CN114646659A - 用于测量核反应堆中核加热的测量芯及包含这种测量芯的量热传感器 - Google Patents

用于测量核反应堆中核加热的测量芯及包含这种测量芯的量热传感器 Download PDF

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A·沃尔特
A·利奥西
M·卡雷特
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Abstract

本发明涉及一种用于测量核加热的测量芯(16)，该芯沿纵向方向(X)延伸并具有主平面(XY)，并且至少包括：‑第一材料层，其形成第一样品(161)；‑第一电绝缘薄层(163)，其位于第一样品上；‑薄导电层，其在第一电绝缘层上形成加热电阻器(164)；‑第二电绝缘薄层(165)，其位于加热电阻器上。本发明还涉及一种量热传感器(1)，包括：‑外护套(11)；‑包含于护套中的气体(12)；‑设置在护套中的测量芯(16)；‑联接装置(13)，其用于将芯保持在护套中并在所述芯和所述护套之间传递热量；‑温度测量装置(14、15)，其能够测量热点处的温度和冷点处的温度。

Description

用于测量核反应堆中核加热的测量芯及包含这种测量芯的量 热传感器
技术领域
本发明涉及核反应堆的测量和仪器仪表领域，更具体地，涉及测量核 加热甚至由辐射沉积于材料中的的能量(不同材料吸收的剂量和剂量率) 的领域。
本发明具体地涉及核反应堆中的测量芯及包括这种测量芯的量热传感 器，其用于测量核加热。
背景技术
核加热主要由存在于核反应堆中的光子和中子辐射引起。
核加热是用于由辐射与材料的相互作用引起的每单位质量和时间 (J.s-1.g-1或W/g)能量沉积的术语。
可以使用诸如裂变室、自给能中子探测器或者甚至活化探测器的特定 系统来量化中子辐射。就其本身而言，光子辐射可以使用特定系统(例如 电离室或自给能中子探测器)进行量化。光子和中子辐射由于其没有电荷 以及在材料中的平均自由程而具有将其能量沉积在材料(多种材料)中甚 至“远离”这些辐射的发生位置(核内实验通道、反射器等)，并因此加热所 述材料。
材料被理解为包含在核反应堆中的材料，例如反应堆的结构、实验装 置，包括存在于反应堆芯中的所有材料(包括核燃料)。
推荐量化由辐射而不是粒子流产生的总核加热以确定这些辐射的影 响。
这尤其适用于其中结构和内部系统(例如，实验装置)根据实验通道 和根据实验程序而不同的实验型核反应堆。更需要测量实验型核反应堆中 的核加热，由于这是确定实验装置尺寸的关键量，特别是从机械强度及其 热阻的角度来看。
核加热通常通过量热法通过使用量热计来测量。量热法主要是通过测 量一个或多个温度的变化或一个或多个温度的差异来确定重量已知的少许 材料(也可以称为样品或芯)的核加热。
在下文的描述中，该少许材料将被称为“样品”。样品通常由石墨或金 属制成。
一个或多个温度的变化或者一个或多个温度的差异可以由于光子和中 子辐射的影响。也可以是由于量热计中包含的加热系统与辐射结合或不结 合，例如用于校准反应器外部或反应器中的量热计或用于实施反应堆内所 谓的“零”测量协议或反应堆内所谓的“电流添加”测量协议。此类测量协议 在专利FR 2 968 448中有所描述。
不同的量热计通常用于两个试样。由于在量热计和量热计外部的传热 流体之间存在热交换器，因此差示量热计是非绝热型的。
上述专利FR 2 968 448描述了一种差示量热计，其包括具有两个试样 的量热计，两个试样基本上相同，在主轴线上彼此叠置，第一试样是固体， 也就是说，其中必须测量能量沉积的材料样品，并且第二试样是空的并用 作参考。每个试样通过连杆缸在主轴线上联接到基部，并且每个试样设置 两个热电偶，一个热电偶设置在连杆缸的顶部，另一个热电偶设置在基座 水平处。测量两个热电偶的之间的温度差。核热测量基于两个试样之间的双重温度差。沉积能量是从两个试样之间的这种双重温度差推导出来的， 并以W/g表示。
为了克服在这种配置中不存在试样并置的问题，专利FR 2 968 448将 沿主轴线的位移施加在量热单元上，并测量每个试样在每个轴向位置处的 温度差，该位移与测量的适当同步相关联。
为了通过优先进行自由基热交换来进行核加热测量成为可能，专利FR 3 034 867开发并描述了一种具有至少一个试样的量热单元，其中该至少一 个试样包括：被构造为沿着纵向轴线容纳试样并对热量敏感的本体以及用 于将热量从本体排出试样的装置，该装置包括位于本体的外围的外围结构 以及径向设置在本体和外围结构之间以径向传递热量的中心机械连接结 构。量热单元还包括每个试样的两个热电偶：一个位于本体/中心结构界面 处，并且另一个位于中心结构/外围结构界面处。量热单元通常包括带有完 全封装外护套的两个试样。
无论其是带有一个试样还是带有两个试样用于差示量热仪，所描述的 量热单元的一个缺点在于这些单元由形成结构的多个元件组成，该结构的 重量和尺寸影响其物理行为并且显著地诱导对结构本身的加热，从而增加 量热计内部达到的绝对温度，即使只寻求加热样品。这个缺点显著解释了 需要利用两个试样进行差分测量，以校正由特别是在结构本身上的寄生能 量沉积引起的偏差，并因此识别单个样品的加热并追踪所述样品吸收的剂 量率。现在，使用两个试样而不是一个试样会增加量热单元的重量和尺寸。 这个缺点意味着，如专利FR 2 968 448中所述，必须移动两个试样才能在 特定侧进行测量，这大大增加了测量的复杂性并延长了测量时间。
此外，由于单个量热单元(单个试样)的高度可以达到几厘米，而对 于差示量热单元(两个试样)，高度可以达到几十厘米，这限制了量热计在 反应堆的实验通道中的结合，其中给定了所述通道中的可用空间。这也限 制了其与用于在所述通道中进行测量的多传感器装置中的其他传感器的联 接。这也阻止了量热计在某些辐照装置中的结合。
此外，已知量热计的样品的尺寸(几厘米)不允许在几毫米上的局部 测量。
最后，量热计(特别是差示量热计)的重量和尺寸引起显著的响应时 间，这对测量的持续时间有影响(实际上必须等待建立稳定状态)，并且对 量热计中达到的最高温度有影响。
本发明旨在克服现有技术的上述缺点。
更具体地，本发明旨在提供一种量热单元，以下称为“量热传感器”， 其适用于测量核反应堆中的核加热，并且与已知量热单元相比其尺寸和重 量减小，从而减小体量，并且其中包含在传感器中的样品的尺寸减小以增 强测量的空间分辨率。
本发明的目的还在于限制量热单元结构中的寄生加热，并且这样做而 不必为了在给定侧进行核加热测量而执行所述传感器的位移和/或利用两 个试样执行差分测量。
有利地寻求一种量热传感器，其小型化为具有短响应时间短并且不需 要位移来测量给定侧的核加热，以减少测量时间(从几十分钟到几分钟， 甚至几十秒，取决于传感器的构造)。特别寻求其中线缆数量减少的量热传 感器。
发明内容
能够弥补这些缺陷的本发明的第一主题是一种用于测量核反应堆中的 核热的量热测量芯，所述测量芯沿纵向方向延伸并具有主平面，并且至少 包括：
-第一材料层，其形成第一样品；
-第一电绝缘薄层，其设置在第一个样品上；
-薄导电层，其形成设置在第一电绝缘层上的加热电阻器；
-第二电绝缘薄层，其设置在加热电阻器上；
第一绝缘薄层在主平面中的尺寸与第一个样品的尺寸相匹配；
电绝缘薄层被构造为使加热电阻器与样品绝缘和/或保护所述加热电 阻器；以及
第一样品优选地在主平面中具有小于或等于大约十五毫米、甚至大约 十毫米的尺寸，和/或具有小于或等于10毫米、甚至更优选地小于或等于2 毫米的厚度。
材料层形成样品，对该样品寻求对核加热的量化。换句话说，仅针对 一个或多个样品寻求对核加热的量化。
“薄”层被理解为厚度小于或等于10μm的层。
根据本发明的测量芯的构造，平面中的尺寸以长度、宽度和/或直径为 目标并且对应于相对于测量芯的主平面的尺寸。厚度和深度指定在与主平 面成直角的方向上的尺寸。术语“上”或“下”应参照测量芯和量热传感器进 行竖直设置时的纵向方向来理解，但是记住测量芯和量热传感器可以水平 或倾斜设置。
本发明可以通过使用在平面中具有减小的厚度和尺寸的层来减小测量 芯和量热传感器的大小和重量。这使得可以具有更局部化的测量、更好的 空间分辨率，同时不需要为了在给定侧进行测量而移动量热传感器。这也 允许减少响应时间，这由于没有位移而导致更短的测量时间。此外，这允 许减少总重量，从而减少结构的寄生加热并因此减少达到的最高温度。此 外，由于使用单个试样(即单个测量芯)，本发明可以减少电连接缆线的数量。
此外，量热传感器由于其尺寸减小使得可以在核反应堆的测量通道中 具有多个量热传感器，可能具有取决于传感器的不同性质的样品，甚至将 其与其他传感器联接，如辐射探测器(电离室、裂变室、自给能中子探测 器等)。
根据本发明的量热测量芯可以进一步包括单独或以所有技术上可能的 组合采用的以下特征中的一个或多个。
根据一个实施例，测量芯还包括：
-第二材料层，其形成第二样品；第二电绝缘薄层，其位于加热电阻 器和第二样品之间；
第二电绝缘薄层在主平面中的尺寸与第二样品的尺寸相匹配；
第二电绝缘层被构造为使加热电阻器与第二样品绝缘；
第二样品优选地在主平面中具有小于或等于大约十五毫米、甚至大约 十毫米的尺寸，和/或具有小于或等于10毫米、甚至更优选地小于或等于2 毫米的厚度。这允许整体对称，加热元件位于由两个样品和两个电绝缘薄 层组成的组件的中心，以及在样品中的更好热均匀性。
根据特定实施例，第一样品的长度，分别为直径，大于第二样品的长 度，分别为直径。第一样品可特别适于能够接收加热电阻器的所有表面及 其连接，而第二样品可适于除加热电阻器的连接之外覆盖加热电阻器。
根据一个实施例，加热电阻器包括由导电材料制成的轨道，该轨道呈 线圈、螺旋或曲折形式或适合于样品的形式的任何其他形式。
根据一个实施例，加热电阻器由铂、镍铬合金、康铜或适于形成加热 电阻器的任何其他材料制成。
根据一个实施例，电绝缘薄层由氧化硅、氧化铝、氮化硅或氧化镁制 成。
根据一个实施例，一个或多个样品由石墨、不锈钢、铝或钛制成。
根据一个实施例，一个或多个样品具有适于通过薄层沉积技术沉积至 少一个电绝缘薄层的表面纹理，例如镜面抛光表面纹理。这使得可以增强 加热元件的薄层对一个或多个样品的粘合。
根据一个实施例，测量芯还包括位于加热电阻器和至少一个电绝缘薄 层之间和/或位于至少一个样品和至少一个电绝缘薄层之间的至少一层粘 合层。粘合层允许两层之间更好的粘合。
根据一个实施例，测量芯还包括至少一个功能层，该功能层可以是硼、 镉、碳化硅(SiC)和/或锂层，所述功能层能够被沉积在至少一个样品的 外面上。例如，该功能层可以具有与其他薄层相同数量级的厚度。这种功 能层可以：产生选择性特定相互作用，和/或转换粒子/辐射，和/或放大核 加热。
根据一个实施例，第一样品，并且如果合适的话第二样品，呈平行六 面体形式，从而形成平行六面体芯。
根据可替代实施例，第一样品，并且如果合适的话第二样品，是半圆 柱形形式，从而形成半圆柱形或圆柱形芯，圆柱形长度在纵向方向上延伸。
根据另一可替代实施例，第一样品，并且如果合适的话第二样品，是 圆盘形式，圆盘直径在纵向方向上延伸。
根据一个实施例，至少一个样品在至少一个上部部分和/或下部部分中 开孔，以形成至少两个上凸耳和/或至少两个下凸耳。
根据特定实施例，上凸耳定尺寸为容纳加热电阻器的连接元件，上凸 耳的宽度例如大于下凸耳。
根据特定实施例，加热电阻器被构造为形成电阻温度探头，以便测量 包括温度测量热点的区域中的温度，所述加热电阻器然后被联接到电阻器 的测量装置，优选地通过四线电路。
本发明的第二个主题是一种用于测量核反应堆中的核加热的量热传感 器，所述传感器包括：
-不透流体外护套；
-包含于外护套中的气体；
-根据本发明的第一主题的测量芯，所述芯设置在外护套中；
-联接装置，其能够将测量芯保持在外护套中并在所述芯和所述护套 之间传递热量；
-温度测量装置，其包括能够测量热点处的温度的第一温度测量装置， 优选地尽可能靠近测量芯的加热元件，以及能够测量冷点处的温度的第二 温度测量装置，优选地位于护套的壁上。
根据一个实施例，温度测量装置包括至少一个热电偶，优选地有线微 热电偶或薄膜微热电偶。
根据一个实施例，第一温度测量装置由加热电阻器形成。
根据一个实施例，联接装置包括可以具有不同形式和材料的间隔件。
根据一个实施例，至少一个样品在至少上部部分和/或下部部分中开 孔，以形成至少两个上凸耳和/或至少两个下凸耳，联接装置完全或部分由 所述凸耳形成。
根据一个实施例，护套由铝、不锈钢或钛制成。
根据本发明的量热测量芯和量热传感器可以包括上述特征中的任何一 个，这些特征可以单独地或根据与其他特征的所有技术上可能的组合而采 用。
附图说明
本发明的其他特征、细节和优点将通过阅读参考以示例方式给出的附 图给出的描述而显现：
[图1A]，[图1B]，[图1C]，和[图1D]表示以分解图并水平地表示的根 据本发明的第一实施例的测量芯。
[图2]表示以前视图和竖直视图表示的根据本发明的第一实施例的测 量芯。
[图3]表示以前视图表示的根据本发明的第二实施例的测量芯。
[图4]表示以分解图并水平地表示的根据本发明的第三实施例的测量 芯。
[图5]表示以分解图并竖直地表示的根据本发明的第四实施例的测量 芯。
[图6A]和[图6B]表示根据第一实施例的量热传感器。
[图7]表示根据第二实施例的量热传感器。
在这些图中，相同的附图标记可以表示相同或相似的元件。
此外，附图中表示的各个部分不一定按照统一的比例表示以使附图更 易读。
具体实施方式
图1A至1D、2、3、4和5表示根据本发明的测量芯的数个实施例， 并且其可以组装在量热传感器中。方向X对应于测量芯和传感器的纵向， 方向Y对应于横向方向并且XY对应于测量芯的主平面。方向Z是与主平 面正交的方向。
第一实施例(测量芯)
图1A至1D示出了以分解图表示的根据第一实施例并且根据所述测量 芯的各种元件的各种组装步骤的测量芯16。所表示的测量芯的纵向方向X 是水平定向的，尽管其可以如图2所示竖直设置，并且特别是在如图6A和 6B所示的量热传感器中竖直设置。
平行六面体形式的测量芯16按堆叠顺序包括：
-第一材料层，其形成第一样品161，在该第一样品中寻求对核加热的 量化；
-第一电绝缘薄层163；
-加热电阻器164(薄导电层)；
-第二电绝缘薄层165；
-第二材料层，其形成第二样品162，在该第二样品中寻求对核加热的 量化。
加热电阻器和绝缘薄层的组件形成加热元件，加热电阻器夹设在两个 绝缘薄层之间。
构成测量芯的层除了具有特定形式的电阻器之外呈平行六面体形式， 如下所述。这些层彼此上下地堆叠。
样品是一种已知重量的材料元件，对其寻求对核加热进行测量。样品 的材料可以特别是石墨、不锈钢、铝或钛。样品的宽度和长度在几毫米和 约15毫米，甚至约10毫米之间变化。样品的厚度约为1到2毫米，需要 最小厚度以具有显著的能量沉积。在该实施例中，两个样品除了其长度L1、 L2之外具有基本相同的尺寸。
第一样品161的长度Ll大于第二样品162的长度L2，以能够接收加热 电阻器164的所有表面以及加热电阻器164中由两个焊盘1641和1642的 形式表示的连接，而第二样品具有减小的长度L2以覆盖除连接之外的加热 电阻器。
作为示例，第一和第二样品可以具有以下相应尺寸(长度×宽度×厚度):
-13mm×10mm×1mm(第一样品161)以及10mm×10mm×1mm(第 二样品162)；或者
-7mm×4mm×1mm(第一样品161)以及4mm×4mm×1mm(第二样 品162)。
此外，第一绝缘层163的长度也大于第二绝缘层165的长度。每个绝 缘层均设置在加热电阻与样品中的一个之间，以将所述加热电阻器(导电 层)与样品电绝缘。因此，每个绝缘层必须具有在平面中足够将加热电阻 器与每个样品电绝缘的尺寸，但是也能够沉积在所述样品上。换句话说， 绝缘层在平面内的尺寸也必须与其所直接接触的样品的尺寸相匹配。绝缘 层的厚度介于大约100毫米和几μm之间。绝缘层尤其可以由氧化硅、氧 化铝、氮化硅、氧化镁制成。氧化铝α由于其熔点非常高而是特别有利的。
样品的表面纹理是一个重要因素，因为其调节加热元件的薄层在所述 样品上的粘合。优选地，样品具有镜面抛光表面纹理。为了产生合适的表 面纹理，样品可以在薄层沉积之前进行准备步骤，该准备步骤可以由在超 声波浴中用丙酮，然后是乙醇，最后是蒸馏水清洗几分钟构成。样品的这 种准备可以改善薄层和样品之间的界面并因此改善整体的物理化学特性。
加热电阻器包括由导电材料制成的轨道，例如呈线圈形式。导电材料 尤其可以是铂、镍铬合金或其他合金(例如康铜)。加热电阻器的厚度介于 约几十nm和几μm之间。轨道宽度小于或等于0.5mm。作为一个集合，轨 道的特征(形状、厚度、宽度、长度)取决于期望电阻值。
可替代地，加热电阻器可以呈螺旋形式，特别是圆形螺旋形式，或适 于形成电阻器，特别是通过曲折并且适于样品的形式的任何其他形式。
加热电阻器和绝缘层一起形成加热元件，该加热元件与测量芯同时制 造。
加热元件可以通过已知微电子技术中的一种制造。加热电阻器尤其可 以通过剥离光刻技术与薄膜沉积技术(特别是阴极溅射)相结合来生产， 以获得期望形状，例如线圈或螺旋。绝缘薄层可以通过薄膜沉积技术(特 别是阴极溅射或真空沉积)来沉积。
加热元件可以在集成到核反应堆中之前(在辐射环境外部)校准量热 传感器。加热元件尤其可以通过焦耳效应局部模拟核加热。加热元件还可 以在集成到核反应堆中后(在辐照环境中)校准量热传感器并应用所谓的 “零”或“电流添加”测量方法，对于该“零”或“电流添加”测量方法，需要提供 除通过辐射/材料相互作用沉积的能量以外的能量(测量方法的原理在专利 FR 2 968 448中有所描述，但如本领域技术人员已知的，该测量方法适用 于根据本发明的测量芯)。
变型实施例
根据变型实施例，加热元件，特别是加热电阻器，可以形成温度传感 器，更特别是温度电阻探头，以测量热点的区域中的温度。在这种情况下， 加热电阻器是对温度敏感的电阻器R(T)，并且温度可由以下定律给出(线 性近似)：
[数学.1]
R(T)＝R(T0)×(1+α(T-T0))＝R(T0)+R(T0)×α(T-T0)
其中，α是电阻器导电材料的温度系数。
通过测量电阻R(T)并知悉针对初始温度T0给出的初始电阻R(T0)， 由此推导出对应于T-T0的温度差ΔT。
需要注意的是，初始电阻可用下式表示：
[数学.2]
Figure RE-GDA0003563142770000101
其中L是加热电阻器的轨道的总长度且S是其截面，并且其中ρ是加热 电阻器的导电材料的电阻率，其在初始温度T0下给出。
在这种情况下，所述加热电阻器应该联接到电阻测量装置，优选地通 过4线电路，这是比已知用于测量电阻的2或3线电路更精确的电路。R (T0)可以用同样的方法测量。
图2表示由前视图并竖直地表示的根据本发明的第一实施例的测量芯 16，如其通常在传感器中定向。
第二实施例(测量芯)
图3表示以前视图表示的根据本发明的第二实施例的测量芯16’。该第 二实施例的测量芯16’与第一实施例的测量芯的不同之处在于样品161’、 162’具有相同的长度，但是其具有在上部部分和下部部分中开孔的形式。 这使得可以在每个样品的四个角部处每个样品形成四凸耳(两个上凸耳 161A’、161B’、162A’、162B’以及两个下凸耳161C’、161D’、162C’、162D’)。 上凸耳161A’、161B’、162A’、162B’比下凸耳更宽，以容纳加热电阻器164’的连接垫1641’和1642’。
此外，如下所述，这些下凸耳和上凸耳可以被放置为与量热传感器的 护套接触。因此，如稍后将解释的，这使得可以更换在量热传感器中组装 测量芯所需要的间隔件中的全部或一些。这显著地使得可以促进组装并消 除添加的间隔件。这使得可以减少寄生加热，特别是由于由与样品不同的 材料加工而成的间隔件。在所表示的示例中，两个上部或下部部分被开孔。 可替代地，可以仅对一个或两个样品的上部部分或下部部分开孔。
第一实施例给出的样品的尺寸的幅值数量级仍然有效：样品的宽度和 长度在几毫米和约15毫米左右甚至约10毫米之间变化，并且厚度介于1 和2毫米之间。
此外，第一和第二绝缘层(未示出，由于其被样品隐藏)具有与第一 和第二样品161’、162’(其也被开孔)的尺寸匹配的尺寸和形式，并且第 一和第二绝缘层必须仍在平面上具有足够的尺寸来绝缘电阻器并保护电阻 器。所述绝缘薄层和所述加热电阻器的尺寸与第一实施例的幅值数量级相 同。
上述和所示的两个实施例中，样品以及因此测量芯具有平行六面体形 式(开孔或未开孔)。这种形式可以简化测量芯的不同层的组装。这也使得 可以更容易地使用某些薄膜沉积技术来制造加热元件，特别是通过直接在 样品上制造该加热元件。
第三实施例(测量芯)
可替代地，样品161”、162”且因此测量芯16”可以具有圆盘形式，如 图4所示。然后，纵向尺寸对应于样品的直径。
在这种情况下，加热电阻器164”呈圆形螺旋形式，具有两个电连接垫 1641”、1642”，该两个电连接垫可以在直径方向上相反，如图所示(非限 制性的)。形成两个样品161”、162”的两个圆盘然后具有不同的直径Φ1,Φ2 以容纳加热电阻器的连接垫。
薄层163”、165”也呈圆盘形式，其直径与其所直接接触的样品的直径 相匹配。
第一实施例给出的样品的尺寸的幅值数量级仍然有效：样品的直径在 几毫米和约15毫米甚至约10毫米之间变化，并且厚度介于1和2毫米之 间。
第四实施例(测量芯)
可替代地，测量芯可以是圆柱形形式(甚至半圆柱形式)，纵向方向对 应于所述圆柱形的长度，这种形式更适于核反应堆中的大多数测量通道。 这在表示根据本发明的测量芯17的第四实施例的图5中示出。
在该实施例中，两个样品呈半圆柱形式，也就是说，其是纵向切成两 半的圆柱形，每个半圆柱形均具有平坦表面，对应于主平面XY，加热元件 可以被沉积在该平坦平面上，也就是说加热电阻器夹设在两个绝缘薄层之 间。半圆柱形的平坦表面与该加热元件组装在一起，该加热元件然后夹设 在两个半圆柱形之间，以形成圆柱形测量芯。
在第四实施例中，两个样品171、172具有相同的直径但不同的长度。 每个半圆柱形样品的纵向方向均对应于所述样品的长度，即在该纵向方向 上切割成两半的圆柱形。
样品的长度(L1、L2)在几毫米和约15毫米甚至约10毫米之间变化。 由直径(D1,D2)给出的最大宽度在几毫米和约10毫米之间变化。由半 径(D1/2,D2/2)给出的样品的最大厚度为几毫米。
作为示例，第一和第二样品可以具有以下相应尺寸：4m的直径(D1) ×7mm的长度(L1)以及4mm的直径(D2)×4mm的长度(L2)。
绝缘薄层(173、175)和加热电阻器(174)的尺寸与其他实施例具有 相同的幅值数量级。假设加热元件设置在平面XY上，则其可以呈矩形形 式。
通常，测量芯的形式由样品的形式以及样品的数量调节。例如，如果 只有单个半圆柱形样品，则测量芯的形式也是半圆柱形的。
在所表示的所有实施例中，可以看出，该组层使得可以形成厚度至多 为几毫米的测量芯，这使得可以减小量热传感器的厚度。此外，测量芯在 平面中的尺寸(长度、宽度和/或直径)为厘米数量级。此外，加热元件的 层是薄层，相对于样品而言，这些薄层在重量和厚度方面可以忽略不计， 就样品而言，这些样品被定尺寸为允许辐射/材料相互作用以及对核加热进 行量化并且针对该需要而具有最小厚度。
图1A至1D、2、3、4和5表示包括两个样品的测量芯，应当理解， 单个样品可能就足够了。
事实上，例如在以下情况中的一种或多种下，仅具有一个样品可能就 足够或甚至是有利的：
-当样品具有高密度和高原子序数时，该密度和原子序数足够高以具 有显著的能量沉积并测量核加热；和/或
-当难以通过微电子技术中的一种来沉积薄层以获得与合适的表面纹 理(表面充分抛光)相关的两个小厚度样品时；和/或
-当需要简化测量磁芯的安装时；和/或
-避免两个样品的组装形成接触热阻；和/或
-减轻测量芯的重量，并因此显著增加测量范围。
当只有单个样品时，除了不存在形成第二样品的第二材料层之外，上 述实施例和制造方法都适用。加热电阻器夹设在两层绝缘薄层之间，一方 面将加热电阻器与样品绝缘，并且另一方面保护加热电阻器。
相反，具有两个样品的测量芯提供以下优点：
-整体对称：实际上，加热元件位于由两个样品和两层电绝缘薄层组 成的组件的中心；
-样品中更好的热均匀性。
两个样品由相同的材料制成。其优选地具有相同的形式和相同的尺寸， 除了可以不同的长度或直径。其也具有相同的表面纹理。
作为对量热传感器的形状或尺寸和/或对气体的性质和/或传感器中气 体叶片的大小进行动作的替代或补充，可以对一个或多个样品的形状和尺 寸进行动作以控制传感器的灵敏度。
在所表示的所有实施例中，并且更一般地在本发明的上下文中，可以 在测量芯中添加补充层。
薄粘合层
可以在加热电阻器和至少一个绝缘薄层(电阻器所沉积在其上的绝缘 层)之间提供薄粘合层。粘合层的作用是将加热电阻器更好地粘合在绝缘 层上。粘合层的厚度必须非常小(几纳米)，以免破坏组装。该粘合层必须 具有与加热元件相同的形式。此外，根据材料的性质和沉积条件，可以在 一个或多个样品和一个或多个绝缘薄层之间沉积另一粘合层，以便将绝缘 薄层中的一个或多个更好地粘合在一个或多个样品上。粘合层例如可以是 钛层或钽层。
功能层
至少一个功能层可以被添加到测量芯。这可以是硼、镉、碳化硅(SiC) 和/或锂层。功能层的尺寸小于样品的尺寸，并且可以固定在样品上(例如 固定在样品的外面上)。例如，功能层可以具有与其他薄层相同数量级的厚 度。这种功能层可以：产生选择性特定相互作用，和/或转换粒子/辐射，和 /或放大核加热。
第一实施例(量热传感器)
图6A(纵向横截面图)和6B(3D视图)示出了根据第一实施例的量 热传感器。图6B表示有根据第一实施例构造的测量芯，但是其可以包括根 据其他实施例中的一个的测量芯或落入本发明范围内的任何其他测量芯。
为了形成量热传感器，测量芯结合在包含气体的护套中并且通过使用 也使得能够在测量芯和护套之间传递热量的多个间隔件将测量芯定中心保 持在所述护套中。
因此，所表示的测量传感器1包括：
-外护套11，其是不透流体护套；
-包含于护套中的气体12；
-结合在护套中的测量芯16；
-多个间隔件13，其联接芯和护套并且使得可以将所述芯保持、定位 甚至定中心于所述护套中；
-两个温度传感器：第一“热”温度传感器14以及第二“冷”温度传感器 15；
-连接线19A和19B(在两线和四线之间)，其联接到测量芯的加热 元件。
密封护套可以容纳和保护各种元件。此外，护套适于与传热流体直接 接触以释放热能。
护套尤其可以由铝、不锈钢或钛制成。
所表示的护套是平行六面体形式。护套的尺寸通常为几厘米，例如长 度约为三厘米，宽度约为两厘米，并且深度约为一厘米。然而，尺寸可以 减小并且更一般地在几毫米到几厘米(通常小于或等于三厘米)之间变化。 护套的壁的厚度例如为半毫米。
可替代地，护套可以呈圆柱形形式，这种形式更适合于核反应堆中的 大多数测量通道。在这种情况下，测量芯优选为圆柱形或半圆柱形，但平 行六面体形式可以是合适的。圆柱形护套可具有锥形端部以增强传热流体 在量热传感器周围的流动。
传感器的灵敏度可以通过根据气体的热导率选择气体的性质并因此通 过对气体叶片的热阻进行动作来调节。气体还可以避免传感器中的氧化。 气体可以是氦气、双氮、氩气或氙气。与大气压相比，气体可以加压到几 十毫巴。
第一温度传感器最靠近测量芯的中心并且使得可以测量所谓的“热”点 处的温度。第二温度传感器设置在(或结合在)护套中并且使得可以测量 所谓的“冷”点处的温度。在热点和冷点处进行的温度测量使得可以确定核 加热。
第一传感器可以是热电偶，例如K型或N型热电偶，其直径优选地介 于0.1mm和0.5mm之间。热电偶的材料可以是：Chromel(Ni-Cr)、Alumel (Ni-Al)、Nicrosil(Ni-Cr-Si)、Nisil(Ni-Si)。第一传感器最靠近加热元 件，并且优选地在几何上相对于加热元件的中心对齐。可替代地，如上述 变型实施例所示，第一传感器可由加热元件形成，该加热元件然后形成电 阻温度探头。
第二传感器可以是热电偶，例如K型或N型热电偶，其直径优选地介 于0.1mm和0.5mm之间。热电偶的材料可以是Chromel(Ni-Cr)、Alumel (Ni-Al)、Nicrosil(Ni-Cr-Si)、Nisil(Ni-Si)。第二传感器可以在几何上 相对于加热元件的中心对齐，在护套处测量温度，如图所示。该第二传感 器可以位于护套的壁的内面或外面上。
每个温度传感器均使用连接器(未示出)布线以将测量从测量芯传输 到中央采集单元。
温度传感器可以有利地是微热电偶，有线微热电偶或薄膜微热电偶。 这种传感器的直径(有线热电偶)或厚度(薄膜微热电偶)在测量点处约 为几微米。类似于传统热电偶的与直径的连接也是必要的以能够将测量从 测量芯传输到中央采集单元。微热电偶的小体量的优点是由于其侵入性更 小，因此对测量的干扰更小，尤其是在测量芯的尺寸与温度传感器的尺寸 相当的情况下。微热电偶定位于与传统热电偶相同的位置中：靠近加热元件并靠近护套。
加热电阻器使用线(在两线和四线之间)19A和19B布线，这些线穿 过护套11并且然后联接到连接器以将这些线连接到电源和中央采集单元。
间隔件可以是圆柱形杆(例如直径为1毫米)和/或平行六面体的形式。
优选地，间隔件由与样品的材料相同的材料制成，例如铝、不锈钢或 钛。除了其保持、定位和/或定中心功能之外，间隔件还被构造为在测量芯 和护套之间传递热量。因此，间隔件可以将尺寸选择为形成给定热阻并因 此是用于调整传感器灵敏度的参数。此外，寻求其厚度和尺寸可以不增加 寄生重量的间隔件。
间隔件中的全部或部分可以通过对样品的开孔形式由位于样品的四个 角部处的凸耳形成，如下文所述的图3和图7中所述，和/或由设置在护套 内部的尖刺形式形成。
第二实施例(量热传感器)
图7表示根据第二实施例的量热传感器，其中测量芯具有开孔形式， 如图3的测量芯16’。
所示的量热传感器1’不包括间隔件，测量芯16’使用两个开孔样品的凸 耳(总共八个凸耳)保持在护套11中。在这种情况下，热量主要是纵向传 导的。可以添加间隔件以横向/径向地传递热量和/或横向/径向地使测量芯 居中。
可替代地，仅样品的上部部分或下部部分，例如上部部分被开孔，并 且可以在下部部分下方添加间隔件。
所呈现的不同实施例、变体和示例性实施例可以以所有技术上可能的 组合进行组合。
此外，本发明不限于先前描述的实施例，而是扩展到落入权利要求范 围内的任何实施例。

Claims (23)

1.一种用于测量核反应堆中的核加热的测量芯(16、16’、16”、17)，所述芯沿纵向方向(X)延伸并具有主平面(XY)，所述测量芯至少包括：
-第一材料层，其形成第一样品(161、161’、161”、171)；
-第一电绝缘薄层(163、163”、173)，其设置在所述第一样品上；
-薄导电层，其形成设置于所述第一电绝缘层上的加热电阻器(164、164’、164”、174)；
-第二电绝缘薄层(165、165”、175)，其设置在所述加热电阻器上；
所述第一绝缘薄层在所述主平面中的尺寸与所述第一样品的尺寸相匹配；
所述电绝缘薄层被构造为使所述加热电阻器与所述样品绝缘并保护所述加热电阻器；以及
所述第一样品优选地在所述主平面中具有小于或等于约15毫米、甚至约10毫米的尺寸，和/或小于或等于10毫米、甚至更优选地小于或等于2毫米的厚度。
2.根据权利要求1所述的测量芯(16、16’、16”、17)，还包括：
-第二材料层，其形成第二样品(162、162’、162”、172)；所述第二电绝缘薄层位于所述加热电阻器和所述第二样品之间；
所述第二电绝缘薄层在所述主平面中的尺寸与所述第二样品的尺寸相匹配；
所述第二电绝缘层被构造为使所述加热电阻器与所述第二样品绝缘；
所述第二样品优选地在所述主平面中具有小于或等于约15毫米、甚至约10毫米的尺寸，和/或小于或等于10毫米、甚至更优选地小于或等于2毫米的厚度。
3.根据权利要求2所述的测量芯(16、16”、17)，所述第一样品(161、161”、171)的长度(L1)，分别为直径(Φ1)，大于第二样品(162,162”,172)的长度(L2)，分别为直径(Φ2)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的测量芯(16、16’、16”、17)，所述加热电阻器(164、164’、164”、174)包括由导电材料制成的轨道，所述轨道呈线圈、螺旋或曲折形式。
5.根据前述权利要求中任一项所述的测量芯(16、16’、16”、17)，所述加热电阻器(164、164’、164”、174)由铂、镍-铬合金，或康铜制成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的测量芯(16、16’、16”、17)，所述电绝缘薄层由氧化硅、氧化铝、氮化硅或氧化镁制成。
7.根据前述权利要求中任一项所述的测量芯(16、16’、16”、17)，所述一个或多个样品由石墨、不锈钢、铝或钛制成。
8.根据前述权利要求中任一项所述的测量芯(16、16’、16”、17)，所述一个或多个样品具有适合于通过薄层沉积技术沉积至少一个电绝缘薄层的表面纹理，例如镜面抛光表面纹理。
9.根据前述权利要求中任一项所述的测量芯，还包括位于所述加热电阻器和至少一个电绝缘薄层之间和/或位于至少一个样品和至少一个电绝缘薄层之间的至少一个粘合层。
10.根据前述权利要求中任一项所述的测量芯，还包括至少一个功能层，所述功能层可以是硼、镉、碳化硅(SiC)和/或锂层，所述功能层能够沉积在至少一个样品的外面上。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的测量芯(16、16’)，所述第一样品(161、161’)，并且如果合适的话所述第二样品(162、162’)，呈平行六面体形式，从而形成平行六面体芯。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的测量芯(17)，所述第一样品(171)，并且如果合适的话所述第二样品(172)，呈形成半圆柱形或圆柱形芯的半圆柱形形式，圆柱形长度在所述纵向方向(X)上延伸。
13.根据权利要求1至10中任一项所述的测量芯(16”)，所述第一样品(161”)，并且如果合适的话所述第二样品(162”)，呈圆盘形式，圆盘直径在所述纵向方向(X)上延伸。
14.根据前述权利要求中任一项所述的测量芯(16’)，至少一个样品(161’、162’)在至少一个上部部分和/或下部部分中开孔，以形成至少两个上凸耳(161A’、161B’、162A’、162B’)和/或至少两个下凸耳(161C’、161D’、162C’、162D’)。
15.根据权利要求14所述的测量芯(16’)，所述上凸耳定尺寸为容纳所述加热电阻器(164’)的连接元件(1641’、1642’)，所述上凸耳的宽度例如大于所述下凸耳。
16.根据前述权利要求中任一项所述的测量芯(16、16’、16”、17)，所述加热电阻器被构造为形成电阻温度探头，以测量包括温度测量热点的区域中的温度，所述加热电阻器然后联接到所述电阻器的测量装置，优选地通过四线电路。
17.一种用于测量核反应堆中的核加热的量热传感器(1,1’)，所述传感器包括：
-不透流体外护套(11)；
-包含于所述外护套中的气体(12)；
-根据权利要求1至16中任一项选择的测量芯(16、16’、16”、17)，所述芯设置在所述外护套中；
-联接装置(13、161A’、161B’、161C’、161D’、162A’、162B’、162C’、162D’)，其能够将所述测量芯保持在所述外护套中并在所述芯和所述外护套之间传递热量；
-温度测量装置(14、164、164’、164”、174、15)，其包括能够测量热点处的温度的第一温度测量装置(14、164、164’、164”、174)，所述第一温度测量装置优选地尽可能靠近所述测量芯的所述加热元件；以及能够测量冷点处的温度的第二温度测量装置(15)，所述第二温度测量装置优选地位于所述护套(11)的壁上。
18.根据权利要求17所述的量热传感器(1、1’)，所述温度测量装置(14、15)包括至少一个热电偶，优选地为有线微热电偶或薄膜微热电偶。
19.根据权利要求17或18所述的量热传感器(1、1’)，所述测量芯为根据权利要求16所选择的测量芯，所述第一温度测量装置由所述加热电阻器(164、164’、164”、174)形成。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的量热传感器(1、1’)，所述联接装置包括能够具有不同形式和材料的间隔件(13)。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的量热传感器(1、1’)，至少一个样品(161’、162’)在至少上部部分和/或下部部分中被开孔，以形成至少两个上凸耳(161A’、161B’、162A’、162B’)和/或至少两个下凸耳(161C’、161D’、162C’、162D’)，所述联接装置完全或部分由所述凸耳形成。
22.根据权利要求17至21中任一项所述的量热传感器(1、1’)，所述护套(11)由铝、不锈钢或钛制成。
23.根据权利要求17至22中任一项所述的量热传感器(1、1’)，所述护套(11)呈平行六面体形式或圆柱形形式，可能具有锥形端部以增强传热流体在所述量热传感器周围的流动。
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