專利名稱：基本為球形的多層結(jié)構(gòu)的非破壞性和無接觸的表征方法及相關(guān)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及用于為具有至少兩層的球形或基本上為球形的幾何形狀的多層結(jié)構(gòu)的非破壞性和無接觸的表征方法，比如特別是用于高溫反應(yīng)堆的核燃料顆粒。這些顆粒一般包括五層。在下文中，術(shù)語顆粒將指代這些多層結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
更具體地，根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及一種用于包括由分界面分開的至少兩層的基本上為球形幾何形狀的多層結(jié)構(gòu)的非破壞性和無接觸的表征方法。在用于高溫核反應(yīng)堆的核燃料顆粒的例子中，該核燃料顆粒包括裂變芯部，該裂變芯部涂有致密或多孔高溫碳層以及比如碳化硅或碳化鋯的陶瓷層。確定芯部和各層—— 該芯部和各層構(gòu)成燃料顆粒——的密度、厚度、泊松系數(shù)以及楊氏模量對(duì)于該燃料的質(zhì)量來說是非常重要的。最近，用于確定密度的方法是浮選法。在要表征的一組顆粒中取樣幾個(gè)控制顆粒。 切割各個(gè)顆粒，分離各層的塊以便執(zhí)行密度測量。這些塊被依次放置在液體中，塊的密度根據(jù)溫度而明顯地變化。然后，改變流體的溫度并注意在什么溫度下所述塊存在于“中層水中”。構(gòu)成塊的材料的密度對(duì)應(yīng)于所述溫度時(shí)的流體的密度。該方法具有使用有毒液體的缺點(diǎn)。此外，該表征方法較慢并引起對(duì)被表征顆粒的破壞。最后，由于各層的塊必須逐一地分離和識(shí)別，因此其應(yīng)用被證明是極其難控制的。該方法并沒有給出關(guān)于泊松系數(shù)和楊氏模量的任何信息。但是，能夠通過具有破壞性(比如微壓痕)并需要在逐個(gè)分離和識(shí)別的各層的塊上進(jìn)行測量的缺點(diǎn)的方法來估算這些系數(shù)。在這一背景中，本發(fā)明旨在提出一種可應(yīng)用于顆粒的表征方法，該方法沒有破壞性，不妨礙環(huán)境，快速應(yīng)用并允許在單個(gè)測量中獲得多個(gè)特征。

發(fā)明內(nèi)容
出于該目的，本發(fā)明涉及一種用于多層結(jié)構(gòu)的非破壞性和無接觸的表征方法，所述多層結(jié)構(gòu)具有包括由分界面分開的至少兩層的基本為球形的幾何形狀，該方法包括以下步驟-利用激光，在熱彈性條件下局部地加熱該結(jié)構(gòu)，將所述結(jié)構(gòu)以非破壞性的方式設(shè)為振動(dòng)；-測量該結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模式的共振頻率；-由該結(jié)構(gòu)的共振頻率推導(dǎo)出與結(jié)構(gòu)的完整性、或幾何形狀或機(jī)械特征有關(guān)的至少一個(gè)特征。該方法還可包括以下一個(gè)或多個(gè)特征，所述特征可單獨(dú)地考慮或根據(jù)所有技術(shù)上的可能進(jìn)行組合
-用光學(xué)測量裝置執(zhí)行共振頻率的測量，-光學(xué)測量裝置包括干涉測量裝置，-由共振頻率推斷結(jié)構(gòu)中是否存在裂縫，共振頻率存在于至少一個(gè)預(yù)定頻帶內(nèi)表征結(jié)構(gòu)中存在裂縫，所述或各預(yù)定頻帶中不存在的共振頻率表征結(jié)構(gòu)中不存在任何裂縫，-由結(jié)構(gòu)的共振頻率推斷至少一個(gè)層的至少一個(gè)尋求的幾何特征或機(jī)械特征，所述特征選自密度、厚度、楊氏模量和泊松系數(shù)，-所述尋求的幾何特征或機(jī)械特征由以下反演法推斷a/由用于所述層或各層的幾何特征和機(jī)械特征的理論值或測量值的相應(yīng)的組計(jì)算理論共振頻率，上述理論值或測量值包括所述尋求的幾何特征或各個(gè)尋求的幾何特征或機(jī)械特征的第一值，對(duì)于所述或各層，上述理論值或測量值的組包括密度、厚度、楊氏模量和泊松系數(shù)；b/計(jì)算理論共振頻率與測量的共振頻率之間的差值；c/通過迭代步驟a/、b/、和c/，直到在步驟b/中的計(jì)算差值小于預(yù)定極限并從理論值或測量值的相應(yīng)的組選擇用于所述的或各尋求特征的新值，-利用結(jié)構(gòu)的解析振動(dòng)模型在步驟a/計(jì)算理論共振頻率，-通過從測量的共振頻率通過反演所述結(jié)構(gòu)的線性振動(dòng)模型來計(jì)算用于尋求特征的理論初始值，初始化反演法，-在步驟c/中，利用結(jié)構(gòu)的線性振動(dòng)模型，由在步驟a/中考慮的所述或各尋求的幾何特征或機(jī)械特征的第一值以及由在步驟b/中計(jì)算的理論共振頻率與測量的共振頻率之間的差值，計(jì)算所述或各尋求特征的新值，-該結(jié)構(gòu)是包括芯部和圍繞芯部的至少兩層的核燃料顆粒，-核燃料顆粒由內(nèi)部至外部包括裂變材料芯部、一層多孔高溫碳、第一層致密高溫碳、陶瓷層和第二層致密高溫碳，尋求的幾何特征或機(jī)械特征包括選自多孔高溫碳層的楊氏模量、第一致密高溫碳層的楊氏模量、陶瓷層的楊氏模量和多孔高溫碳層的密度的特征中的至少兩個(gè)特征，-激光是強(qiáng)度調(diào)制激光，比如是發(fā)射能量在每個(gè)脈沖1μ J和ImJ之間的脈沖激光， 各脈沖具有在0. 5和50毫微秒之間的持續(xù)時(shí)間，-該方法包括以下步驟-測量由彈性波在各層之間的分界面處的反射引起的回波的周期；-由所述周期推斷與結(jié)構(gòu)的幾何形狀或機(jī)械特征相關(guān)的至少一個(gè)特征，根據(jù)所述層的厚度由回波的周期推斷彈性波在一個(gè)層內(nèi)的傳播速度，
根據(jù)傳播速度和所述層的密度確定所述層的楊氏模量。根據(jù)第二方面，本發(fā)明涉及一種適于應(yīng)用上述方法的用于表征多層結(jié)構(gòu)的設(shè)備， 該設(shè)備包括-激光，能夠在熱彈性條件下局部地加熱結(jié)構(gòu)，以非破壞性的方式使得結(jié)構(gòu)設(shè)為振動(dòng)；-用于測量結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模式的共振頻率的裝置；-由結(jié)構(gòu)的共振頻率推斷與結(jié)構(gòu)的完整性、或與幾何形狀或機(jī)械特征有關(guān)的至少一個(gè)特征的裝置。


從以下參照附圖給出的作為指示而絕非限制的詳細(xì)說明，將更好地理解本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1是示出用于高溫反應(yīng)堆的核燃料顆粒的示例性結(jié)構(gòu)的赤道附近的剖視示意圖；圖2是示出應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的表征方法的設(shè)備的示意圖；圖3示出在應(yīng)用本發(fā)明的方法期間為測量回波的周期而收集的試驗(yàn)信號(hào)；圖4示出在應(yīng)用本發(fā)明的方法期間為測量顆粒的振動(dòng)信號(hào)而收集的試驗(yàn)信號(hào)；圖5是由圖4的曲線推知的振動(dòng)波譜的圖示說明，示出被激發(fā)的顆粒的共振頻率；圖6是示出本發(fā)明的方法的主要步驟的步驟圖；以及，圖7是示出通過圖2的設(shè)備測量的共振頻率的圖示說明，用于具有張開裂縫的顆粒、具有非張開裂縫的顆粒以及完好的顆粒。
具體實(shí)施例方式張開裂縫是在多層結(jié)構(gòu)的外表面上張開的裂縫。非張開裂縫是不在多層結(jié)構(gòu)的外表面張開的裂縫，缺陷在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。圖1示意性地示出用于高溫或超高溫反應(yīng)堆(HTR/VHTR)的核燃料的顆粒1。通常地，該顆粒1為大致球形，并從內(nèi)部到外部連續(xù)地包括-裂變材料芯部2，例如基于UO2(可為其它類型的裂變材料，比如UC0，即UO2的和 UC2的混合物和/或其它裂變材料，比如基于钚、釷......的組合物)，-多孔高溫碳層3，-第一致密高溫碳層4，-碳化硅(或另一種陶瓷，比如碳化鋯)層5，以及-第二致密高溫碳層6。在利用這種顆粒時(shí)，多孔高溫碳用作用于裂變氣體的儲(chǔ)器，碳化硅用作阻止裂變產(chǎn)物擴(kuò)散的屏障，致密高溫碳確保碳化硅層的機(jī)械強(qiáng)度。芯部2，比如具有大約500 μ m的直徑，直徑可從100 μ m到1，000 μ m變化，層3、4、 5和6分別具有比如95、40、35和40 μ m的厚度?？梢钥闯?，在圖1中不能觀察到芯部2以及層3、4、5和6的相對(duì)尺寸。這些層，特別是高溫碳層3、4、6，比如通過應(yīng)用于具有流化床的加熱爐中的化學(xué)氣相沉積法沉積。圖2中示出的設(shè)備允許-檢測圖1示出的顆粒中的裂縫；-和/或芯部的和/或?qū)?至6之一的一個(gè)或多個(gè)幾何特征或機(jī)械特征的估算。隨后在下文中，“層”等同地表示芯部或圍繞芯部的層中的一個(gè)?？杀还浪愕膸缀翁卣骰驒C(jī)械特征是密度、厚度、泊松系數(shù)、楊氏模量。所述設(shè)備包括
-用于激發(fā)顆粒1的光學(xué)裝置7；-顆粒放置于其上的支承件8；-測量裝置9，其能夠檢測被裝置7激發(fā)的顆粒1的振動(dòng)，并能夠測量由裝置7激發(fā)的顆粒1的共振頻率；-計(jì)算裝置，用于由測量的共振頻率檢測可能的裂縫和/或用于估算尋求特征。設(shè)置支承件8以便在測量期間將顆粒1保持就位，同時(shí)最小化顆粒與支承件之間的接觸面積，以便不影響顆粒的振動(dòng)行為。優(yōu)選地，該接觸類似于點(diǎn)或是對(duì)應(yīng)于直徑較小的圓。優(yōu)選地，支承件8包括用于冷卻顆粒的裝置，使得熱不穩(wěn)定性不干擾測量。激發(fā)裝置7包括強(qiáng)度調(diào)制激光11。激光11發(fā)射持續(xù)時(shí)間非常短的脈沖，包含在 0. 5ns與50ns之間，比如為具有0. 9ns持續(xù)時(shí)間的脈沖。激光11在每次脈沖發(fā)射包含在1 μ J與ImJ之間的能量，比如5 μ J0激光11以包含在200nm與15，OOOnm之間的波長，比如具有值為1047nm的波長操作。裝置7包括允許從激光11發(fā)射到顆粒1并成形射束13的一組光學(xué)機(jī)械元件。激光11比如為Nd:YAG型。調(diào)整激光11以便局部地加熱顆粒1，使得后者在熱彈性條件下被激發(fā)。在圖1的燃料顆粒1的情況下，由激光11發(fā)射的能量以小于lGW/cm2的能量密度沉積。確實(shí)地，眾所周知，根據(jù)照射能量密度，顆粒1可在熱彈性條件下或在材料燒蝕條件下被激發(fā)。將能量密度限制在兩個(gè)條件之間取決于構(gòu)成顆粒1的材料。為了處于熱彈性條件下，即用于非破壞性測試，能量密度必須小于燒蝕閾值Is (以 W/cm2計(jì))，該閾值取決于材料此后的熱物理數(shù)據(jù)并由以下關(guān)系限定
權(quán)利要求
1.一種用于表征多層結(jié)構(gòu)(1)的非破壞性和無接觸方法，所述多層結(jié)構(gòu)基本上為球形幾何形狀，包括由分界面分開的至少兩層0、3、4、5、6)，所述方法包括以下步驟利用激光(11)，在熱彈性條件下局部地加熱所述結(jié)構(gòu)(1)，使得所述結(jié)構(gòu)(1)以非破壞性的方式被設(shè)成振動(dòng)；測量所述結(jié)構(gòu)(1)的振動(dòng)模式的共振頻率(Fraip)；由所述結(jié)構(gòu)(1)的所述共振頻率(Frap)推斷與所述結(jié)構(gòu)(1)的完整性、或幾何形狀或機(jī)械特性有關(guān)的至少一個(gè)特征。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表征方法，其特征在于，所述共振頻率(Fraip)的測量用光學(xué)測量裝置(9)執(zhí)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的表征方法，其特征在于，所述光學(xué)測量裝置(9)包括干涉測量裝置(17)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的表征方法，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)(1)內(nèi)存在或不存在裂縫由所述共振頻率(Frap)推斷，共振頻率(Frap)存在于至少一個(gè)預(yù)定頻帶(BIl至 BI5)內(nèi)表示所述結(jié)構(gòu)(1)中存在裂縫，共振頻率不存在于所述預(yù)定頻帶或每個(gè)預(yù)定頻帶中表示所述結(jié)構(gòu)(1)中不存在裂縫。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的表征方法，其特征在于，所述層(2、3、4、5、6)中至少一個(gè)的至少一個(gè)尋求的幾何特征或機(jī)械特征由所述結(jié)構(gòu)(1)的所述共振頻率(Fraip)推斷，所述至少一個(gè)尋求的幾何特征或機(jī)械特征從密度、厚度、楊氏模量和泊松系數(shù)中選擇。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的表征方法，其特征在于，所述尋求的幾何特征或機(jī)械特征通過以下反演法推斷a/由用于所述層或各層0、3、4、5、6)的所述幾何特征和機(jī)械特征的理論值或測量值的相應(yīng)的組計(jì)算理論共振頻率(F。al。)，所述理論值或測量值包括所述尋求的幾何特征或機(jī)械特征的或各尋求的幾何特征或機(jī)械特征的第一值，所述理論值或測量值的組對(duì)于所述層或各層(2、3、4、5、6)包括密度、厚度、楊氏模量和泊松系數(shù)；b/計(jì)算所述理論共振頻率(F。al。)與所述測量的共振頻率(Fraip)之間的偏差；c/通過迭代步驟a/、b/、和c/，直到在步驟b/計(jì)算的偏差小于預(yù)定極限(L)，并從理論值或測量值的相應(yīng)的組選擇用于所述尋求特征的或各尋求特征的新值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的表征方法，其特征在于，利用所述結(jié)構(gòu)(1)的解析振動(dòng)模型在步驟a/計(jì)算所述理論共振頻率(F。al。)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的表征方法，其特征在于，通過由測量的共振頻率(Fraip) 反演所述結(jié)構(gòu)(1)的線性振動(dòng)模型計(jì)算用于所述尋求特征的理論初始值，初始化所述反演法。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8中任一項(xiàng)所述的表征方法，其特征在于，在步驟c/中，利用所述結(jié)構(gòu)(1)的線性振動(dòng)模型，由在步驟a/中考慮的所述尋求的幾何特征或機(jī)械特征的或各尋求的幾何特征或機(jī)械特征的所述第一值以及由在步驟b/中計(jì)算的所述理論共振頻率(F。al。) 與所述測量的共振頻率(Frap)之間的偏差，計(jì)算所述尋求特征的或各尋求特征的所述新值。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的表征方法，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)(1)是一種核燃料顆粒，該核燃料顆粒包括芯部(2)和圍繞所述芯部O)的至少兩層(3、4、5、6)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的表征方法，其特征在于，所述核燃料顆粒(1)從內(nèi)部至外部包括裂變材料芯部O)、多孔高溫碳層(3)、第一致密高溫碳層G)、陶瓷層( 和第二致密高溫碳層(6)，所述尋求的幾何特征或機(jī)械特征包括選自所述多孔高溫碳層(3)的楊氏模量、所述第一致密高溫碳層(4)的楊氏模量、所述陶瓷層( 的楊氏模量和所述多孔高溫碳層(3)的密度的至少兩個(gè)特征。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的表征方法，其特征在于，所述激光(11)是強(qiáng)度調(diào)制激光，比如是傳送能量包含在每個(gè)脈沖1 μ J和ImJ之間的脈沖激光，各脈沖具有包含在0. 5和50毫微秒之間的持續(xù)時(shí)間。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的表征方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟測量由彈性波在所述層(2、3、4、5、6)之間的所述分界面處的反射引起的回波的周期； 由所述周期推斷與所述結(jié)構(gòu)(1)的所述幾何形狀或所述機(jī)械特征相關(guān)的至少一個(gè)特征。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的表征方法，其特征在于，由所述回波的所述周期根據(jù)所述層(2、3、4、5、6)的厚度推斷所述彈性波在所述層(2、3、4、5、6)的一個(gè)中的傳播速度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的表征方法，其特征在于，根據(jù)所述傳播速度和所述層(2、3、 4、5、6)的密度確定所述層(2、3、4、5、6)的楊氏模量。
16.一種用于表征多層結(jié)構(gòu)(1)的設(shè)備，所述沒備適于應(yīng)用根據(jù)權(quán)利要求1至15所述的方法，所述設(shè)備包括激光(11)，所述激光(11)能夠在熱彈性條件下局部地加熱所述結(jié)構(gòu)(1)，使得所述結(jié)構(gòu)(1)以非破壞性的方式被設(shè)成振動(dòng)；裝置(9)，所述裝置(9)用于測量所述結(jié)構(gòu)(1)的振動(dòng)模式的共振頻率(Fexp)； 裝置(19)，用于由所述結(jié)構(gòu)(1)的所述共振頻率(Frap)推斷與所述結(jié)構(gòu)(1)的完整性、 或所述幾何形狀或所述機(jī)械特征相關(guān)的至少一個(gè)特征。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于多層結(jié)構(gòu)(1)的非破壞性和無接觸的表征方法，多層結(jié)構(gòu)(1)具有基本上的球形并包括由分界面分開的至少兩層(2、3、4、5、6)，該方法包括以下步驟利用激光(11)在熱彈性狀態(tài)下局部地加熱結(jié)構(gòu)(1)，使得結(jié)構(gòu)(1)以非破壞性方式振動(dòng)；測量結(jié)構(gòu)(1)的振動(dòng)模式的共振頻率(Fexp)；由結(jié)構(gòu)(1)的共振頻率(Fexp)導(dǎo)出關(guān)于結(jié)構(gòu)(1)的完整性、或形狀或機(jī)械特征的至少一個(gè)特征。
文檔編號(hào)G01N25/72GK102317764SQ200980155831
公開日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2009年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月24日
發(fā)明者丹尼斯·穆尼耶, 朱利恩·邦謝, 艾哈邁德·阿姆齊亞內(nèi), 讓-馬克·布勒托 申請(qǐng)人:阿海琺核能公司