Jonizacyjna czujka dymu

Izotopy promieniotwórcze do niedawna stosowano w przeciwpożarowych czujnikach dymu. Wykorzystywały one izotop emitujący cząstki alfa, czyli jądra helu, złożone z dwóch protonów i dwóch neutronów. Cząstki te  mają dużą energię i silnie jonizują ośrodek, przez który przechodzą, co skutkuje małym ich zasięgiem. W powietrzu są w stanie pokonać zaledwie kilka centymetrów, zaś kartka papieru czy naskórek skóry człowieka zatrzymuje je całkowicie. Dlatego też obecność w powietrzu nawet niewielkich zanieczyszczeń, pochodzących np. z dymu, znacznie osłabia strumień cząstek alfa, co można zmierzyć odpowiednim detektorem, połączonym z układem alarmowym. Poniżej przykładowy układ - cząstki alfa jonizują powietrze powodując, że przewodzi ono prąd, który jest stale mierzony. Gdy na drodze cząstek pojawi się dym, przepływ prądu zostaje zaburzony i włącza się alarm.

https://kishorekaruppaswamy.wordpress.com/2018/02/02/smoke-detector-working-principle/

Do konstrukcji czujek dymu początkowo stosowano pluton-239 (t/2 = 24 tys. lat) i pluton-238 (t1/2 = 88 lat), później przechodząc na mniej groźny ameryk-241 (t1/2 = 432,2 lat). Czujki z plutonem miały skłonność do wysypywania kruszącej się substancji promieniotwórczej, co stwarzało śmiertelne zagrożenie, gdyż pluton wykazuje silną radiotoksyczność. Do uwolnienia substancji radioaktywnej mogło dojść także podczas pożaru budynku wyposażonego w taką instalację, choć w tym przypadku uległaby szybkiemu rozproszeniu wraz z gorącymi gazami spalinowymi.

Czujki z plutonem-239 produkowały m.in. krajowe zakłady Polon-Alfa. Zostały one zastąpione następnie przez czujki amerykowe, a później optyczne, niezawierajace izotopów promieniotwórczych, np. DOR-40. Wykaz czujek wraz z zastosowanymi rodzajami izotopów (Pu-238, Pu-239, Am-241) można znaleźć na stronie Polonu:

Czujki izotopowe wycofano głównie ze względów bezpieczeństwa, gdyż wymagały kontroli szczelności, a także utylizacji po zakończeniu eksploatacji. Resurs czujek nie był tak długi, jak czas półrozpadu zastosowanego izotopu, gdyż cząstki alfa stopniowo degradowały elementy detektora. Swój udział w rezygnacji z czujek izotopowych miała też radiofobia w społeczeństwie, choć dawka przenikliwego promieniowania gamma, które może wydostać się z detektora jest minimalna. Inną kwestią są powody praktyczne - nie wszystkie typy dymów i oparów powstających podczas pożaru są wykrywalne przez czujki izotopowe.

Oba typy czujek wykorzystują to samo zjawisko - zmniejszanie transparentności powietrza przez dym i opary występujące podczas pożaru. W czujce izotopowej (jonizacyjnej) przerwaniu ulega strumień cząstek alfa, w optycznej - światła, najczęściej laserowego. Oba typy czujek mają różną czułość na poszczególne rodzaje dymu, ale to temat na osobny artykuł, to jest blog o promieniowaniu, a nie ochronie ppoż.

Ilość pierwiastka promieniotwórczego w czujce jest bardzo mała, dla czujek z Am-241 ustalono aktywność preparatu na 0,9 µCi, czyli  33,3 kBq albo 1 µCi czyli 40 kBq. Nowsze czujki miały coraz mniejszą aktywność ameryku: 17 kBq (0,45 µCi), czy nawet 7,5 kBq! (0,2 µCi).

Ameryk emituje głównie cząstki alfa, które mają problem z pokonaniem kilku cm powietrza, a co dopiero plastikowej czy metalowej obudowy źródła i drugiej obudowy całej czujki. Kieszonkowym dozymetrem można zmierzyć najwyżej minimalne podniesienie tła promieniowania gamma, nie ma zatem obawy, że przebywanie w pomieszczeniu z czujkami może nam zaszkodzić. Zwykle taka czujka znajduje się na suficie - przyjmijmy wysokość stropu 2.5 m, zatem od czubka głowy siedzącego człowieka wzrostu 1,8 m oddziela ją 1,2 m powietrza. Z takiej odległości żaden dozymetr nie wskaże nawet minimalnego wzrostu tła.

Zerknijmy teraz na kilka przykładowych modeli czujek. Zacznijmy od krajowej DIO-31-2 o aktywności 40 kBq (zdjęcie dzięki uprzejmości IOR):

Poniżej stary, choć nie najstarszy model czujki (zdjęcie dzięki uprzejmości A.M.):

Wyprodukowano w Irlandii w roku... 1990 

Między kratkami widać kluczowy element, wielkości łebka od zapałki.

A teraz - dzięki uprzejmości Sklepu - czujka prawdopodobnie z roku 2005, którą należy wymienić przed rokiem... 2024. Ten sam czujnik, tylko na obudowie dodatkowo podano aktywność w kBq, jakby komuś się nie chciało przeliczać z µCi, tak jak to pokazałem powyżej. Czujek tych jest sporo na Allegro w dość przystępnych cenach, choć emisja jest - jak i w starszym modelu - minimalna.

Nawet ten sam sposób przykręcenia obudowy źródła, aby nie było łatwo wymontować. Faktycznie, bez specjalnego klucza albo piły - ani rusz 

Inny egzemplarz, produkcja z Meksyku (fot. Allegro) :

Tak wygląda główny element pomiarowy, a raczej jego połowa. Zastosowano bowiem tutaj układ różnicowy. Pod spodem znajduje się hermetyczna komora (widoczna uszczelka) z drugim źródłem, pełniącym funkcję wzorca - dzięki szczelności komory stopień jonizacji powietrza jest niezależny od czynników zewnętrznych. Drugie źródło, widoczne na zdjęciu, jest przykryte kopułką z dziurkami lub kloszem ze szczelinami, aby zapewnić dostęp powietrza i ewentualnego dymu. Układ czujki po prostu mierzy różnicę między prądem jonizacji w komorze szczelnej i w komorze otwartej na dostęp powietrza z zewnątrz. Dwa źródła zastosowano, aby wyeliminować błędy wywołane zmianami aktywności preparatu wraz z upływem czasu - oba preparaty (kontrolny i pomiarowy) tracą aktywność w tym samym stopniu.

Kolejny model "no name" (fot. Allegro):

Tym razem materiał umieszczony jest w metalowym koszyczku z dziurkami, dziurki dość małe...

 

Co ciekawe, nadal można spotkać w sprzedaży czujki jonizacyjne, aczkolwiek często mają zmniejszoną aktywność preparatu do 15 kBq, czyli mniej więcej o połowę :) I nadal, przy niektórych rodzajach pożarów, są niezastąpione 

Czujka Ei2000 - aktywność nie większa niż 15 kBq

Czujka jonizacyjna typu Ei100B - zdjęcie dzięki uprzejmości Sprzedawcy.

Czujka pozbawiona jakichkolwiek oznaczeń, ale też jonizacyjna - Family Gard FG888D (zdjęcie dzięki uprzejmości Sprzedawcy):

Czujka Garvan SS-168 (zdjęcie dzięki uprzejmości Sprzedawcy):

Czujki takie nie przydadzą się jako źródła promieniowania gamma czy beta, gdyż solidna obudowa skutecznie  tłumi słabą emisję od Am-241. Co innego w przypadku detektorów czułych na promieniowanie alfa - okienkowych liczników Geigera z okienkiem mikowym albo liczników scyntylacyjnych, głównie z siarczku cynku domieszkowanego srebrem - ZnS(Ag). Wymagałoby to jednak rozebrania takiej czujki, co szczerze odradzam z uwagi na możliwość skażenia silnie radiotoksycznym izotopem!