>von in einem Luftstrom suspendierter Materie</B> mittels radioaktiver Präparate Die Erfindung bezieht sieh auf die Auf ladung von in Luft suspendierter Materie, wie Rauch, Staub, Nebel, Bakterien usw., mit Ionen unter Verwendung eines oder mehre rer radioaktiver Präparate zur Ionenerzeu gung und eines elektrischen Feldes zur Her stellung einer elektrischen Raumladung. Einrichtungen, die dieses Ziel mit den Be nannten Mitteln anstreben, sind bereits be kannt.
Sie arbeiten aber alle unvollkommen, weil sie keine Rücksicht auf die Reichweite der ionisierenden Strahlen nehmen und ins besondere auch nicht darauf, dass die vom Strahler emittierten Teilchen längs ihrer Bahn pro Wegstreckeneinheit unm so mehr Luftmoleküle ionisieren, je mehr Energie sie durch diesen Ionisierungsprozess bereits ver loren haben.
Bekanntlich durchläuft die spe- zifiselhe Ionisierung der Alpha-Strahlen kurz vor der völligen Abbremsundeg Alpha-Teil chen ein sehr ausgepägtes Maximum (Bragg- sche Kurve) und demzufolge ist ein Alpha- Strahler mit Abmessungen, die klein greuen- über der Reichweite seiner Alpha-Strahlen sind, im Bereich seines Strahlungskegels von einer kugelkalottenförmigen Zone maximnaler Ionisierung, der Braggschen Zone, konzen trisch umgeben.
Die Anwendung eines elektrischen Feldes ist ebenfalls bereits für die Zwecke einer elek- trischen Beladung von in Luft suspendierter Materie bzw. zur Verhütung ihrer Entladung durch Beseitigung der leichtbeweglichen Ionen unter Vermeidung eines hohen Energiever lustes im nachfolgenden Abscheider vorge schlagen worden. Durch dlas elektrische Feld sollten die in der einzelnen Alpha-Strahlbahn nahe beieinanderliegenden positiven und nega tiven Ionen voneinander geschieden und an ihrer Rekombination gehindert werden, damit sie für die elektrische Anlagerung an die Schwebeteilchen zur Verfügung stehen.
Bei strömender Luft sind auch schon Me tallsiebe zur Errichtung eines elektrischen Längsfeldes in demn von Alpha-Strahlendurch- setzten Raum angewandt worden mit dem Ziel, im Beladzuigsraum einen Lberschuss von Ionen einer Polarität hervorzurufen und die schädlichen, weil eine Entladung herbeifüh render, schnell beweglichen Ionen der andern Polarität. beschleunigt aus dem Bela.druigs- raum herauszuführen. Dieses Mittel kann je-.
doch nicht voll zur Wirklmg kommen, wenn in dem Feld durch Alpha-Strahlen immer wie der neue leicht, bewegliche Ionen beider Pola rität gebildet. werden.
Es werden dann zwar die schädlichen Ionen schneller abgeführt. als die Ionen der andern Polarität, die in dein Luftstrom durch das elektrische Feld gestaut werden, doch ist ersteren hierbei immer noch die Möglichkeit gegeben, durch Anlagerung an die suspendierte Materie deren Ladung zu schmälern. Wenn man hingegen, wie das bei der Ein- richtumg nach der Erfindung der Fall ist, die Elektroden, mit denen das Feld im Beladungs raum über dem stromabwärts strahlenden Prä parat errichtet wird, ausserhalb des Strah lungsbereiches bzw.
beim Alpha-Strahler au sserhalb des durch Strahlungskegel und Braggsche Zone begrenzten eigentlichen Ioni sierungsraumes anbringt, ist das Feld wenig stens zum Teil in solchen Räumen errichtet, in denen wenigstens keine neuen Ionen gebil det werden. Der Erfindung liegt nun die Er kenntnis zugrunde, dass in diesen Räumen Raumladungen entstehen, die entweder nur eine Ionenart enthalten oder doch aber durch einen überwältigenden Überschoss von Ionen einer Polarität gegeben sind.
Es sind liier prin zipiell zwei Fälle zu unterscheiden Wenn die in die Richtung des Luftstromes fallende Komponente E der Feldstärke ausser halb des Ionisierungsbereiches erheblich grö sser isst als die durch die Ionenbeweglichkeit b dividierte Geschwindigkeit v des Luftstromes, heischt im Bereich des Feldes eine Raum ladung fliessender Ionen, welche die Polarität der Präparatelektrode hat - wir sprechen in diesem Falle von einer durch Ionenfluss be dingten Raumladung. Ihre Dichte ergibt sich aus dem Gleichgewicht von abfliessender und zufliessender Ladung, ist also in erster Nähe- ruing der Strahlungsintensität des radioakti ven Präparates proportional. Die im Ionisie rungsraum gebildeten Ionen entgegengesetzter Polarität fliessen dann sämtlich zur Präparat elektrode ab.
Ist jedoch die in die Richtung des Luft stromes fallende Komponente E der Feld stärke kleiner oder annähernd gleich der durch die Ionenbeweglichkeit b dividierten Luftgeschwindigkeit v, so baut sich eine Raum ladung von Ionen entgegengesetzter Polarität auf.
Dies ist mit dem Unterschied der Ge schwindigkeiten n i erklären, welche die bei den Ionenarten im elektrischen Feld durch die überlagerte Luftgeschwindigkeit erhalten; während die Ionen von der Polarität der Prä paratelektrode mit durch die Luftbewegung vermehrter Geschwindigkeit zur Gegenelek- trode abwandern, werden die Ionen entgegen gesetzter Polarität in ihrer Bewegung zum Präparat durch die Luftströmung aufgehal ten und damit im Raunm angestaut - wir sprechen in diesem Falle von einer durch Ionenstau bedingten Raumladung.
Hierzu trägt auch noch bei, dass das Feld im Ioni sierungsraum durch die Ionisierung ge schwächt ist, und es den Ionen, deren Polarität derjenigen der Präparatelektrode entgegenge setzt ist, daher nicht möglich ist, die Präparat elektrode zu erreichen. Der Ionenstau wird sich natürlich um so stärker bemerkbar ma chen, je mehr Ionen in ihrer Bewegung zur Präparatelektrode durch den Luftstrom abge bremst werden, d. h. je mehr man sieh dem Gleichgewicht von Ionenrelativgescliwiiidig- k eit bE und Luftgesehwindigkeit Lv nähert.
Aus diesem Grunde wird man von vorn herein erwarten dürfen, dass unter sonst glei chen Verhältnissen die Raumladung im Ionen stau erheblich konzentrierter ist als die Raum ladung im Ionenfluss.
In der beiliegenden Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Einrichtung schematisch dargestellt; es zeigt: Fig.l ein erstes Beispiel, Fig. 2 ein zweites Beispiel, Fig. 3 ein drittes Beispiel, Fig. 4 eine Variante zu Fig. 3, Fig. 5 eine weitere Variante zu Fig. 3, Fig.5a im Querschnitt eine Variante zu Fig. 5, Fig. 6 ein viertes Beisspiel, Fig. 7 eine Variante zu Fig. 6 und Fig.8 ein fünftes Beispiel.
Gleiche Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszahlen versehen. Die in Fig.l gezeigte Einrichtung zum elektrischen Beladen von in einem Lufstrom suspendierter Materie mittels Alpha.-Strahlern besitzt ein rohrförmiges Gehäuse 1, aus Iso- lierinat.erial,
das im Betrieb in Richtung des Pfeils zv vom Luftstrom durchströmt wird. Im Gehäuse 1 ist eine z@-lindrische 3letallelektrode 2 angeordnet, in deren Ale ein Alpha-Strah- ler 3 auf einer eleltri#,-eli leitenden Unterlage 4 vorgesehen ist.
Der innere Halbiiiesser der Metallelektrode 2 ist etwa gleich gross wie der Halbmesser des senkrecht zur Zeichnungs ebene liegenden Schnittkreises des Strahlungs kegels 5 des Strahlens 3 mit der Braggsehen Zone 6.
Der Alpha-Strahler 3 strahlt hierbei in der Richtung w der Luftströmung und wird ge genüber der Zylinderelektrode 2 durch eine Batterie 7 auf Spannung gebracht. Bei hoher Spannung werden sämtliche Ionen von der Polarität des Zylinders an der Unterlage 4 abgeschieden, während die Ionen entgegenge setzter Polarität teilweise in radialer und teil weise in axialer Richtung aus dem Ionisie rungsraum herausgezogen werden und min- clestens ausserhalb des Ionisierungsraumes eine durch Ionenfluss bedingte Raumladung bilden.
Wird jedoch die Spannung so gering, dass ein grosser Teil der Ionen oder gar sämtliche Ionen durch den Luftstrom am Abfliessen zur Präparateleltrode J gehindert werden, so wer den vom elektrischen Feld mehr Ionen von Vorzeichen der Präparatelektrode ausgeschie den als solche umgekehrten Vorzeichens. Letz tere bilden demgemäss im Rohr eine Raum ladung, die zur Beladung der im Luftstrom suspendierten Teilchen dienen kann.
Beim Beispiel gemäss Fig. 2, das im übrigen gleich ausgebildet ist wie die Einrichtung nach Fig. 1, ist am stromabwärtsliegenden Ende der Elektrode 2 ausserhalb der Bragg- schen Zone 4 ein mit der Elektrode 2 ver bundenes Metallsieb 8 angeordnet, das als zu sätzliche Gegenelektrode dient. Mittels dieser Siebelektrode 8 erreicht man in der Braggschen Zone 6 eine Homogenisierung des zwischen den Elektroden 2, 8 und der Strahlerunterlage 4 geschaffenen Feldes.
Die durch Ionenfluss bedingte Raumladung ist hierbei nicht auf dem stromaufwärts ge legenen Raum vor der Siebelektrode begrenzt, weil ein Teil, der Ionen, die sich in Richtung des Luftstromes bewegen, mit dem Luftstrom in den stromabwärts gelegenen Raum hinein getragen werden. Die Wirlkung eines Ionen staus ist in dieser Anordnung nicht beobachtet worden, weil vielleicht die Konzentration des Feldes am radioaktiven Präparat der Ausbil- dung einer Raumladung abträglich ist. Jedoch entsteht eine Raumladung ohne den Zylinder 2 in demn Raum, der zwischen Braggscher Zone 6 und der Siebelektrode 8 gelegen ist.
An Stelle des Alpha-Strahlers kann in den Einrichtungen gemäss Fig.1 und 2 und den weiter hinten zu beschreibenden Einrichtun gen gemäss der Fig. 3-8 auch ein Beta-Strah ler Verwendung finden, dessen Ionisierungs bereich anstatt durch eine Braggsche Zone durch eine Zone maximaler Reichweite der Beta-Strahlen abgegrenzt ist. Es eignen sich besonders Isotope, die verhältnismässig sehr weiche, stark ionisierende Beta-Strahlen aus senden. In diesem Zusammenhang ist beson ders auf das Tritium hinzuweisen, das in Cir- conium-Schichten absorbiert ist.
Letztere wer den durch Aufdampfen im Vakuum auf Mo lybdän-Unterlagen erhalten, und zwar in der art dünnen Schichten, dass die Beta-Strahlen, die von dem im Innern der Circonium-Sehicht absorbierten Tritium abgehen, noch nicht wesentlich geschwächt werden.
Um die im Luftstrom suspendierten Teil ehen noch stärker elektrisch zu beladen, wird das Feld zwischen der Siebelektrode 8 und der leitfähigen Unterlage J des Strahlers 3 so schwach gehalten, dass die Ionen, die auf Grund der angreifenden Feldkraft gegen den Luftstrom wandern, von dem Luftstrom durch die Siebelektrode 8 hindurch transportiert werden. Da alle Ionen umgekehrter Polarität wie die Elektrode 8 von dieser abgesaugt wer den, enthält dann der Luftstrom hinter der Siebelektrode 8 nur Ionen einer Polarität.
Die Beladung der im Luftstrom suspendierten Materie geht- dann um so sicherer vonstatten, je länger diese der mit. der Luftströmung wan dernden Raumladung ausgesetzt. ist (Langevin- sches Phänomen).
Wenn aber .die Raumladung auf irgend eine Weise, z. B. durch ein nachfolgendes el,ek- trisehes Ahscheidefilter beseitig . wird, kann man, wie .dies beim Beispiel gemäss Fig. 3 ge zeigt ist., in dem im Sinn des Luftstromes hin ter der ersten Siebelektrode 8 gelegenen. Raum mit.
Hilfe einer weiteren, auf höherer Span nung liegenden Siebelektrodie 9 (Fig. 3) einen. Ionenstau vornehmen, d.h. man bringt die Ionen durch ein weiteres mit der Spannungs quelle Us9 errichtetes Feld vor der zweiten Siebelektrode 9 zum Stehen. Es bildet sich so eine verhältnismässig dichte Raumladung 10 aus, die nur Ionen eines Vorzeichens enthält, sofern ausser den oben betrachteten ionisieren den Strahlen nicht noch andere ionisierende Strahlen mit grösserer Reichweite von dem radioaktiven Präparat ausgehen. In dieser Raumladung 10 findet dann eine intensive Beladung der in der Luft suspendierten Ma terie statt.
Auch wenn die Spannung Us9 zwischen den beiden Siebelektroden, die für die weitere Betrachtung als eben und im gegenseitigen Abstand d senkrecht zur Luftströmung ge- stellt angenommen sind, auf die Luftströmung genau abgeglichen wird, derart, dass die aus der Spannung Us9, dem Siebabstand d und der Ionenbewegung b berechnete Ionenge- sehwindigkeit pro Einheit der Feldstärke: b ³ Us9/d genau gleich der Strömtungsgeschwvin- digkeit w der Luft wird, kann die Dichte der Raumladung zwischen den beiden Siebelek troden nicht unbegmenzt wachsen.
Denn das Feld zwischen den beiden Siebelektroden wird durch die Anwesenheit der Raumladung ver zerrt, und zwar in der Weise, dass es unmit telbar hinter der ersten Siebelektrode 8 ver stärkt und ummittelbar vor der zweiten Sieb elektrode 9 geschwächt wird. Demzufolge baut sich die Raumladung 10 nicht nur auf, son dern durch den Ionenabfluss zur ersten Sieb elektrode 8 und dem Ionenabfluss durch die zweite Siebelektrode 9 auch ständig wieder ab, so dass sich im stationären Gleichgewicht eine Raumladungswolke ganz bestimmter, k on- starnter Konzentration ausbildet,
die bei kon stanten Elektrodenspannungen U3s und Us9 allein von der Geschwindigkeit w der Luft strömung abhängt und bei einem bestimmten Verhältnis von Elektroden Spannung Us9 und Luftgeschwindigkeit w ein Maximum hat. Diese maximale Raumladungskonzentration ist dann in ihrer Grösse nur noch von demn Ionen zustrom, d. h von der Strahlungsintensität des radioaktiven Präparates abhängig. Die durch die zw eite Siebelektrode hin durchtretenden Ionen können mit Hilfe einer dritten auf noch höherer Spannung liegenden Siebelektrode 11 abernals zum Aufbau einer Raumladung 12 hinter der zweiten Siebelek trode 9 ausgenutzt werden, wie dies bei der in Fig. 4 gezeigten Variante der Fall ist.
Je grösser die Konzentration und Ausdehnung der Raumladung in Richtung der Strömungs- geschwirndigkeit ist bzw. je länger und häu figer sieh die in der Luft suspendierte Materie in solchen Raturladungswolken aufhalten kann, uni so grösser ist naturgemäss die- Wahr scheinlichkeit ihrer Beladung mit Ionen eine Vorzeichens. Bei veränderlicher Luftgeschwin digkeit werden die Spannungen für die ein zelnen Siebelektroden im vorliegenden Fall von einem hochohnigen Widerstand 13 abge griffen und der diesen Widerstand clurchflie- ssende elektrische Gleichstrom mit Hilfe eine regelbarenr Vorsehaltwiderstandes 14 der je weils herrschenden Luftgeschwindigkeit. w an gepasst.
In allen Fällen, in denen der Querschnitt des die suspendierte Materie enthaltenden Luftstromes grösser ist als der Schnittkreis von Strahlung skegel und Zone maximaler Reichweite bzw. Braggscher Zone, sind zweck mässig wie beim Beispiel gemäss Fig. 5 meh- reve radioaktive Präparate 15 in einer zur Luftströmung senkrechten Fläche geordnet. Ihre Verteilung in dieser Fläche und die Aus richtung ihrer Strahhuigshegel ist. dabei der art vorgenommen, dass der ganze Querschnitt des Luftstromes mit den Strahlungsbereichen der einzelnen, radioaktiven Präparate bzw.
von Bra; gschen Zonen 16 erfüllt wird und die Strahlungshege- 17 der einzelnen Präpa rate 15 noch möglichst vollständig innerhalb des Luftstromes liegen. Bei der in Fig. 5ca im Querschnitt gezeigten Variante ist als radio aktives Material Tritium vorgesehen. Die ein- zeinen Präparate 15a sind als Streifen aus= gebildet, die in einer Radialebene des zylin drischen Gehäuses 1 parallel zueinander an geordnet sind.
Wenn das verwendete radioaktive Prä parat ausser Alpha-Strahlen auch noch Beta- Strahlen emittiert und die Beta-Strahlen die Alpha-Strahlen an Reiechweite wesentlich über treffen, wie das z. B. bei Radium oder Ra dium D mit seinen Folgeprodukten der Fall ist, würde in dem Raum zwischen der ersten und zweiten Siebelektrode immer noch eine die Wirkung der Raumladung abschwächende Neubildung von Ionen stattfinden.
Um diese auszuschalten bw. möglichst zu unterdrücken, wird bei dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel die der Braggschen Zone 6 benachbarte Gegen elektrode in der Form zweier hintereinander- gesehalteter, durehroehener Bleche 8a ausge bildet, deren Löcher derart gegeneinander ver setzt .sind, dass den Beta-Strahlen überall der Weg in den hinter dieser Elektrode gelegenem Raum 10 verwehrt ist. Auch können hierbei noch besondere Fänger oder Absorber zum Ab- fan,gen der Streustrahlung angebracht sein.
In allen Fällen, in denen die elektrisclh zu beladende Luft in einen Querschnitt einströ- mnen soll, der kleiner ist als der Querschnitt des Selcnittkreises von Strahllungskegel 5 und Zone maximaler Reichweite bzw. Braggseher Zone 6, wäre die ionisierende Wirkung des Strahlers 3' nicht voll ausgenutzt, wenn man die Luft bereits im Belaclun geraum auf die sen Querschnitt einengen würde. Zweekmässi- gerweise lässt man in diesen Fällen die Luft zunächst zur elektrischen Beladung in der oben beschriebenen Weise ein zv lindrisehes Rohr 2 durchströmen, dessen Halbmesser etwa gleich dem Halbmesser des erwähnten Schnitt kreises ist.
und erst hiernach durch ein sieh verengendes Isolierrohr 20 in den verkleiner ten Querschnitt einmünden. Eine derart aus gebildete Variante isst in Fig.7 dargestellt. Sofern die Luft in den verengerten Quer schnitt angesaugt wird, kann auf ein beson deres Luftführungsrohr verzichtet werden. Urm eine Ablösung der Strömung am Einlass das Saugstutzens 21 und eine entsprechend starke Wirbelbildung im Saugstutzen zu ver meiden, empfiehlt es sieh dann, den Saug stutzen allmählich zu verengen, wie dies bei dem in Fig. 8 gezeigten Beispiel der Fall ist.
Dieses Vorgehen bringt nicht nur den Vor teil euner besseren Ausnutzung der ionisieren- den Wirkung des Strahlers, sondern auch den Vorteil, dass infolge der geringeren Luftströ mung im Beladungsraum die Vexrveilzeit der suspendierten Materie in den Raumladungen vergrössert ist. Beim Beispiel gemäss Fig.8 sind die beiden Siebelektroden 8 und 9 im Gegensatz zu den vorangehend beschriebenen Beispielen als Kugelkalotten ausgebildet, da mit das den Ionenstau erzeugende Feld über all die Richtung der Luftströmung aufweist.
Bei den beschriebenen Einrichtungen sind alle Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Feldes, wie durchbrochene oder undurchbro- ehene Elektroden, und alle Mittel zur Füh rung des elektrisch zu beladenen Luftstrome ausserhalb des durch Strahlungskegel und Braggsche Zone begrenzten Raumes.