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煙霧探測器

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安装在天花板上的烟雾探测器

烟雾探测器是一种感测烟雾並觸發警報的设备，可以用來預防火灾，或是在禁煙區检测煙霧以阻止人們在附近吸烟。 烟雾探测器通常安装在塑料外壳內，通过光电或电离检测烟雾。

使用烟雾探測器可以使死于火灾的风险降低一半。根據美國消防協會的报告，2009-2013年間，在每100起火灾中，装有烟雾探測器的房屋有0.53人死亡，而没有烟雾报警器的房屋中则有1.18人死亡。 [1]

设计

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烟雾可以通过光电感应器或者电离过程来实现探测。没有烟雾产生的火灾可以采用二氧化碳感应器来探测。不完全燃烧状态的火灾可以采用一氧化碳感应器来探测。

光电式烟雾探测器

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已拆除外盖的光学烟雾探测器；顶部弧形排列的倾斜塑料件为遮光板
光学烟雾探测器
  1. 光学腔室
  2. 内罩
  3. 成型外壳
  4. 光电二极管（传感器）
  5. 红外线LED

光电式，或称光学烟雾探测器，包含红外线、可见光或紫外线光源——通常是白炽灯泡或发光二极管（LED）、一个透镜，以及一个光电接收器——通常为光电二极管。在点式探测器中，所有这些组件都集成在一个腔室内，空气（可能含有附近火灾的烟雾）在其中流动。在中庭和礼堂等大型开放空间，则需使用光束或投射光束式烟雾探测器，代替配置腔室的烟雾探测器：壁挂式装置发射红外线或紫外线光束，这些光束要么由独立设备接收和处理，要么通过反射器反射到接收器。在某些类型中，尤其是光学光束类型，光源发出的光会穿过被测空气到达光传感器。由于烟尘、空气中的尘埃或其他物质散射作用，接收到的辐射转移会降低；电路检测光强度，如果低于设定阈值（可能是烟雾引起的）会发出警报。[2]

在其他类型中，通常是腔室型，光源被引导远离传感器，在没有颗粒的情况下传感器检测不到反射光。然而，一旦腔室内空气中含有颗粒（烟雾或尘埃），光线会被散射，部分反射回传感器，从而触发警报。[2]

根据美国消防协会（NFPA）的说法，“光电式烟雾探测通常对经历较长阴燃阶段的火灾反应更为灵敏。”加利福尼亚州帕洛阿尔托市引用的德州农工大学和美国国家消防协会的研究指出：“光电式报警器对快速蔓延的火灾反应慢于电离式报警器，但实验室和现场测试表面，光电式烟雾报警器对各种火灾都能提供充分的预警，且被使用者停用的可能性大幅降低。”

虽然光电式报警器在检测阴燃火灾方面非常有效，并且能提供足够的防火保护，但消防安全专家和NFPA建议安装所谓的组合报警器，即同时检测热量和烟雾，或同时使用电离式（见下文）和光电式两种烟雾感应方式的报警器。部分组合报警器还可能具备一氧化碳检测功能。

不同生产厂商在光源和光电传感器类型、灵敏度以及烟雾腔室类型各有差异。

电离式烟雾探测器

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一段关于介绍电离式烟雾探测器工作原理的视频
基本型电离式烟雾探测器内部结构。右侧黑色圆形结构为电离腔室，左上方白色圆形结构为产生报警声的压电蜂鸣器。
烟雾探测器中的镅容器

电离式烟雾探测器使用放射性同位素（通常是镅-241）来电离空气，通过检测到烟雾引起的差异并触发警报。电离式探测器对火灾明火燃烧阶段的敏感度高于光学探测器，而光学探测器对早期阴燃阶段的火灾更为敏感。[3]

该类型烟雾探测器设有两个电离室，一个向开放空气，另一个为参考室（不允许空气中颗粒进入）。放射性源向两个腔室发射α粒子，使部分空气产生分子电离。腔室内电极之间存在电位差（电压）；离子上的电荷使电流得以流动。两个腔室的电流应保持相同，因为它们同等受到空气压力、温度和放射源衰减的影响。如有烟雾颗粒进入开放腔室，部分离子会附着在颗粒上，无法继续在该腔室中传导电流。电子电路检测到开放腔室与密封腔室之间的电流差之后，随即触发警报。电路还同时监测供电或备份电源的状态，当电量接近耗尽时会间歇性地发出警告。用户可操作的测试按钮来模拟两个电离腔室之间的不平衡，仅当电源、电子元件和报警装置均正常运行时，警报才会响起。由于电离式烟雾探测器的耗电量极低，可使小型电池作为单一或备用电源能够在无需外部布线的情况下使用数年。

电离式烟雾探测器的制造成本通常低于光学探测器。电离式探测器比光电探测器可能更容易因非危险事件而触发误报，[4][5]且对典型室内火灾的响应速度较慢：“在阴燃测试中，电离式报警器平均首次报警时间为2489秒±1324秒，而光电式报警器为1927秒±1065秒。”[6]

辐射

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硬币大小的铝片上一粒141纳克的二氧化镅-241微粒[7]

镅-241是一种α粒子发射体，半衰期为432.6年。[8]α粒子辐射相对于β射线（电子）和γ射线（电磁辐射）被选用有两个原因：α粒子能够电离足够多的空气以产生可检查的电流；二是其的穿透力极低，意味着可被空气或烟雾探测器的塑料外壳安全地阻挡。在α粒子衰减过程中，镅-241也会发射γ射线，但其能量较低，因此不被认为是人体辐射暴露的重要来源。

电离式烟雾探测器中镅-241的含量极少，因此可免于适用于较大型放射源的法规监管。一个烟雾探测器约含37 kBq（1.0 μCi）的放射性元素镅-241(241
Am
)，相当于约0.3微克该同位素。[9][10]这一剂量足以提供探测烟雾所需的离子电流，同时在设备外部产生极低水平的辐射。部分俄制烟雾探测器（如RID-6M[11] 和IDF-1M型）含有少量钚（0.21 MBq）而非镅作为放射源，以反应堆级239
Pu
与二氧化钛混合的形式附着在圆柱状氧化铝表面上。[12] [13] [14]

前苏联时期生产的АИП-РИД型烟感参比钚源，239Pu出厂活度为5.7 μCi

电离式烟雾探测器中所含的镅-241剂量并不构成显著的辐射性风险。[15] 若镅留在警报器的屏蔽电离腔室内，辐射风险微乎其微，因为该腔室本体对α辐射起到屏蔽作用。一个人必须打开密封腔室直接口服或吸入镅，其所受剂量才与天然背景辐射相当。正常运行的电离式烟雾探测器所产生的辐射风险远低于天然背景辐射。

参考文献

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  1. ^ Smoke Alarms in U.S. Home Fires. 美国消防协会. 2015-09 [2017-07-28]. （原始内容存档于2017-07-29）. 
  2. ^ 2.0 2.1 Brazzell, D. 高速气流和复杂气流模式对烟雾探测器性能的影响 (PDF). AFCOM8-21.AFCOM-Miami-Admin.com. [2009-05-13]. （原始内容 (PDF)存档于2012-03-20）. 
  3. ^ Fleming, Jay. "烟雾探测器技术研究" 互联网档案馆的存檔，存档日期2016-04-20., retrieved 2011-11-07.
  4. ^ 《住宅烟雾报警器性能研究》，托马斯·克利里，美国国家标准与技术研究院建筑与火灾研究实验室，UL烟雾与火灾动力学研讨会，2007年11月。
  5. ^ 家庭烟雾报警器的性能分析：多种可用技术在住宅火灾环境中的响应分析. Bukowski, Cleary et al. （原始内容存档于2010-08-22）. 
  6. ^ 《关于"住宅探测器灵敏度与安装要求"第一阶段（NBS GCR 75-51）及第二阶段（NBS GCR 77-82）的补充问答与说明
  7. ^ 贝滕豪森, 克雷格. 图说化学：美丽的镅. 化学与工程新闻 (美国化学学会). 2021-7-7. ISSN 0009-2347. 
  8. ^ NuDat 3.0 database. NNDC.BNL.gov. 布鲁克海文国家实验室. [2022-9-24]. 
  9. ^ 烟雾探测器与镅-241情况说明 (PDF). 加拿大核学会. [2009-08-31]. （原始内容存档 (PDF)于2011-07-06）. 
  10. ^ Gerberding, Julie Louise. 镅的毒理学概况 (PDF; 2.1MiB). 美国卫生与公众服务部/有毒物质与疾病登记署. April 2004 [2009-08-29]. （原始内容存档 (PDF)于2009-09-06）. 
  11. ^ ФГУП «Институт физико-технических проблем» Минатома РФ. Практический пример применения рециклинга радиоизотопных дымовых пожарных извещателей [Practical example of recycling radioisotope smoke detectors] (报告). Institute of Physical-Technical Problems (State Scientific Center of the Russian Federation): 1–4 （俄语）. Описана технология замены альфа-источников АИП-РИД в извещателях РИД-6М для продления срока службы на 10 лет. 
  12. ^ Centre for Radiation Protection and Hygiene (Cuba) and Atomic Centre Ezeiza (Argentina). Management of Disused Ionic Smoke Detectors: Experience in Cuba. IRPA 2015 – International Radiation Protection Association: 1–6. 2015. More than 25 000 smoke detectors collected in Cuba; dismantling and conditioning of Am-241, Pu-238, Pu-239, Kr-85 sources. 
  13. ^ Источники альфа-излучения: Плутоний-239. Источники тип АИП-МИР-ЗА, АИП-РИГ, АДИ, АИП-РИД, АИП-ЭДГХ (технический каталог) [Alpha Radiation Sources: Plutonium-239. Source types AIP-MIR-ZA, AIP-RIG, ADI, AIP-RID, AIP-EDGKh (Technical Catalogue)]. Moscow, Russia: АО «Всерегиональное объединение «Изотоп» (JSC "Isotop"). [2026-06-19] （俄语）. 
  14. ^ 前苏联烟雾探测器钚分析. 特种核材料. 2017-02-07 [2021-12-23] （英语）. 
  15. ^ 烟雾探测器背景介绍. NRC Library. 美国核能管理委员会. [2022-9-24]. 

外部链接

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