Aparato radiactivo de baja actividad para la neutralización y carga de partículas.

El aparato introduce el concepto de ionizador bipolar (generador de iones de ambas polaridades) dotado de una fuente radiactiva muy débil. Consiste en un tubo cilíndrico (1) que tiene tres discos instalados en su periferia (2). Cada disco (3) contiene una delgada capa de material radiactivo de americio (241Am) depositado sobre su superficie, con una actividad de 3 kBq (0.08 Ci). Así, la actividad nominal total del dispositivo es de 9 kBq (0.24 Ci), quedando por debajo del límite de exención para este tipo de fuentes. El ionizador también incluye ciertas características (terminaciones cónicas (5) y rejillas (6)) para permitir una distribución de flujo uniforme y tiempos de residencia adecuados. El aparato puede ser utilizado para la neutralización y carga de partículas de aerosol, alcanzando una distribución de carga estacionaria para los caudales típicos usados en análisis de movilidad eléctrica

Aparato radiactivo de baja actividad para la neutralización y carga de partículas.

Sector de la técnica

La invención se enmarca en el sector de la tecnología de aerosoles, ya que muchas de sus tareas (medidas del tamaño, muestreo, control de la polución del aire) requieren establecer una distribución bien definida de la carga de un aerosol. Los cargadores bipolares radiactivos son herramientas muy atractivas para este propósito, porque permiten alcanzar una distribución de carga estacionaria, sin depender de parámetros de carga externos (que pueden ser imprecisos o variar en el tiempo). Además, la relación de partículas de una carga a partículas de cargas múltiples es alta, y ésta es una condición deseable en las técnicas eléctricas de medidas de aerosoles, específicamente en los analizadores diferenciales de movilidad (DMAs) utilizados en la determinación del tamaño de partícula y generación de aerosoles monodispersos.

Estado de la técnica

La distribución de carga de equilibrio de partículas de aerosol se logra por la colisión de partículas con iones bipolares generados por fuentes radiactivas, tales como ⁸⁵Kr, ²¹⁰Po y ²⁴¹Am. Investigadores como Cooper et al., 1973; Liu et al., 1974; Adachi et al., 1983; Adachi et al., 1985; Covert et al., 1997, han aprovechado la simplicidad del uso de las fuentes radiactivas para neutralizar y cargar aerosoles. Sin embargo, sus aplicaciones tienen ciertas desventajas, ya que requieren precauciones de seguridad bastante costosas debido a que las fuentes radiactivas están sujetas a severas restricciones legales. Esto se puede observar en la publicación de Han. Et al.: "Unipolar Charging of Nanosized Aerosol Particles Using sofá X-ray Potoionization" que divulga un dispositivo para el cargado de partículas unipolar con fuentes de Am-241 pero estos cargadores utilizan un disco de material radiactivo con actividades muy altas (0,1 MCi en ambos cargadores) que sobrepasan los límites de exención que indica la legislación (0.27 microCi como máximo para fuente Am-241). En esta invención se presenta un cargador radiactivo optimizado en su diseño para que el dispositivo no esté sobredimensionado, con fuentes radiactivas que irradian el aerosol por tres ángulos diferentes, entradas y salidas cónicas del cargador que permiten la expansión del flujo para cubrir completamente la zona de carga, y rejillas de entrada que laminarizan el flujo, de tal manera que con solo 0.24 microCi funcione para el cargado y neutralización de partículas de aerosol en los rangos de caudal típicos usados en análisis de movilidad eléctrica (entre 0.5 a 2.5 lpm (litros por minuto)), teniendo así una actividad tan baja que el dispositivo queda exento de clasificación como material radiactivo, pudiendo utilizarse sin restricciones. En definitiva, la novedad de la presente invención frente a cualquier otra invención divulgada anteriormente, radica en que consiste en un dispositivo que utiliza una fuente radiactiva de muy baja actividad, en la que a pesar de esto, se logran obtener eficiencias de cargado/neutralización iguales que las fuentes comerciales de alta actividad para caudales hasta 2,5 lpm, gracias a su diseño que aprovecha las características de la fuente radiactiva, sin necesidad de que el cargador esté sobredimensionado en términos de actividad de la fuente.

Descripción de la invención

En un cargador bipolar el aerosol es expuesto a iones de ambas polaridades. Los materiales radiactivos son fuentes útiles y confiables de iones, y se utilizan extensamente para propósitos de neutralización o carga bipolar de aerosoles. Sin embargo, el uso de materiales radiactivos está sujeto a severas restricciones legales y requiere altos y costosos niveles de seguridad. Cuando la actividad de las sustancias radiactivas excede ciertos valores (límites de exención) la legislación exige que estos materiales sean clasificados, restringiendo sus usos, manejo, almacenaje y transporte. La invención que se presenta, utiliza una fuente radiactiva tan débil que el dispositivo no queda clasificado dentro de esta legislación. Gracias a sus características geométricas, que permiten un aprovechamiento de toda la energía de las partículas ionizantes, una distribución uniforme del flujo de aerosol en la zona de carga, y elevados tiempos de residencia, el ionizador radiactivo de baja actividad consigue alcanzar una distribución de carga estacionaria, obteniendo las mismas eficiencias de carga/neutralización que los cargadores comerciales de alta actividad, para los caudales típicos usados en análisis de movilidad eléctrica, entre 0.5 l/min (8 cm³/s) y 2.5 l/min (42 cm³/s), y concentraciones en el orden de 10⁶ partículas/cm³. Además, debido a la poca actividad, el dispositivo es mucho más económico.

Geométricamente, el aparato radiactivo de baja actividad consiste en un cuerpo cilíndrico que tiene tres discos instalados axisimétricamente en su periferia. Cada disco contiene una delgada capa de material radiactivo de ²⁴¹Am, con una actividad de 3 kBq. El material radiactivo es depositado por electrodeposición sobre la superficie del disco que mira al interior del dispositivo. La actividad nominal total del cargador es de 9 kBq, quedando por debajo del límite de exención, que es 10 kBq para fuentes radiactivas de ²⁴¹Am. El cilindro central del dispositivo representa la zona de carga. Las dimensiones de esta zona deben conseguir un volumen activo que permita alcanzar elevados tiempos de residencia, suficientemente altos para lograr un estado estacionario dentro del cargador. Dentro de la zona de carga, las moléculas de aire son ionizadas bipolarmente debido a la radiación α que emite el ²⁴¹Am. Las partículas ionizantes α de esta fuente radiactiva tienen una energía bastante elevada (aproximadamente 5.5 MeV) y una distancia máxima de penetración en el medio de sólo 4 cm. Estas características fueron aprovechadas en el momento del diseño del dispositivo, cuya geometría garantiza el uso de toda la radiación de las tres fuentes de ²⁴¹Am, ya que éstas depositan toda su energía dentro del volumen activo del cargador, mientras que el aerosol es irradiado por tres ángulos diferentes.

Sin embargo, para aprovechar toda la energía de las partículas ionizantes se debe asegurar una distribución del flujo de aerosol sobre la sección transversal de la zona de carga. Para lograr esto el ionizador también incluye terminaciones cónicas y dos rejillas colocadas en la sección de entrada. Esta geometría permite ese flujo uniforme requerido, evitando volúmenes muertos dentro de la zona de carga; además permite conseguir los tiempos de residencia adecuados para alcanzar un estado estacionario.

Descripción de los dibujos

Para complementar la descripción que antecede y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se va a realizar una descripción detallada de una realización preferida, en base a un juego de dibujos que acompañan a esta memoria descriptiva y en donde con carácter meramente indicativo y no limitativo se ha representado lo siguiente.

La Figura 1 muestra una vista frontal, en explosión, del aparato radiactivo de baja actividad de la invención.

La Figura 2 muestra una vista lateral del aparato de la invención.

La Figura 3 muestra una vista frontal del cuerpo central.

La Figura 4 muestra una sección lateral del cuerpo central.

La Figura 5 muestra los conos utilizados para la entrada y salida del aerosol, que permiten una expansión del flujo antes de entrar en la zona de carga.

La Figura 6 muestra el soporte de los discos radiactivos.

La Figura 7 muestra el tipo de rejillas utilizadas para distribuir el flujo de aerosol.

En las anteriores figuras las referencias numéricas corresponden a las siguientes partes y elementos.

1. Cuerpo central.

2. Ventanas.

3. Disco.

4. Soporte.

5. Conos.

6. Rejillas.

Descripción detallada de una realización preferida

El aparato de la invención consta de un cuerpo central (1), cilíndrico, con tres discos (3) instalados axisimétricamente en ventanas (2) practicadas en su periferia. Cada disco (3) está colocado sobre un soporte (4) que es sujetado al cuerpo central (1) por medio de cuatro tornillos. Las caras de los discos (3) que miran al interior del cilindro contienen una delgada capa de material...

1. Aparato radiactivo de baja actividad para la neutralización y carga de partículas, del tipo de los cargadores bipolares radiactivos, caracterizado por incorporar una fuente radioactiva con una actividad tan baja que el dispositivo queda exento de clasificación como material radiactivo; de tal manera que pueda utilizarse sin restricciones respecto a su uso, manejo, almacenaje y transporte.

2. Aparato radiactivo de baja actividad para la neutralización y carga de partículas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la fuente radiactiva presenta las características de una energía de radiación bastante elevada y una distancia máxima de penetración en el medio de unos pocos centímetros; de tal manera que pueda lograrse el aprovechamiento de la totalidad de la energía.

3. Aparato radiactivo de baja actividad para la neutralización y carga de partículas de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado por comprender un cuerpo central (1), cilíndrico, con tres discos (3), dispuestos axisimetricamente, que contienen una capa de material radiactivo depositado sobre la superficie que mira al interior del cuerpo central (1).

4. Aparato radiactivo de baja actividad para la neutralización y carga de partículas de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado por que el material radiactivo es ²⁴¹Am.

5. Aparato radiactivo de baja actividad para la neutralización y carga de partículas de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado por que el número de discos (3) es de tres, dispuestos sobre soportes (4) unidos al cuerpo central (1).

6. Aparato radiactivo de baja actividad para la neutralización y carga de partículas de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado por comprender conos (5) en su entrada y salida, así como rejillas (6) dispuestas entre el cono de entrada y el cuerpo central (1).