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Von fremden knergiequellen unabhängiger Neutronenmebfühler
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Ausscheidung aus Patentanmeldung P 27 24 515.8-vj Die Erfindung.
betrifft einen von fremden Energiequellen unabhängigen Neutronenmeßfühler für hohe
Temperaturen mit einem zylinderförmigen Emitter, der mit einem Anschlußteil versehen
ist, der an seiner Aubenfläche mittels einer metallurgischen Verbindung mit einem
abgewinkelten Abschnitt eines Meßinnenleiters einer Mantelmeßleitung verbunden ist.
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Ein derartiger Neutronenmeßfühler ist aus der GB-PS 1 357 579 bekannt.
Der Neutronenmeßfahler kann einen langsam ansprechenden Emitter, in dem eine (N,ß)-Heaktion
abläuft, oder einen prompt ansprechenden Emitter, der durch Neutronen zur Emission
von t-Strahlen angeregt wird, enthalten. Ein derartiger Neutronenmeßfühler ist für
wassergekühlte Kernreaktoren mit Arbeitstemperaturen bis etwa 4000C bestimmt. Bei
höheren Arbeitstemperaturen, die in ilochtemperatur-hernreaktoren auftreten, ergeben
sich hohe thermische spannungen und Wechselbelastungen,
die insbesondere
die elektrische Verbindung zwischen emitter und Meßinnenleiter beeinträchtigen.
Diese Verbindung zwischen Keßinnenleiter und Emitter, die durch Hartlöten, Schweißen
oder tiuetschen hergestellt ist, erweist sich dieser hohen belastung nicht gewachsen.
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Auch die Ausführung dieser Verbindung durch AnschweiLen oder Verlöten
nach der Db-AS 20 47 593 erweist sich als nicht ausreichend.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen fleutronenmeßfühler der eingangs
genannten Art zu schaffen, der trotz der aus neutronenphysikalischen Gründen notwendigen
Verwendung verschiedener Werkstoffe hohe Betriebstemperaturen und starke thermische
Wechaelbelastungen aushält.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die lZiantelmeßleitung,
der Isolierzylinder, der Anschlußstift und der Emitter durch eine keramische Isolierhaube
umhüllt sind und daß die gesamte Anordnung durch einen zylindrischen Kollektor mit
einem stirnseitigen dichten Abschluß abgeschlossen ist.
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Durch diese Konstruktion ist eine gekapselte und abgeschlossene Ausführungsform
des Hochtemperatur-Iieutronenfühlers gegeben, die besonders stabil ist und sich
daher für alle Anwendungen besonders eignet.
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Eine Ausführungaform der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme
auf die anliegende Zeichnung erläutert, die einen Schnitt durch einen Hochtemperatur-Neutronenfühler
nach der Erfindung darstellt.
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Der Hochtemperatur-Neutronenfühler sitzt an einer tqantelmeßleitung
1, die einen Mantelleiter 2 und zwei Innenleiter 3 und 4 umfaßt, von denen der eine
als Kompensationsleiter 3 und der andere als keßinnenleiter 4 benutzt wird. Die
Leiter bestehen aus einer unter der Bezeichnung "Inconel" bekannten Nickel-Chrom-Legierung,
die sich durch große Hitze- und Korrosionsbeständigkeit auszeichnet und für Neutronenfühler
geeignet ist.
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Die t1antelmeßleitung 1 enthält außerdem Isolierungen aus Magnesiumoxid.
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ei einem AusführungsbeisI>iel der Erfindung hat der Mantelleiter
2 einen Außendurchmesser von 2,0 mm und eine Wandstärke von 0,24 mm. Der Durchmesser
der Innenleiter 3 und 4 beträgt mm. mm. Die Lanaie der antelmeßleitunp hängt selbstverständlich
von den vorgesehenen Einbaubedingungen ab und kann einige rieter betragen. In der
Figur ist lediglich das Endstück der PbiantelmeLleitung 1 dargestellt, auf das der
eigentliche Neutronenmeßfühler aufgebaut ist. Das ge;enüberliegende Ende der ivlantelmeßleitung
ist mit einer Steckverbindung ausgestattet, die einen Anschluß an weitere elektrische
Schaltkreise ermöglicht.
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Am Anschlußende ist der Mantelleiter 2 auf eine Länge von ca.
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Du mm entfernt. Der Kompensationsleiter ) steht mit einem Endstück
3' von ca. 5 mm Lange über den .lantelleiter 2 vor. Der t'eßinnenleiter 4 steht
mit einem Endstück 4' von den genannten 50 mm Lange über den Mantelleiter 2 vor
und wird beim Zusammenbau in weiter unten beschriebener eise behandelt.
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Auf den fiantelleiter 2 ist ein Zwischenstück 5 aufgeschoben, das
etwa 20 mm lang ist und im Innendurchmesser stufenförmig abgesetzt ist. Der Außendurchmesser
beträgt einheitlich 3,1 mm und entspricht dem Innendurchmesser eines Kollektors
6. Dieses Zwischenstück dient zur leitenden Überbrückung zwischen dem Mantelleiter
2 und dem Kollektor 6. Das Zwischenstück 5 sitzt passend auf dem Fiantelleiter 2,
wobei das Ende mit dem kleineren Innendurchmesser gegen das Ende des Mantelleiters
2 hinweist. Das Zwischenstück 5 ist durch eine Rundnahtschweißung 7 dicht mit dem
blantelleiter 2 verbunden. Das Zwischenstück 5 besteht ebenfalls aus der genannten
Nickel-Chrom-Legierung.
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Ein Isolierzylinder 8 aus reinem Aluminiumoxid hat einen Außendurchmesser
von 2,2 mm und eine Länge von 3 mm. Es handelt sich bei diesem Isolierzylinder 8
um einen Keramikteil.
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In diesem Isolierzylinder 8 sind zwei Bohrungen 9 mit einem Durchmesser
von 0,5 mm vorhanden. Die Bohrungen dienen zur Führung der Innenleiter, wobei das
Endstück 3' des Kompensationsleiters 7 in der einen Bohrung 9 endigt und das h'ndstück
4' des
Meßinnenleitsrs 4 durch die andere bohrung hindurchragt.
ber Isolierzylinder 8 steht auf deu antelleiter 2 auf und dient damit auch als Abstandhalter.
Als Meßkörper ist ein emitter 1U in Zylinderform vorgesehen. Dieser emitter besteht
aus Vanadium, das eine verzögerte Neutronenanzeige liefert. Der Emitter hat einen
burchmesser von 2 mm und eine Länge von 200 mm. Am Anschlußende des Emitters befindet
sich eine 3,5 mm tiefe axiale bohrung 11 mit einem Durchmesser von 1,0 mm. Diese
Bohrung 11 wird durch eine vuerbohrung 12 gekreuzt, deren lenden kegelförmige Erweiterungen
13 aufweisen. Die elektrische Verbindung des imitters 10 mit dem Aleßinnenleiter
4 erfolgt mit hilfe eines zylindrischen stiftförmigen Anschlußteils 14, der an dem
Anschlußende eine Kegelspitze 15 aufweist. Der Anschlußteil ist 11 mm lang, hat
einen burchmesser von 1,0 mm und besteht ebenfalls aus der bereits genannten Nickel-Chrom-Legierung.
Das stumpfe Ende des Anschlußteils 14 findet in der bohrung 11 des e.mitters 10
Aufnahme. Innernalb dieses Endes ist eine uerbohrung 16 mit einem Durchmesser von
u,4 mm vorgesenen, die mit der querbohrung 12 des Emitters 10 fluchtet. Etwa in
der mitte des Anschlußteils, genau in einem Abstand von 6 mm von dem stumpfen Ende,
befindet sich eine weitere Querbohrung 17.
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Durch die miteinander fluchtenden Querbohrungen 12 und 16 des Emitters
10 und des Anschlußteils 14 reicht ein stiftförmiger Keil 18 aus der genannten i':ickel-Chrom-tegierung.
Dieser Keil besitzt an einer Seite einen Kopf und ist an der gegenüberliegenden
Seite durch mechanische Bearbeitung nach Art eines Nietkopfes verformt, so daß der
Keil formschlüsssig in den Querbohrungen 16 und 12 sitzt und dadurch eine mechanisch
und elektrisch sichere Verbindung zwischen dem Emitter 10 und dem Anschubteil 14
gewährleistet. Die äegelförmigen Erweiterungen 13 der Querbohrung 12 stellen eine
einwandfreie Aufnahme der hietköpfe des Keils 18 sicher.
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Das Ende 4' des .leßinnenleiters ist als Schraubenwicklun 1 um den
Anschlußteil 14 gewickelt, mit einem abgewinkelten
Abschnitt 20
durch die Querbohrung 17 geführt und mit einem Endabschnitt 21 in Achsricntung des
Anschlußteils 14 abgebogen und an die Außenfläche des Anschlußteils 14 angelegt.
mehrere Laser-Punktschweibstellen 22 stellen eine mechanische und elektrische Verbindung
zwischen dem Endabschnitt 21 und dem Anschlußteil 14 sicher. Da der Anschlußteil
14 und der Meßinnenleiter 4 aus dem gleichen werkstoff bestehen, haben diese Stoffe
gleiche Warmoausdehnunsoeffizienten, so daß der abgewinkelte pndabschnitt 21 des
eßinnenleiters 4 gegenüber dem Anschlußteil 14 keine Verschiebunz erleidet. Infolgedessen
ergeben sich für die Punktschweißstellen 22 keine mechanischen Belastungen durch
lemperaturbeanspruchungen. Damit entfällt jede Scherbeanspruchung der Punktschweißstellen.
Infolgedessen sind diese Punktschweißstellen sehr dauerhaft und gewährleisten eine
einwandfreie mechanische und elektrische Verbindung. twa auftretende Uärmedehnungen
werden durch Dehnungen und Verschiebutzen der Schraubenwicklun 19 aufgenommen. In
diesem bereich ist eine un<-ehinderte Dehnung möglich. Damit werden nicht vermeidbare
Wärmedehnunaen und Verschiebungen des Meßinnenleiters gegenüber den übrigen zeilen
des iieutronenmeßfühlers von den Punktschweidstellen 22 völlig ferngehalten, so
daß dieselben entlastet sind.
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Line Isolierhaube 23 in Form einer festen Keramik aus reinem Aluminiumoxid
mit einem Innendurchmesser von 2,3 mm und einem Außendurchmesser von 2,9 mm ist
220 mm lang und umschließt den t'mitter 10, den Anschlußteil 14 sowie den Isolierzylinder
8 und reicht über den Endabschnitt des Mantelleiters 2.
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Der Kollektor 6 ist ein zylindrischer Körper mit einem Außendurchmesser
von t,,'t, mm, einem Innendurchmesser von 3,1 mm und einer Länge von 240 mm; er
besteht ebenfalls aus der bereits genannten Mickel-Chrom-Legierung. Der Kollektor
6 sitzt auf dem Zwischenstück 5 auf und ist durch eine Schweißnaht 24 fest mit dem
Zwischenstück 5 verbunden. Das Stirnende ist durch einen
Deckel
25 mit einer ittelbohrung 26 abgeschlossen. Die Hittelbohrung 26 nimmt einen Stopfen
27 auf. Jeweils durch Schweißnähte 28 und 29 ist eine einwandfreie Abdichtung gewährleistet.
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Der Deckel 25 und der Stopfen 27 bestehen ebenfalls aus der genannten
Wickel-Chrom-Legierung.
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Der Zusammenbau der Einzelteile des Neutronenmeßfühlers ist bereits
vorstehend teilweise erläutert. Die Einzelteile werden jeweils sorgfältig gereinigt
und ausgeheizt. Nachdem der Isolierzylinder 8 mit der iiiantelmeßleitung 1 und der
Anschlußteil 14 mit dem Emitter 10 verbunden ist, wird das knde 4' des Meßinnenleiters
durch die bohrung 17 gesteckt, so daß ca. 5 mm für den abgewinkelten Abschnitt 20
herausragen. Die Schraubenwicklung 19 wird sodann fest auf den Anschlußteil 14 aufgewickelt.
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Die Wicklung wird so lange fortgesetzt, bis die Kegelspitze 15 des
Anschlußteils 14 an dem Isolierzylinder 8 ansteht und diesen gegen den Mantelleiter
2 drückt. Sodann wird der Abschnitt 20 des Meßinnenleiters in Achsrichtung des Anschlußteils
14 abgebogen und durch die Punktschweißstellen 22 festgelegt.
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Nach Aufsetzen der Isolierhaube 23 und des Kollektors 6 mit dem Deckel
25 sowie nach Fertigstellung der Schweißnähte 24 und 28 wird die Anordnung sorgfältig
ausgeheizt. Dann wird die Mittelbohrung 26 durch den Stopfen 27 abgeschlossen und
durch eine weitere Schweißnaht 29 hermetisch abgedichtet. Damit ist der Neutronenmeßfühler
fertiggestellt.
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Der Wärmeausdehnungekoeffizient der Nickel-Chrom-Legierung ist etwa
doppelt so groß wie derjenige von Vanadium. Infolgedessen können im Hochtemperaturbetrieb
und insbesondere bei Temperaturwechselbeanspruchungen erhebliche Wärmespannungen
auftreten. Diese werden jedoch ohne Schwierigkeiten durch die Schraubenwicklung
19 aufgefangen, so daß die Punktschweißstellen 22 von Wärmedehnungen völlig entlastet
sind. Infolgedessen hat der Hochtemperatur-Neutronenmeßfühler eine lange Lebensdauer.
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Der Emitter 10 kann selbstverständlich auch aus einem anderen Werkstoff
als Vanadium bestehen. Der Emitter kann aus einem anderen Werkstoff bestehen, in
dem eine (N,ß)-Reaktion abläuft.
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[ian kann auch einen Werkstoff verwenden, in den eine (N,γ)-Reaktion
induziert werden kann.