Einrichtung zur unipolaren Teilchenaufladung Die Erfindung bezieht sich auf eine Ein richtung zur unipolaren Aufladung der in einem durch einen Schacht. strömenden Gas suspendierten Teilchen mit Hilfe eines radio aktiven Präparates.
Sie besteht. darin, dass das radioaktive Präparat eine das Mehrfache der Reichweite seiner ionisierenden Strahlen betragende Längserstreekung besitzt und im wesentlichen senkrecht zur Gasströmung im Schacht angeordnet ist und dass zwischen einer mindestens zum Teil durch das radio aktive Präparat gebildeten ersten Elektrode und mindestens einer zweiten Elektrode, wel- ehe dieser in Richtung der Gasströmung nach geschaltet ist, ein elektrostatisches Feld (Längsfeld) sich erstreckt.
Eine derartige Einrichtung benötigt man beispielsweise bei Elektrofiltern, in denen die aufgeladenen Teilchen anschliessend in einem elektrostatischen Feld aus ihrer ursprüngli chen Bahn abgelenkt und auf einer Abschei- derelektrode niedergeschlagen werden. Das Ziel bei derartigen Einrichtungen ist es, dass möglichst alle den lonisator verlassenden Teilchen - seien es Staubpartikel oder Flüs- sigkeitströpfehen - elektrisch unipolar bis nahezu zur Sättigung aufgeladen sind.
Bisher ist für diesen Zweck in der Technik hauptsächlich die Coronaentladung an Sprüh spitzen oder -drähten ausgenutzt worden. Die sem Verfahren haften jedoch verschiedene Mängel an. In der Coronaentladung wird das Gas chemisch verändert; in der Luft ent- stehen beispielsweise Ozon und Stickoxyd, so dass dieses Verfahren wegen der störenden Beiprodulte in vielen Fällen nur bedingt oder gar nicht anwendbar ist. Weiterhin haben die Ionen. von ihrem Entstehungsort in der Nähe der Sprühelektroden bis zur Gegenelek trode einen langen Weg, auf welchem sich Gasmoleküle an die Ionen anlagern und sie dadurch schwerer beweglich und zum Auf laden der im Gas suspendierten Teilchen un geeigneter machen.
Ausserdem erfordert die Coronaentladung eine sehr hohe Gleichspan nung und verhältnismässig grosse Gleich ströme, was eine Gefährdung für das Bedie nungspersonal darstellt. Schliesslich ist die Gefahr einer Entzündung brennbarer Gase bei Coronaentladungen sehr gross.
Deshalb sind schon verschiedene Versuche unternommen worden, radioaktive Präparate zur Ionenerzeugung heranzuziehen. Hier gibt es eine ganze Reihe von Vorschlägen, nach welchen die Ionen verschiedenen Vorzeichens zur Beladung der Teilchen verwendet wer den, 'so dass eine anschliessende Abscheidung auf beiden Elektroden eines elektrostatischen Feldes erfolgt. Allerdings ist die Wirksamkeit dieser Einrichtungen sehr gering, da ein grosser Teil der Ionen durch Rekombination v erlorengeht und auch bereits aufgeladene Teilchen durch Ionen entgegengesetzten Vor zeichens wieder entladen werden können.
Um zu einer unipolaren Aufladung zit ge langen, hat man eine Ionenanstauung vor- geschlagen, die dadurch bewirkt werden sollte, dass man die im Gas erzeugten Ionen des einen Vorzeichens schnell auf eine verhältnismässig weit von dem radioaktiven Präparat ent fernte Elektrode absaugte und die Ionen des andern Vorzeichens in einem homogenen elek trostatischen Feld gegen die Strömungsrich- tung des Gases wandern liess. Da es sich jedoch bei den angestauten Ionen um alte Ionen handelt, die sieh mit Gasmolekülen beladen haben und schwer beweglich sind, eignen sie sich schlecht für die unipolare Aufladung der Teilchen.
Wenn man eine unipolare Aufladung der Teilchen erreichen will, muss man zunächst ganz klare Vorstellungen über die der Teil chenbeladung zugrunde liegenden physikali schen Vorgänge besitzen. Werden in einem elektrostatischen Feld Ionen erzeugt, so wan dern die Ionen unterschiedlichen Vorzeichens jeweils in Richtung auf eine der beiden Feld elektroden. In der Nähe jeder der Elektroden ergibt sich ein Überschuss der Ionen eines Vorzeichens, und zwischen den Elektroden befindet sich eine Fläche, welche von ebenso vielen positiven wie negativen Ionen durch setzt wird. Nimmt man ein homogenes elektro statisches Feld an, welches vollkommen gleich mässig ionisiert wird, dann liegt diese Fläche genau in der Mitte zwischen den beiden Feld elektroden.
Es kommt nun darauf an, die aufzula denden Teilchen entweder nur dort entlang zuleiten, wo ein Übergchuss an Ionen des ge wünschten Vorzeichens herrscht, oder sie so zu führen, dass sie sich unmittelbar vor dein Verlassendes Feldraumes so lange in einem Bereich von Ionen vorwiegend des gewünsch ten Vorzeichens befinden, dass eine mög licherweise zuvor erfolgte Aufladung der Teilchen im entgegengesetzten Sinn bis zur Sättigung wieder rückgängig gemacht wird und eine Rufladung im gewünschten Sinn bis nahe zur Sättigung erfolgt.
Gänzlich verfehlt wär es beispielsweise, die Trennfläche zwi schen positivem und negativem Raumladungs- bereich in Strömungsrichtung zu stellen, weil dann nicht nur die Partikel eine verschiedene Ladung erhalten, sondern ein Teil von ihnen ungeladen die Einrichtung verlässt. Der Er findung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den Strahlungsbereich des die Ionisation b(,- wirkenden radioaktiven Präparates und das überlagerte elektrostatische Feld so auszubil den und einander zuzuordnen,
dass der Be reich mit einem Überschuss an Ionen des ge wünschten Vorzeichens den ganzen Strii- mungsquerschnitt erfüllt und möglichst gross wird bzw. umgekehrt der überwiegend Ionen falschen Vorzeichens aufweisende Bereich möglichst klein wird und dem erstgenannten Bereich in der Gasströmung vorgelagert ist.
Die grundlegende Erkenntnis besteht in diesem Zusammenhang darin, da.ss für diesen Zweck in erster Linie ein radioaktives Prä parat in Frage kommt, bei welchem die Dichte der durch dessen Strahlung bewirkten Ioni sation zum Präparat hin stark zunimmt. Von der Form her gilt dies - wenn man von dem wegen seiner geringen Gesamtstrahlung technisch unbrauchbaren Punkt - oder Ku gelstrahler absieht - vornehmlich von einem Zylinderstrahler . Von der Strahlungsart her sind Beta-Strahlen besonders geeignet, weil die Zahl der von ihnen erzeugten Ionen pro Wegeinheit zum radioaktiven Präparat hin exponentiell zunimmt.
Die Ionen falschen Vorzeichens können am schnellsten beseitigt werden, wenn das radioaktive Präparat selbst wenigstens einen Teil der ersten Elektrode des elektrostatischen Feldes bildet. Mindestens eine weitere Elektrode muss dann noch in Strömungsrichtung des Gases der ersten Elek trode nachgeschaltet sein, damit die Teilchen vor dem Austritt aus dem Feldraum in der gewünschten Weise unipolar aufgeladen wer den können.
Ausführungsbeispiele der Erfindung er geben sich aus der nachfolgenden Beschrei bung im Zusammenhang mit der Zeichnung. Hierin zeigen in schematischer Darstellung: Fig. 1 einen Längsschnitt. durch einen Sehacht, bei welchem der Strahlung:
sbereieli und das diesem überlagerte elektrostatische Feld Zylinderform haben, Fig.2 einen Querschnitt durch eine Aus führungsform der erfindungsgemässen Ein richtung, Fig. 3 einen Längsschnitt. im wesentlichen gemäss der Linie A-A in Fig.2, Fi-.4 einen Längsschnitt durch ein an deres Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig.5 einen Lä.ngssehnitt durch ein wei teres Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig.6 eine Form des radioaktiven Prä- parates,
Fig.7 eine weitere Form des radioaktiven Präparates, Fig.8 eine aus mehreren Ringschächten zusammengesetzte Einrichtung, die in axialer Richtung durchströmt wird, Fig.9 eine Einrichtung, bei welcher der Schacht die Form einer archimedischen Spi rale besitzt, und Fig.10 eine Einrichtung, bei welcher Ring schächte in radialer Richtung durchströmt werden.
L m den Erfindungsgedanken näher zu er läutern, ist. in Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem die physikalischen Vorgänge leicht theoretisch nachprüfbar sind und welches mit geringfügigen Änderungen auch in der Praxis Verwendung finden kann. Das die aufzuladenden Teilchen enthaltende Gas strömt in Pfeilrichtung durch einen aus den isolierten Wänden 1 und ? bestehenden Schacht 3. In der Mitte des Schachtes ist ein radioaktives Präparat in Form eines nach allen Richtungen Strahlen emittierenden Drahtes 4 angeordnet.
Konzentrisch um diesen Draht verläuft ein zylinderförmiges, für das Gas durchlässiges Gitter 5, welches gegenüber dem Draht 4 eine zum Beispiel negative Span nung besitzt. Die Anordnung ist so getroffen, dass die Reichweite R der ionisierenden Strah len etwa mit dem Radius r" des elektrosta tischen Zylinderfeldes übereinstimmt.
Unter der vereinfachenden Voraussetzung, dass die ionisierenden Strahlen den radio aktiven Draht als geradlinige Strahlen ver lassen und jeder Strahl auf seinem Wege über all die gleiche Anzahl z von Ionenpaaren pro Wegelement erzeugt, ist die Ionisierung, das heisst die Zahl der pro Volumen- und Zeit einheit neu gebildeten Ionenpaare im Ab stand r ( < R) von der Drahtachse
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Hierbei ist N die Anzahl der pro Zeit- und Drabtlängseinheit in die Raumwinkeleinheit emittierten ionisierenden Strahlen, R deren Reichweite und O = Man erkennt deutlich,
dass der Zylinderstrahler
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eine Ionisations- dichte erzeugt, die nicht nur proportional
EMI0003.0035
sondern wegen der begrenzten Reichweite der radioaktiven Strahlen in stärkerem Masse, nämlich proportional arc cos
EMI0003.0038
abnimmt.
Unter Vernachlässigung
EMI0003.0040
einer lonenrekom- bination berechnet sich daraus die für die Teilchenbeladung massgebende Differenz der Sättigungsstromdichten der vom Draht weg wandernden Ionen und der zum Draht wan dernden Ionen des umgekehrten Vorzeichens zu
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wobei e die Ladung der Ionen, @" =
EMI0003.0047
und r" etwa gleich der halben Schachtbreite ist.
Man erkennt aus dieser Gleichung, dass in unmittelbarer bähe des Drahtes die Strom dichte negativ ist, das heisst, der Einfluss der auf den Draht zuströmenden Ionen überwiegt und die Teilchen hier demzufolge umgekehrt aufgeladen werden als ausserhalb eines den Draht konzentrisch umgebenden Zylinders, dessen Radius für r" = R durch r1 =,0,37 R gegeben ist.
Verwendet man ein radioaktives Präparat, welches lediglich Beta-Strahlen aus sendet, beispielsweise also Tritium, mit wel chem eine Zirkonsehicht auf einem Draht beladen sein kann, dann schrumpft der durch den Radius r1 bestimmte Bereich, in welchem die Ionen falschen Vorzeichens überwiegen, noch weiter zusammen.
Da nun die im Gasstrom suspendierten Teilchen nur zu einem kleinen Teil den Zy linder vom Radius r1 durchqueren und auch diese sich in diesem Zylinder nur eine Zeit spanne aufhalten, die relativ klein ist gegen über der Verweilzeit im zylindrischen Ring mit r" <I>= R</I> als Aussen- und r1 als Innenhalb messer, werden praktisch alle den Schacht durchströmenden Teilchen wie im Cot.rell- Rohr unipolar mit Ladungen vom Vorzeichen des Ionisators versehen.
Die Aufladung ist mithin dem Vorzeichen nach die gleiche wie bei der Corona-Entladung, obwohl im ganzen Raum des Zylinders vom Radius R an jeder Stelle positive und negative Ionen in glei cher Anzahl erzeugt werden. Aber gerade weil im ganzen Beladungsraum junge Ionen für die Teilchenaufladung zur Verfügung stehen, werden die Teilchen sehr viel schnel ler aufgeladen als mit den Ionen der Corona- Entladung, die hierfür den ganzen Weg vom Sprühdraht bis zum Teilchen zurücklegen müssen.
Aus diesem Grunde arbeitet die er findungsgemässe Einrichtung auch sehr viel ökonomischer, das heisst mit erheblich ge ringeren Stromdichten, und die suspendier ten Teilchen werden in sehr viel kürzerer Zeit, das heisst bei erheblich grösserer Strömungs geschwindigkeit nahezu bis zur Sättigung aufgeladen.
Selbstverständlich muss die Radioaktivität des Präparates so gross sein, dass die Sätti- gungsstromdiehte in dem Raum ausserhalb des Zylinders vom Radius r-1 ausreicht, um die Ladung, die ein Teilchen innerhalb dieses Zylinders erhalten hat, wieder zu neutrali sieren und das Teilchen mit dem gewünschten Vorzeichen bis zur Sättigung aufzuladen.
Auch in diesem Zusammenhang ist die Ver wendung von Tritium, welches beispielsweise in einer Metallschicht absorbiert sein kann, von grossem Vorteil, da Tritium keine Gamma- Strahlen emittiert und da die Reichweite der emittierten Beta-Strahlen nur 0,8 cm beträgt, so dass auch bei Anwendung grosser Bele- gungsdichten und langer Drähte eine Strali- lungsgefalir nicht gegeben ist.
Unter Reich weite versteht man bekanntlich diejenige Strecke, nach welcher Korpuskularstrahlen (ziun. Beispiel Alpha-Strahlen) im Mittel ihre gesamte Energie verloren haben, bzw. nach welcher Strahlen, die beim Durchgang durch Materie eine exponentielle oder ähnliche In tensitätsabnahme zeigen (zum Beispiel Beta- Strahlen), nur noch
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ihrer ursprünglichen Intensität. besitzen.
In Fig. ? und 3 ist. ein Ausführungsbei spiel dargestellt, welches wegen seines ein fachen Aufbaus besonders leicht herzustellen ist. Der Schacht 7 wird von den beiden aus leitfähigem Material bestehenden Wänden 8 und 9 begrenzt. In den<U>W</U>eg des Gases sind die beiden Metallgitter 10 und 11 geschaltet, zwischen denen sieh das radioaktive Präparat 12 befindet.
Zwischen der durch das Prä parat 12 gebildeten ersten Elektrode und der durch die Sehaehtwände 8 und 9 und die Gitter 10 und 11 gebildeten zweiten Elektrode lieg: die Gleiehspannungsquelle 13, so da.ss ein einem Zylinderfeld ähnelndes elektro statisches Gesamtfeld entsteht, dessen Achse von dem radioaktiven Präparat eingenommen ist und welches sich aus Längsfeldern - bei denen die Feldlinien im Mittel etwa in bzw.
gegen die Richtung des strömenden Gases verlaufen - zwischen dem Präparat 12 und dem Gitter 10 bzw. 11 und Querfeldern bei denen die Feldlinien im Mittel etwa in einer senkrecht zur Gasströmung stehenden Richtung verlaufen - zwischen dem Präparat und den Schachtwänden 8 bzw. 9 zusammen setzt. Insbesondere in der näheren Umgebung des Präparates 12' ergeben sich gegenüber der Feldverteilung in Fig. 1 kaum Unter schiede, so dass die dort untersuchten Ver hältnisse auch für das in den Fig.2 und 3 dargestellte Ausführungsbeispiel gelten.
Eine weitere Möglichkeit, den Einfluss der Zone mit der Raumladung falschen Vorzei chens zu verringern, besteht darin, konzen trisch um das radioaktive Präparat eine weit maschige Hilfselektrode, hier eine Draht- spirale 14, in einem im Vergleich zur Reich weite der radioaktiven Strahlung recht klei nen Abstand anzuordnen.
Diese Hilfselek trode besitzt das gleiche Potential, wie das Präparat 12 oder ein Potential, das sich höch stens geringfügig im Sinne des Potentialv er la.ufs des elektrostatischen Feldes von dem jenigen des Präparates 12 unterscheidet. Diese I3ilfselektrode saugt die Ionen falschen Vor zeichens sehr rasch auf, lässt aber doch das elektrostatische Feld genügend stark durch greifen, um die innerhalb der Drahtspirale erzeugten Ionen des gewünschten Vorzeichens in den Raum ausserhalb der Spirale zu trans portieren.
In Fig.l ist ein weiteres Ausführungs beispiel der erfindungsgemässen Einrichtung dargestellt. Hier wird der Schacht 16 von den beiden Wänden 17 und 18 begrenzt, die den elektrischen Strom nur sehr schwach leiten. Das die aufzuladenden Teilchen ent haltende Gas durchströmt beim Eintritt in den Sehacht eine Gitterelektrode 19 und beim Austritt aus dem Schacht eine Gitterelektrode 20. Im Schacht ist. das radioaktive Präparat 21, dessen Längserstreckung ein Mehrfaches der Reichweite seiner ionisierenden Strahlen beträgt, senkrecht zur Gasströmung angeord net. Das radioaktive Präparat. wird an seinen Enden gehalten und ist über die Leitung 22 mit der Gleichspannungsquelle 23 verbunden.
In Höhe des als erste Elektrode dienenden Präparates 21 sind die Schachtwände 17 und 18 mit im Vergleich zur Schachtbreite schma len Elektrodenbändern 24 und 2'5 belegt, die als Zusatzelektroden wirken und ein Poten tial gegenüber dem radioaktiven Präparat be sitzen. Ihr Potential wird an einer Zwischen stufe 26 der Gleichspannungsquelle 23 abge griffen, so dass sie einen geringeren Span nungSunterschied gegenüber dem Präparat 21 besitzen als die beiden Gitterelektroden 19 und 20.
Auch in diesem Fall ergibt sich in der Nähe des radioaktiven Präparates ein zylin drisches Feld, für das die gleichen Überle gungen wie bei der Anordnung in Fig. 1 gel ten. Hinzu kommt aber, dass das durch die Gitterelektroden 19 und 2Ö bewirkte Längs feld verhältnismässig weit in Strömungsrich tung auseinandergezogen werden kann, so dass sich eine besonders günstige räumliche Ver teilung der für die Aufladung nützlichen Ionen ergibt Während in den bisherigen Ausführungs beispielen dem Strahlungsfeld ein zylinder ähnliches elektrostatisches Feld überlagert war,
bedient man sich in dem Ausführungs beispiel der Fig. ä eines homogenen elektro statischen Feldes. Der Schacht 27 erstreckt sich zwischen zwei Wänden 28 und 29 aus einem Material, das den elektrischen Strom nur sehr schwach leitet. Das radioaktive Prä parat 3@0 hat die Form eines schmalen, ledig lich nach der Leeseite strahlenden Bandes, welches auf der ersten Gitterelektrode 31 auf gebracht ist. Der Schacht wird an der Aus trittsseite durch eine zweite Gitterelektrode 32 abgeschlossen, welche gegenüber der ersten Gitterelektrode 31 eine Spannung besitzt.
Es lässt sich zeigen, dass sich unmittelbar leewärts des Critters 31 nur eine verhältnis mässig dünne Raiunladungsschicht falschen Vorzeichens befindet. Dies ist dadurch zu erklären, dass nicht alle Ionen auf das radio aktive Band 30 zuwandern, sondern sofort von dem Gitter 31 aufgenommen werden. Lee wärts dieser Raumladungsschicht falschen Vorzeichens ergibt sich ein mindestens zehn fach tieferer Raum, in welchem die Ionen des gewünschten Vorzeichens überwiegen.
Da die Aufenthaltsdauer der Teilchen in diesem Raum demnach mindestens zehnmal länger ist, nehmen auch bei dieser Anord nung praktisch alle Teilchen Ladungen vom Vorzeichen des radioaktiven Bandes an. Beim homogenen elektrischen Feld liegen die Ver hältnisse insofern besonders günstig, als die ses Feld weit über die Reichweite der ioni sierenden Strahlen hinaus erstreckt werden kann und so die Aufenthaltsdauer der Teil chen im Ionenstrom mit Ionen des gewünsch ten Vorzeichens gegenüber der Aufenthalts dauer in der der Gitterelektrode 31 benach barten Raumladung vom umgekehrten Vor zeichen noch weiter verlängert werden kann.
Die Wände 2!8 und 29 können beispiels weise aus Gas oder Kunststoff bestehen, das nötigenfalls auf der innern Oberfläche durch Bedampfung mit einer halbleitenden Schicht schwachleitend gemacht ist. Damit auch in der Nähe der Schachtwände ein homogenes Feld entsteht, muss die Gitterelektrode 31 und die Gegenelektrode 32 in möglichst gutem Kontakt mit den Wänden 28 und 29 stehen, was durch eine Metallisierung oder Graphi- tierung der Berührungsstellen erreicht wer den kann.
Wie auch beim zylinderähnlichen Feld kann man beim homogenen Feld den Einfluss der Zone mit der Raumladung falschen Vor zeichens durch eine Hilfselektrode in Form eines weitmaschigen Gitters 33 verringern. Auch in diesem Fall erhält die Hilfselektrode 33 ein Potential, welches sieh höchstens geringfügig im Sinne des Potentialverlaufs des elektrostatischen Feldes von demjenigen der ersten Elektrode 31 unterscheidet.
Es genügt in jedem Fall, wenn das vor zugsweise in der Mittelebene des Schachtes angeordnete radioaktive Präparat wenigstens auf der Leeseite in einem etwa halbzylinder- förmigen Bereich Ionen erzeugt.
Unter Um ständen kann es jedoch von Vorteil sein, die Einrichtung auf der, Luv- und Leeseite des radioaktiven Präparates symmetrisch auszu bilden, das heisst also, wie es in den Fig.1 bis 4 angenommen ist, das Präparat sowohl leewärts wie luvwärts strahlen und das elek trostatische Längsfeld ebenfalls in beiden Richtungen wirken zu lassen.
In diesem Fall sind nämlich die Teilchen schon im richtigen Sinne aufgeladen, wenn sie in den kleinen Bereich der Raumladung falschen Vorzei chens gelangen, so dass die Teilchen dort erst wieder entladen werden müssten, bevor sie mit dem falschen Vorzeichen aufgeladen werden können, wodurch der Einfluss dieses stören den Raumladungsbereichs noch weiter ver mindert wird.
Das radioaktive Präparat kann die Form eines Drahtes mit beliebigem Querschnitt be sitzen, der nach allen Seiten ionisierende Strahlen emittiert. Ans Herstellungsgründen ist es jedoch einfacher, dem radioaktiven Prä parat die Form eines schmalen Bandes zu geben, welches im wesentlichen nur auf einer Seite mit einer radioaktiven Schicht belegt ist (vgl. das Band 30 in Fig.5).
Gemäss Fig. 6 kann das schmale Band auch in Form einer Sehraube 34 mit der radioaktiven Schiebt nach aussen um einen Draht 35 gewickelt sein. Auf diese Weise kann die Auffangfläche für die Ionen fal schen Vorzeichens und damit die Wirksamkeit der Ionen vom Vorzeichen des radioaktiven Präparates auch beim zylinderförmigen elek trostatischen Feld vergrössert werden.
In Fig. 7 ist. ein in sich verdralltes schma les Band 36 dargestellt, welches die radio aktive Schicht 37 nur auf einer Seite zu tragen braucht. In den Fällen der Fia. (i und 7 erhält das Strahlungsfeld nicht nur einen Gradienten in radialer, sondern auch einen Gradienten in lon;itudinaler R.iehtun-, was ziu einer Verkleinerung des Scheide radius r1 zwischen positiver und negativer Teilchenaufladung führt..
Die radioaktive Schicht muss nicht unbe dingt. zur wirksamen, das heisst Ionen absau genden Oberfläche der ersten Elektrode ge hören, wenn im übrigen eine genügend grosse wirksame Elektrodenoberfläehe vorhanden ist. Es ist. dabei aber zu beachten, dass eine elek trische Verbindung zwischen der Strahlungs quelle und der eigentlichen Elektrode besteht, da sonst eine das elektrostatische Feld be einflussende Ladung auf der radioaktiven Schicht auftritt.
Besondere Beachtung ist. der Halterung des radioaktiven Präparates zu widmen. Wenn diese Halterung in Strömungsrichtung ver läuft, muss sie die Teilchenaufladung un günstig beeinflussen, ähnlich wie es bei der Aufbringung des Präparates auf ein parallel zu den Schachtwänden gehaltenes Blech oder auf die Schachtwände selbst der Fall ist, weil unter diesen Umständen die Trennungs fläche zwischen positiver und negativer Raum ladung in die Strömungsrichtung gestellt ist und daher in einer schmalen Zone der Strö mung die suspendierten Teileben praktisch überhaupt nicht aufgeladen werden.
Es ist deshalb zweckmässig, dass radioaktive Präpa rat - wenn man es nicht, wie in Fig.1 an seinen Enden befestigen kann, oder wenn es nicht möglich ist, die Halterungen in nicht störender Weise auf der Luvseite des Prä parates anzuordnen - durch dünne Drähte zu halten, die wenigstens in Präparatnähe senkrecht zur Strömungsrichtung des Gases verlaufen.
Um dem die Teilchen enthaltenden Gas strom einen grösseren Durchströmquerschnitt zu bieten, kann man mehrere Einriehtungen gemäss den Fig. 3, 4 oder 5 seitlich aneinander fügen, wobei dann eine Schachtwand gleich zeitig zur Begrenzung zweier aneinander gren zender Schächte dient.
Zweckmässig ist es jedoch, die Schächte nicht mit planparalle len Wänden, sondern mit zylindrisehen Wän den - also mit ringförmigem Querschnitt in einer die Elektrode enthaltenden Ebene auszuführen und dann mehrere Schächte kon zentrisch ineinanderzustecken. Man gelangt dann zu einer in Fig.8 dargestellten Ein richtung, bei welcher die drei Schächte<B>33,</B> 39 und 40 in axialer Richtung vom Gas durch strömt werden. Einige der Schachtwände 41 dienen zur Begrenzung je zweier Schächte. Auch das radioaktive Präparat 42 besitzt jeweils Ringform und ist mit nicht darge stellten Halterungen in gleichem Abstand von zwei benachbarten Schachtwänden ge halten.
Eine andere Möglichkeit. zur Vergrösse rung des Strömungsquerschnittes zeigt. Fig. 9. Hier ist ein Schacht 43 durch Aufwinden einer einzigen Schachtwand 44 in Form einer archimedischen Spirale gebildet. Eine solche Anordnung benötigt auch nur einen einzigen radioaktiven Draht 45 und ist daher unter Umständen in fahr ikatorischer Hinsicht von Vorteil. Die Halterungen für den Draht 46 können hierbei in axialer Richtung auf der Luvseite an den Draht anschliessen.
Es ist auch möglich, einen einzelnen Schacht 46 durch zwei parallel gestellte, ebene Ringscheiben-wände 47 zu bilden. Das radioaktive Präparat erhält hierbei wiederum die Form eines Drahtringes 48, dessen Ebene in der Schachtmitte liegt und dessen Achse mit der Symmetrieachse des Schachtes zu sammenfällt. Das Gas strömt hierbei in ra dialer Richtung entweder nach innen, wie es die Pfeile andeuten, oder nach aussen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Schacht in ähnlicher Weise wie der Schacht der Fig. 4 ausgerüstet, das heisst in Höhe des radio aktiven Präparates 48 verlaufen schmale Elektrodenbänder 49 und 50 und der Schacht wird durch eine Gitterelektrode 51 abge schlossen, die in diesem Fall die Form eines Zylinders hat.
Um grössere Strömungsquerschnitte zu er zielen, können mehrere dieser Schächte derart aufeinandergesetzt werden, dass ein ringzylin drischer Körper entsteht, dessen Wandstärke durch die Sehachttiefe und dessen Höhe durch die Zahl der aneinandergefügten Schächte gegeben ist. Aueh hierbei können wieder Schachtwände eingespart werden, da stets zwei aneinandergrenzende Schächte eine ge meinsame Schaehtwand besitzen. In dem Aus führungsbeispiel der Fig.10 sind vier der artige Schächte zu einem ringzylindrischen Körper zusammengesetzt, die einen gemein samen Austritt 5\? besitzen.
Mit diesen Ausführungsbeispielen ist selbst verständlich die Fülle der Anwendungsmög lichkeiten noch nicht erschöpft. Beispielsweise benötigt man zur Errichtung des elektrosta tischen Längsfeldes nicht immer eine nach geschaltete Gitterelektrode. In vielen Fällen genügt ein beliebig geformter Elektroden- körper, der ein entsprechendes Potential ge genüber dem radioaktiven Präparat besitzt. Unter Umständen reicht es beispielsweise aus, die als Elektroden dienenden Schachtwände genügend weit in Strömungsrichtung vorzu ziehen. Mit besonderem Vorteil kann man aber hierfür Teile einer Elektrode eines nach geschalteten Abscheidersystems verwenden.
Device for unipolar particle charging The invention relates to a device for unipolar charging of the in one through a shaft. flowing gas suspended particles with the help of a radioactive preparation.
She consists. in that the radioactive preparation has a length that is several times the range of its ionizing radiation and is arranged essentially perpendicular to the gas flow in the shaft and that between a first electrode formed at least in part by the radioactive preparation and at least one second electrode, Before this is connected in the direction of the gas flow, an electrostatic field (longitudinal field) extends.
Such a device is required, for example, with electrostatic precipitators in which the charged particles are then deflected from their original path in an electrostatic field and deposited on a separating electrode. The aim of such devices is that as far as possible all the particles leaving the ionizer - be they dust particles or liquid droplets - are electrically charged in a unipolar manner to almost saturation.
So far, the corona discharge on spray tips or wires has mainly been used for this purpose in technology. However, there are several shortcomings in this method. The gas is chemically changed in the corona discharge; In the air, for example, ozone and nitrogen oxide are produced, so that this process can only be used to a limited extent or not at all in many cases because of the disruptive additional modules. Furthermore, the ions have. From the point of origin near the spray electrodes to the counter electrode there is a long way on which gas molecules attach to the ions, making them more difficult to move and unsuitable for charging the particles suspended in the gas.
In addition, the corona discharge requires a very high DC voltage and relatively large DC currents, which is a hazard for the operating personnel. After all, the risk of inflammable gases igniting in the event of corona discharges is very high.
Therefore, various attempts have been made to use radioactive preparations to generate ions. There is a whole series of proposals according to which the ions of different signs are used to charge the particles, so that a subsequent deposition takes place on both electrodes of an electrostatic field. However, the effectiveness of these devices is very low, since a large part of the ions is lost through recombination and even already charged particles can be discharged again by ions of opposite signs.
In order to achieve a unipolar charge, an ion accumulation has been proposed, which should be brought about by quickly sucking off the ions of the one sign generated in the gas onto an electrode relatively far away from the radioactive preparation and the ions of the with a different sign in a homogeneous electrostatic field against the direction of flow of the gas. However, since the accumulated ions are old ions that are loaded with gas molecules and are difficult to move, they are poorly suited for the unipolar charging of the particles.
If one wants to achieve a unipolar charge of the particles, one must first have very clear ideas about the physical processes on which the particle charge is based. If ions are generated in an electrostatic field, the ions of different signs wander in the direction of one of the two field electrodes. In the vicinity of each of the electrodes there is an excess of ions of a sign, and between the electrodes there is an area which is penetrated by as many positive as negative ions. Assuming a homogeneous electrostatic field, which is ionized completely evenly, then this area is exactly in the middle between the two field electrodes.
It is now a matter of either guiding the particles to be charged along where there is an excess of ions of the desired sign, or of guiding them in such a way that they are in a range of ions, predominantly of the field, immediately before you leave the field space The desired sign is that any previously carried out charging of the particles in the opposite direction up to saturation is reversed and a call charge takes place in the desired direction up to near saturation.
It would be completely wrong, for example, to place the interface between the positive and negative space charge area in the direction of flow, because then not only do the particles receive a different charge, but some of them leave the facility uncharged. The invention is therefore based on the task of training the radiation range of the radioactive preparation acting on the ionization b (, - and the superimposed electrostatic field and assigning them to one another,
that the area with an excess of ions of the desired sign fills the entire flow cross-section and becomes as large as possible or, conversely, the area predominantly having the wrong sign becomes as small as possible and is upstream of the first-mentioned area in the gas flow.
The basic knowledge in this connection consists in the fact that a radioactive preparation is primarily used for this purpose, in which the density of the ionization caused by its radiation increases sharply towards the preparation. In terms of shape, this applies - if one disregards the point or ball radiator, which is technically unusable because of its low total radiation - primarily from a cylindrical radiator. In terms of the type of radiation, beta rays are particularly suitable because the number of ions they generate per unit of travel to the radioactive preparation increases exponentially.
The wrong sign ions can be eliminated most quickly if the radioactive preparation itself forms at least part of the first electrode of the electrostatic field. At least one further electrode must then be connected downstream of the first electrode in the flow direction of the gas so that the particles can be charged in the desired unipolar manner before they exit the field space.
Embodiments of the invention he give from the following description environment in conjunction with the drawing. Herein show in a schematic representation: FIG. 1 a longitudinal section. through a vision in which the radiation:
The area and the electrostatic field superimposed thereon have a cylindrical shape, FIG. 2 shows a cross section through an embodiment of the device according to the invention, FIG. 3 shows a longitudinal section. essentially according to the line AA in FIGS. 2 and 4, a longitudinal section through another exemplary embodiment of the invention, FIG. 5 a longitudinal section through a further exemplary embodiment of the invention, FIG. 6 a form of the radioactive preparation ,
FIG. 7 shows a further form of the radioactive preparation, FIG. 8 a device composed of several ring shafts through which the flow flows in the axial direction, FIG. 9 shows a device in which the shaft has the shape of an Archimedean spiral, and FIG. 10 shows a Device in which ring shafts are traversed in the radial direction.
L m to explain the idea of the invention in more detail, is. 1 shows an exemplary embodiment in which the physical processes can easily be theoretically verified and which can also be used in practice with minor changes. The gas containing the particles to be charged flows in the direction of the arrow through one of the insulated walls 1 and? existing shaft 3. In the middle of the shaft is a radioactive preparation in the form of a wire 4 that emits rays in all directions.
A cylindrical grid 5 which is permeable to the gas and which has a negative voltage, for example, relative to the wire 4, runs concentrically around this wire. The arrangement is made in such a way that the range R of the ionizing beams corresponds approximately to the radius r ″ of the electrostatic cylinder field.
Under the simplifying prerequisite that the ionizing rays leave the radioactive wire as straight rays and that each ray generates the same number z of ion pairs per path element on its way, this is the ionization, i.e. the number per volume and time unit newly formed ion pairs at a distance r (<R) from the wire axis
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Here N is the number of ionizing rays emitted into the solid angle unit per unit of time and length, R is their range and O = It can be clearly seen that
that the cylinder emitter
EMI0003.0032
an ionization density that is not only proportional
EMI0003.0035
but because of the limited range of the radioactive rays to a greater extent, namely proportional arc cos
EMI0003.0038
decreases.
Under neglect
EMI0003.0040
an ion recombination is used to calculate the difference between the saturation current densities of the ions migrating away from the wire and the ions of the opposite sign, which is decisive for the particle load, and which are moving towards the wire
EMI0003.0045
where e is the charge of the ions, @ "=
EMI0003.0047
and r "is approximately equal to half the shaft width.
It can be seen from this equation that the current density is negative in the immediate vicinity of the wire, that is, the influence of the ions flowing towards the wire predominates and the particles are charged in the opposite direction here than outside a cylinder concentrically surrounding the wire, the radius of which is r "= R is given by r1 =, 0.37 R.
If a radioactive preparation is used that only emits beta rays, for example tritium, with which a zirconium layer on a wire can be loaded, then the area determined by the radius r1, in which the ions of the wrong sign predominate, shrinks even further together.
Since only a small part of the particles suspended in the gas flow cross the cylinder of radius r1 and these also only stay in this cylinder for a period of time which is relatively short compared to the residence time in the cylindrical ring with r "<I> = R </I> as the outer diameter and r1 as the inner diameter, practically all particles flowing through the shaft, as in the Cot.rell tube, are provided with unipolar charges with the sign of the ionizer.
The sign of the charge is therefore the same as that of the corona discharge, although positive and negative ions are generated in equal numbers at every point in the entire space of the cylinder of radius R. But precisely because young ions are available in the entire loading space for particle charging, the particles are charged much faster than with the ions of the corona discharge, which have to travel all the way from the spray wire to the particle.
For this reason, the device according to the invention also works much more economically, that is to say with considerably lower current densities, and the suspended particles are charged in a much shorter time, that is, at a considerably higher flow rate, almost to saturation.
Of course, the radioactivity of the preparation must be so great that the saturation current in the space outside the cylinder of radius r-1 is sufficient to neutralize the charge that a particle has received within this cylinder and to neutralize the particle with the charge the desired sign up to saturation.
In this context, too, the use of tritium, which can be absorbed in a metal layer, for example, is of great advantage since tritium does not emit gamma rays and since the range of the emitted beta rays is only 0.8 cm, so that too When using large densities and long wires, there is no flow gradient.
As is well known, range is understood as the distance after which corpuscular rays (e.g. alpha rays) have lost their entire energy on average, or by which rays that show an exponential or similar decrease in intensity when passing through matter (e.g. beta - rays), only
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their original intensity. have.
In Fig. and 3 is. a Ausführungsbei shown game, which is particularly easy to manufacture because of its simple structure. The shaft 7 is delimited by the two walls 8 and 9 made of conductive material. The two metal grids 10 and 11 are connected in the <U> W </U> eg of the gas, between which the radioactive preparation 12 is located.
Between the first electrode formed by the preparation 12 and the second electrode formed by the eye walls 8 and 9 and the grids 10 and 11 lies: the equilibrium voltage source 13, so that an overall electrostatic field similar to a cylinder field is created, the axis of which is different from the radioactive preparation is ingested and which is composed of longitudinal fields - in which the field lines on average are roughly in or
run against the direction of the flowing gas - between the preparation 12 and the grid 10 or 11 and transverse fields in which the field lines run on average in a direction perpendicular to the gas flow - between the preparation and the shaft walls 8 and 9 together. In particular in the immediate vicinity of the preparation 12 'there are hardly any differences compared to the field distribution in FIG. 1, so that the conditions investigated there also apply to the exemplary embodiment shown in FIGS. 2 and 3.
Another possibility to reduce the influence of the zone with the space charge with the wrong sign is to concentrate around the radioactive preparation a wide-meshed auxiliary electrode, here a wire spiral 14, which is quite small compared to the range of the radioactive radiation to arrange a gap.
This auxiliary electrode has the same potential as the preparation 12 or a potential which differs at most slightly from that of the preparation 12 in terms of the potential curve of the electrostatic field. This auxiliary electrode absorbs the ions of the wrong sign very quickly, but allows the electrostatic field to penetrate sufficiently strong to transport the ions of the desired sign generated inside the wire spiral into the space outside the spiral.
In Fig.l another embodiment example of the device according to the invention is shown. Here the shaft 16 is bounded by the two walls 17 and 18, which conduct the electric current only very weakly. The gas containing the particles to be charged flows through a grid electrode 19 when it enters the shaft and a grid electrode 20 when it exits the shaft. the radioactive preparation 21, the length of which is a multiple of the range of its ionizing rays, net angeord perpendicular to the gas flow. The radioactive preparation. is held at its ends and is connected to the DC voltage source 23 via the line 22.
At the level of the preparation 21 serving as the first electrode, the shaft walls 17 and 18 are covered with electrode strips 24 and 2'5 which are narrow compared to the width of the shaft and which act as additional electrodes and have a potential with respect to the radioactive preparation. Their potential is picked up at an intermediate stage 26 of the direct voltage source 23, so that they have a lower voltage difference compared to the preparation 21 than the two grid electrodes 19 and 20.
In this case, too, there is a cylindrical field in the vicinity of the radioactive preparation for which the same considerations apply as in the arrangement in FIG. 1. In addition, however, the longitudinal field caused by the grid electrodes 19 and 20 is relatively can be pulled apart far in the direction of flow, so that a particularly favorable spatial distribution of the ions useful for charging results. While in the previous embodiments, an electrostatic field similar to a cylinder was superimposed on the radiation field,
one uses in the execution example of FIG. A homogeneous electrostatic field. The shaft 27 extends between two walls 28 and 29 made of a material that conducts the electric current only very weakly. The radioactive preparation 3 @ 0 has the shape of a narrow, single Lich radiant band on the lee side, which is placed on the first grid electrode 31. The shaft is closed on the exit side by a second grid electrode 32, which has a voltage compared to the first grid electrode 31.
It can be shown that immediately leeward of the critter 31 there is only a comparatively thin charge layer with the wrong sign. This can be explained by the fact that not all ions migrate to the radioactive band 30, but are immediately taken up by the grid 31. Downstream of this space charge layer with the wrong sign there is a space at least ten times deeper in which the ions of the desired sign predominate.
Since the length of time the particles stay in this space is at least ten times longer, practically all particles in this arrangement also take on charges with the sign of the radioactive band. In the case of a homogeneous electric field, the conditions are particularly favorable in that this field can be extended far beyond the range of the ionizing radiation and so the length of time the particles stay in the ion current with ions of the desired sign compared to the length of time they stay in the Grid electrode 31 neighboring space charge can be extended even further from the opposite sign.
The walls 28 and 29 can, for example, consist of gas or plastic, which, if necessary, is made weakly conductive on the inner surface by vapor deposition with a semiconducting layer. In order that a homogeneous field is also created in the vicinity of the shaft walls, the grid electrode 31 and the counter electrode 32 must be in the best possible contact with the walls 28 and 29, which can be achieved by metallization or graphing of the contact points.
As with the cylinder-like field, in the case of a homogeneous field, the influence of the zone with the space charge with the wrong sign can be reduced by an auxiliary electrode in the form of a wide-meshed grid 33. In this case too, the auxiliary electrode 33 receives a potential which differs from that of the first electrode 31 at most slightly in terms of the potential profile of the electrostatic field.
In any case, it is sufficient if the radioactive preparation, which is preferably arranged in the center plane of the shaft, generates ions at least on the leeward side in an approximately semi-cylindrical area.
Under certain circumstances, however, it can be advantageous to symmetrically form the device on the windward and leeward side of the radioactive preparation, that is to say, as is assumed in FIGS. 1 to 4, to radiate the preparation both leeward and upwind to let the electrostatic longitudinal field also act in both directions.
In this case, the particles are already charged in the right sense when they get into the small area of the space charge with the wrong sign, so that the particles would have to be discharged again there before they can be charged with the wrong sign, which is the influence this disrupt the space charge area is further reduced.
The radioactive preparation can be in the form of a wire with any cross-section that emits ionizing radiation in all directions. For manufacturing reasons, however, it is easier to give the radioactive preparation the form of a narrow band, which is essentially covered with a radioactive layer on only one side (see band 30 in FIG. 5).
According to FIG. 6, the narrow band can also be wrapped around a wire 35 in the form of a viewing hood 34 with the radioactive slide facing outwards. In this way, the collecting area for the ions with the wrong sign and thus the effectiveness of the ions with the sign of the radioactive preparation can also be increased in the case of the cylindrical electrostatic field.
In Fig. 7 is. a twisted narrow band 36 is shown, which the radioactive layer 37 only needs to carry on one side. In the cases of FIG. (i and 7, the radiation field receives not only a gradient in radial, but also a gradient in ion; itudinal direction, which leads to a reduction in the sheath radius r1 between positive and negative particle charge.
The radioactive layer does not have to be. listen to the effective, i.e. ion-absorbing surface of the first electrode, if a sufficiently large effective electrode surface is also available. It is. It should be noted, however, that there is an electrical connection between the radiation source and the actual electrode, as otherwise a charge that influences the electrostatic field will appear on the radioactive layer.
Special attention is given. to dedicate the support of the radioactive preparation. If this holder runs in the direction of flow, it must have an unfavorable effect on the particle charge, as is the case when the preparation is applied to a sheet metal held parallel to the shaft walls or on the shaft walls themselves, because under these circumstances the separation surface between positive and negative space charge is placed in the direction of flow and therefore in a narrow zone of the flow the suspended sub-levels are practically not charged at all.
It is therefore advisable that radioactive prepa rat - if it cannot be attached at its ends, as in Fig. 1, or if it is not possible to arrange the brackets in a non-disturbing manner on the windward side of the prep - by thin wires to keep, which at least in the vicinity of the preparation run perpendicular to the direction of flow of the gas.
In order to provide the gas stream containing the particles with a larger flow cross-section, several Einriehtungen according to FIGS. 3, 4 or 5 can be joined laterally, in which case a shaft wall serves at the same time to delimit two adjacent shafts.
It is useful, however, not to run the shafts with planparalle len walls, but with zylindrisehen Wän - that is, with an annular cross-section in a plane containing the electrode and then plug several shafts concentrically into one another. One then arrives at a device shown in FIG. 8, in which the three shafts <B> 33, </B> 39 and 40 are flowed through by gas in the axial direction. Some of the shaft walls 41 serve to delimit two shafts each. The radioactive preparation 42 each has a ring shape and is kept ge with brackets not illustrated presented at the same distance from two adjacent shaft walls.
Another possibility. shows to enlarge the flow cross-section. 9. Here a shaft 43 is formed by winding up a single shaft wall 44 in the form of an Archimedean spiral. Such an arrangement also only requires a single radioactive wire 45 and is therefore advantageous under certain circumstances in terms of driving. The holders for the wire 46 can connect to the wire in the axial direction on the windward side.
It is also possible to form a single shaft 46 by means of two parallel, flat annular disk walls 47. The radioactive preparation is in turn given the shape of a wire ring 48, the plane of which lies in the center of the shaft and the axis of which coincides with the axis of symmetry of the shaft. The gas flows here in ra dialer direction either inwards, as indicated by the arrows, or outwards.
In this embodiment, the shaft is equipped in a similar manner to the shaft of FIG. 4, that is, at the level of the radioactive preparation 48, narrow electrode strips 49 and 50 and the shaft is closed abge by a grid electrode 51, which in this case has the shape of a cylinder.
In order to achieve larger flow cross-sections, several of these shafts can be placed on top of one another in such a way that a ring-cylindrical body is created, the wall thickness of which is given by the depth of the viewing shaft and the height of which is given by the number of shafts joined together. Here, too, shaft walls can be saved again, as two adjacent shafts always have a common shaft wall. In the exemplary embodiment from FIG. 10, four of the shafts of this type are assembled into an annular cylindrical body, which have a common outlet 5 \? have.
With these exemplary embodiments, the abundance of application possibilities is of course not yet exhausted. For example, you do not always need a downstream grid electrode to set up the electrostatic longitudinal field. In many cases, an electrode body of any shape is sufficient, which has a corresponding potential with respect to the radioactive preparation. Under certain circumstances it is sufficient, for example, to pull the shaft walls used as electrodes far enough in the direction of flow. It is particularly advantageous to use parts of an electrode of a downstream separator system for this purpose.