Kävin taannoin mummolassa ja perunoiden kiehuessa keittiön palohälytin alkoi piippaamaan. Miksi näin, eikö sen pitäisi tunnistaa savu?

Pitäisi kyllä, mutta palohälyttimet eivät aina ole kovin valikoivia. Hälytys voi aiheutua eri syistä. Sitä varten meidän pitänee tutustua palovaroittimien toimintaan. Palovaroittimia on monia erilaisia, mutta kaupalliset palovaroittimet ovat usein joko optisia tai ionisoivia.

Kuva 1: Savussa olevia nokihiukkasia elektronimikroskooppikuvassa.

Optinen palovaroitin hyödyntää valon sirontaa savussa olevista nokihiukkasista. Varoitin koostuu valonlähteestä (infrapuna-LED) ja ja valosensorista (fotodiodi), jotka on sijoitettu valoa läpäisemättömään koteloon (Kuva 2). Koteloon pääsee savua sivuilla olevista aukoista. Usein aukkoja peittävät tiheäsilmäiset verkot, jotka toimivat hyönteissuojina, jotta ötökät eivät pääse laitteen sisään aiheuttamaan vääriä hälytyksiä.

Kuva 2: Optisen palovaroittimen perusrakenne ja toimintaperiaate.

Tulipalon sattuessa nokihiukkasista koostuva savu tunkeutuu aukoista laitteen sisään. Infrapunavalo osuu hiukkasiin ja siroaa ympäriinsä; osa sironneesta valosta osuu fotodiodiin, synnyttäen heikon sähkövirran, joka määrätyn rajan ylittäessä synnyttää elektroniikan avulla virran pietsosähköiseen äänisummeriin. Ilman savua valodiodiin siroavan valon määrä ja sähkövirta ovat häviävän pieniä ja summeri pysyy hiljaa. 

Tällaiset infrapunaan perustuvat optiset palovarottimet ovat edullisia valmistaa, koska komponentit ovat yksinkertaisia ja helposti saatavilla. Ne soveltuvat tilanteisiin, joissa palo on kytevä ja savussa on paljon isoja hiukkasia, jotka sirottavat infrapunavaloa tehokkaasti. Tällöin kytevä palo on mahdollista havaita hyvissä ajoin. Toisaalta ne saattavat olla hitaampia tai vähemmän herkkiä nopeassa palossa syntyvälle, pienempiä nokihiukkasia sisältävälle savulle.

Infrapunavalo on hyödyllinen, koska vesihöyry absorboi infrapunaa tehokkaasti, mutta sirottaa sitä heikosti. Siksi optisia palovaroittimia voidaan asentaa lähelle keittiötä, koska ne antavat keittämisestä vähemmän vääriä hälytyksiä.

Mutta mummolassa hälytyksen aiheutti nimenomaan vesihöyry eikä savu.

Ehkä mummolassasi ei ollutkaan optinen, vaan ionisoiva palovaroitin. Ionisoivan palovaroittimen toimintatapa on tyystin erilainen. Siinä on suojakuori, jonka sisällä on positiivisesti ja negatiivisesti varatut elektrodit, sekä pieni alfalähde, yleensä radioaktiivinen Amerikium-241.

Kuva 3. Ionisoivan palovaroittimen perusrakenne.

Mikä on alfalähde? Ja miksi tuo radioaktiivisuus, se kun kuitenkin on vaarallista?

Hyvä kysymys, tarkastellaan asiaa lähemmin. Alfalähde tarkoittaa materiaalia, jossa tapahtuu spontaanisti ydinten hajoamista siten, että materiaalista säteilee alfahiukkasia eli helium-4 atomin ytimiä ($^4$He), jotka koostuvat kahdesta protonista ja kahdesta neutronista. Amerikium on alkuaine ja $^{241}$Am on eräs sen isotooppi. 

Hetkinen, mikä olikaan isotooppi?

Alkuaine määräytyy ytimessä olevien protonien määrästä. Kaikissa Am-ytimissä on $95$ protonia. $^{241}$Am-ytimen massaluku eli protonien ja neutronien yhteenlaskettu lukumäärä on $241$, joten siinä on protonien lisäksi $241-95=146$ neutronia. $^{241}$Am hajoaa spontaanisti alfahiukkaseksi ja Neptunium-237 -tytärytimeksi, jossa on kaksi protonia ja kaksi neutronia vähemmän kuin $^{241}$Am-ytimessä (Kuva 4). Samalla hajoamisessa syntyy gammasäteilyä.

Kuva 4. $^{241}$Am-ydin hajoaa radioaktiivisesti $^{237}$Np-ytimeksi ja alfahiukkaseksi. Samalla syntyy gammasäteilyä.

Alfasäteily on ionisoivaa säteilyä, mikä tarkoittaa että aineen läpi vipeltäessään alfahiukkaset riisuvat atomeita niiden ympärillä olevista elektroneista. Tällöin alunperin neutraalit atomit muuttuvat ainakin hetkellisesti positiivisesti ja negatiivisesti varatuiksi ioneiksi sekä vapaiksi elektroneiksi. Ionisoiva säteily on eri säteilyn lajeista lähtökohtaisesti terveydelle vaarallisinta.

Palovaroittimissa käytettyjen Amerikium-241 lähteiden aktiivisuus eli hajoamisten lukumäärä tietyssa ajassa on tyypillisesti noin 40 kBq. Becquerel (Bq) kuvaa aktiivisuutta hajoamisten määränä sekunnissa. Säteilylähteestä lentää siis ympäriinsä noin 40 000 alfahiukkasta sekunnissa.

Kuulosta aika suurelta määrältä.

Kyllä, mutta silti tämä vastaa vain noin $0{,}3$ mikrogrammaa Amerikiumia.

Mutta eivätkö Amerikium-ytimet lopu kesken, kun ne hajoavat tuohon tahtiin?

Ei ihan heti. $^{241}$Am-ytimen puoliintumisaika on $432$ vuotta, mikä tarkoittaa että $432$ vuoden kuluttua $^{241}$Am-ytimiä on jälkellä puolet alkuperäisestä määrästä ja lähteen aktiivisuus on puolet alkuperäisestä. Aktiivisuus eli hajoamisvauhti 40 kBq voi olla mielestämme suuri, mutta $0{,}3$ mikrogrammassa Amerikiumia on $7{,}5\times 10^{14}$ hajoavaa ydintä, eli ihan mukava määrä. Vuodessa sekuntejakin on $3\times 10^7$ eli suhteessa vähän. Palovaroittimen eliniän ajan radioaktiivisuus säilyy koko lailla samana.

Eli vanhakin palovaroitin on vaarallinen?

Radioaktiivisuuden vaarallisuudesta ei tarvitse olla huolissaan. Alfahiukkaset pysähtyvät nopeasti. Alfasäteily etenee ilmassa vain pari senttimetriä eikä se läpäise paperiarkkia eikä myöskään ihoa. Toisin sanoen, alfasäteily ei läpäise palovaroittimen muovista suojakuorta. Silti ionisoivaa palovaroitinta käsitellessä on hyvä olla koskematta lähteeseen, sillä jos radioaktiivista materiaalia päätyy käden kautta suuhun ja siitä kehon sisään, voi alfasäteily aiheuttaa vaurioita. $^{241}$Am-ytimen radioaktiivisessa hajoamisessa syntyvän gammasäteilyn energia on niin matala, ettei siitä ole terveydellistä haittaa.

Kuva 5. Eri säteilylajien läpäisykyky.

Okei, mutta miksi palovaroittimissa siis pitää olla radioaktiivinen lähde?

Säteilylähteestä syntyvä alfasäteily ionisoi palovaroittimen sisässä olevaa ilmaa eli synnyttää positiivisesti ja negatiivisesti varattuja hiukkasia. Erimerkkisesti varatut hiukkaset kulkevat elektrodien synnyttämässä sähkökentässä eri suuntiin ja muodostavat elektrodien välille heikon, tasaisen sähkövirran.

Kun varoittimen sisään pääsee savua, nokihukkaset absorboivat osan alfasäteilystä, mikä heikentää elektrodien välistä sähkövirtaa. Kun virta heikkenee määrättyä rajaa pienemmäksi, laitteen elektroniikka synnyttää virran pietsosähköiseen summeriin (Kuva 4).

Aivan! Voinko siis olettaa, että mummolassa olisi juuri tällainen ionisoiva palovaroitin?

Ehkäpä. Ionisoivien palovaroittimien etu on, että ne ovat herkkiä pienille, näkymättömille nokihiukkasille. Tällaisia hiukkasia syntyy enemmän erittäin nopeassa palamisessa. Toisaalta ionisoivien palovaroittimien haittapuolena on liiallinen herkkyys. Vesihöyry ja kokkaamisen huurut saattavat aiheuttaa vääriä hälytyksiä, höyry kun saattaa absorboida alfasäteilyä savun tavoin. Palovarottimen kytkeminen pois päältä kokkaamisen ajaksi on riski sekin — kytkeminen takaisin päälle kun helposti unohtuu.

Oheisella videolla Jasmiina Ahokas Jyväskylän yliopiston fysiikan laitokselta kertoo ionisoivasta palovaroittimesta, säteilyturvallisuudesta ja omasta pro gradu -työstään.

Video 1: Ionisoivan palovaroittimen toiminta ja ionisoivan säteilyn käyttö sairaalaympäristössä.

Myös lika ja pöly voivat toimia palovaroittimessa savuhiukkasten tavoin ja aiheuttaa vääriä hälytyksiä — palovaroittimen tyypistä riippumatta!