煙霧警報器如何「看見」火災？ 認識電離式與光電式煙霧感應器
How Do Smoke Alarms Detect Fire? Ionization and Photoelectric Sensors
同樣是煙，為甚麼感應方法可以不同？
火災產生的煙霧粒子在大小、數量和光學性質方面並不完全相同。 快速燃燒的 有焰火（Flaming Fire） 往往產生大量較細小的粒子；緩慢燃燒的 陰燃火（Smouldering Fire） 則可能產生較大的煙霧粒子。
常見的家用煙霧感應技術包括 電離式（Ionization） 和 光電式（Photoelectric） 。 兩者並不是直接量度火焰，而是利用不同物理現象 偵測空氣中的粒子。
引言：煙霧警報器是否真的可以聞到煙？
煙霧警報器沒有人的鼻子，也不一定需要分析煙霧的化學成分。 它可以透過煙霧對 電流（Electric Current） 或 光（Light） 造成的影響，判斷空氣中是否出現異常粒子。
電離式煙霧感應器
Ionization Smoke Sensor
利用少量密封的放射性物質使空氣電離。 煙霧進入後令離子電流下降，電路因而啟動警報。
光電式煙霧感應器
Photoelectric Smoke Sensor
利用光源和光感應器。煙霧粒子把光散射至感應器， 當接收的光強超過設定水平，警報便會啟動。
1. 電離式煙霧感應器如何運作？
電離式煙霧感應器內有一個小型 電離室（Ionization Chamber） 。 感應器一般使用少量、受到密封保護的放射性物質，例如 鎇-241（Americium-241） 。
鎇-241放出 α粒子（Alpha Particles） 。 α粒子在兩塊電極之間的空氣中移動時，使空氣分子電離， 形成正離子和電子。部分電子亦可能附在其他空氣分子上， 形成負離子。
α粒子就是氦核，含有兩個質子和兩個中子。
正常空氣中的情況
- 密封的鎇-241放出α粒子。
- α粒子使兩塊電極之間的空氣分子電離，形成離子對。
- 兩塊平行電極之間存在電勢差和電場。
- 正離子移向負電極；電子或負離子移向正電極。
- 帶電粒子的定向移動形成很小但穩定的電流。
煙霧進入後的情況
煙霧粒子會吸附部分正離子、電子或負離子。 帶電的煙霧粒子比原來的小離子移動得慢， 因而減少每秒到達電極的電荷量。 所以，電離室內的 電流減小。 當電流下降至預設觸發水平以下，控制電路便會啟動警報。
2. 光電式煙霧感應器如何運作？
光電式煙霧感應器又可稱為 光學煙霧感應器（Optical Smoke Sensor） 。 感應室內有一個發光元件和一個光感應器。
光源通常不會直接照向光感應器。 在沒有煙霧時，感應器只會接收到極少量光。 當煙霧進入感應室，煙霧粒子會把原來沿直線傳播的光 散射（Scatter） 至不同方向，其中一部分光會到達光感應器。
煙霧濃度增加時，光感應器所接收的光通常亦會增加。 當輸出訊號超過設定水平，控制電路便會啟動警報。
3. 互動模擬：煙霧如何改變兩種感應器的訊號？
調校煙霧密度，觀察α粒子如何在兩塊平行電極之間產生離子對、 離子如何在電場中移動，以及煙霧如何吸附離子並降低電流。 右方則顯示煙霧如何把LED光線散射至光感應器。
比較兩種煙霧感應方法
Comparing Ionization and Photoelectric Smoke Detection
Clear air 中等煙霧
Medium smoke 濃煙
Heavy smoke
Current is above the threshold: alarm off.
Detected light is below the threshold: alarm off.
4. 兩種感應器有甚麼分別？
| 比較項目 | 電離式 | 光電式 |
|---|---|---|
| 主要物理原理 | α粒子使空氣電離，離子在電場中移動並形成電流。 | 煙霧粒子把光散射至光感應器。 |
| 有煙時的訊號 | 離子的移動能力下降，電流減小。 | 接收的散射光和感應器輸出增加。 |
| 通常較快偵測 | 快速燃燒、有火焰的火災所產生的大量細小粒子。 | 緩慢陰燃所產生的較大、較能散射光的粒子。 |
| 主要元件 | 密封放射源、平行電極及電流檢測電路。 | LED、光感應器、吸光器及訊號處理電路。 |
為甚麼電離式有時反應較快？
快速燃燒的 有焰火（Flaming Fire） 往往產生大量非常細小的煙霧或黑色煙灰粒子。 大量細小粒子進入電離室後，可以吸附許多離子， 明顯降低離子移動能力和電流。
因此，在某些有焰火情況下，電離式感應器的電流可能較快跌過 觸發水平。不過，這不表示光電式感應器不能偵測有焰火。
為甚麼光電式有時反應較快？
緩慢燃燒的 陰燃火（Smouldering Fire） 往往產生較大、顏色較淺或較能反射和散射光的粒子。 這些粒子可以有效地把LED光線散射至光感應器， 令輸出訊號較快上升。
因此，在某些陰燃火情況下，光電式感應器可能較快啟動。 不過，這不表示電離式感應器不能偵測陰燃火。
5. HKDSE形式結構題 DSE-style Structured Question
某電離式煙霧感應器含有少量密封的鎇-241。 鎇-241放出的α粒子使感應室內的空氣電離。 在清潔空氣中，兩塊電極之間有穩定電流。 當煙霧進入感應室時，電流減小。
An ionization smoke sensor contains a small sealed amount of americium-241. Alpha particles emitted by americium-241 ionize the air inside the sensing chamber. In clean air, a steady current flows between two electrodes. When smoke enters the chamber, the current decreases.
鎇-241的半衰期為432年。感應器製造時， 鎇-241的活度為30 kBq。
The half-life of americium-241 is 432 years. When the sensor was manufactured, its activity was 30 kBq.
另一個煙霧警報器使用光電式感應器。 正常情況下，LED發出的光不會直接照射光感應器。
Another smoke alarm uses a photoelectric sensor. Under normal conditions, light emitted by an LED does not shine directly onto the light detector.
工程師測試煙霧樣本F和S。電離式感應器在電流 低於11 nA時啟動；光電式感應器在輸出 高於2.5 V時啟動。
Engineers test smoke samples F and S. The ionization sensor is triggered when the current falls below 11 nA. The photoelectric sensor is triggered when its output rises above 2.5 V.
|
煙霧樣本 Smoke sample |
電離電流 Ionization current |
光感應器輸出 Photoelectric output |
|---|---|---|
| F | 9.0 nA | 1.8 V |
| S | 13.5 nA | 3.2 V |
-
X是α粒子，即氦核。〔1〕
X is an alpha particle, i.e. a helium nucleus. [1]
-
α粒子的電離能力很強。〔1〕
An alpha particle has strong ionizing power. [1]
-
α粒子的穿透能力很弱，在空氣中的射程很短。
〔1〕
An alpha particle has weak penetrating power and a short range in air. [1]
-
α粒子使感應室內的空氣分子電離。
〔1〕
Alpha particles ionize air molecules inside the chamber. [1]
-
電離產生正離子和電子／負離子。
〔1〕
Ionization produces positive ions and electrons or negative ions. [1]
-
正離子移向負電極，電子或負離子移向正電極，
形成電流。〔1〕
Positive ions move towards the negative electrode, while electrons or negative ions move towards the positive electrode, producing a current. [1]
-
煙霧吸附部分帶電粒子及降低其移動能力，
使每秒到達電極的電荷減少，所以電流下降。
〔1〕
Smoke captures charged particles and reduces their mobility. Less charge reaches the electrodes each second, so the current falls. [1]
A = 30(1/2)30/432
A ≈ 28.6 kBq
正確代入公式〔1〕；答案連同單位〔1〕。
- 沒有煙霧時，LED光束不直接照射感應器， 因此接收的光很少。〔1〕
- 有煙霧時，煙霧把部分光散射至感應器， 令接收的光量增加。〔1〕
- F令電流降至9.0 nA，因此啟動電離式感應器， 但不啟動光電式感應器。〔1〕
- S令光感應器輸出升至3.2 V，因此啟動光電式感應器， 但不啟動電離式感應器。〔1〕
- 不同火災產生不同大小和性質的煙霧粒子， 結合兩種技術可增加偵測範圍。〔1〕
6. 中英物理詞彙 Physics Vocabulary
English Summary
An ionization smoke sensor contains a small sealed radioactive source. Alpha particles ionize the air between two electrodes, producing positive ions and electrons or negative ions. Positive ions move towards the negative electrode, while electrons or negative ions move towards the positive electrode. This movement of charge produces a small electric current.
Smoke particles capture some of the ions and reduce their mobility. Less charge reaches the electrodes each second, causing the current to fall. The alarm sounds when the current falls below a preset threshold.
A photoelectric smoke sensor contains a light source and a light detector. Under normal conditions, the light beam does not shine directly onto the detector. Smoke particles scatter some of the light towards the detector, increasing its output.
Ionization alarms tend to respond faster to some flaming fires, while photoelectric alarms tend to respond faster to some smouldering fires. Both technologies can detect both types of fire, and their performance can complement each other.
總結 Summary
- α粒子使兩塊電極之間的空氣電離並產生離子對。
- 正離子移向負電極，電子或負離子移向正電極。
- 煙霧吸附離子及降低其移動能力，使離子電流下降。
- 光電式感應器利用煙霧把光散射至光感應器。
- 兩種技術對不同煙霧粒子的反應可以互相補足。