Characterisation of SiPM Photon Emission in the Dark

In this paper, we report on the photon emission of Silicon Photomultipliers (SiPMs) from avalanche pulses generated in dark conditions, with the main objective of better understanding the associated systematics for next-generation, large area, SiPM-based physics experiments. A new apparatus for spectral and imaging analysis was developed at TRIUMF and used to measure the light emitted by the two SiPMs considered as photo-sensor candidates for the nEXO neutrinoless double-beta decay experiment: one Fondazione Bruno Kessler (FBK) VUV-HD Low Field (LF) Low After Pulse (Low AP) (VUV-HD3) SiPM and one Hamamatsu Photonics K.K. (HPK) VUV4 Multi-Pixel Photon Counter (MPPC). Spectral measurements of their light emissions were taken with varying over-voltage in the wavelength range of 450–1020 nm. For the FBK VUV-HD3, at an over-voltage of 12.1±1.0 V, we measured a secondary photon yield (number of photons (γ) emitted per charge carrier (e−)) of (4.04±0.02)×10−6γ/e−. The emission spectrum of the FBK VUV-HD3 contains an interference pattern consistent with thin-film interference. Additionally, emission microscopy images (EMMIs) of the FBK VUV-HD3 show a small number of highly localized regions with increased light intensity (hotspots) randomly distributed over the SiPM surface area. For the HPK VUV4 MPPC, at an over-voltage of 10.7±1.0 V, we measured a secondary photon yield of (8.71±0.04)×10−6γ/e−. In contrast to the FBK VUV-HD3, the emission spectra of the HPK VUV4 did not show an interference pattern—likely due to a thinner surface coating. The EMMIs of the HPK VUV4 also revealed a larger number of hotspots compared to the FBK VUV-HD3, especially in one of the corners of the device. The photon yield reported in this paper may be limited if compared with the one reported in previous studies due to the measurement wavelength range, which is only up to 1020 nm

Etude d'une méthode ultrasonore d'estimation des températures locales du sodium liquide en sortie cœur RNR-Na

In the frame of research on Sodium cooled Fast nuclear Reactor (SFR), CEA aims to develop an innovative instrumentation, specific to these reactors. The present work relates to the measurement of the sodium temperature at the outlet of the assemblies of the reactor's core by an ultrasonic method. This instrumentation involves the propagation of ultrasonic waves in liquid sodium, thermally inhomogeneous and turbulent. Environment causes deviations of the acoustic beam that must be understood to predict and quantify to consider ultrasound as a measure means in a core of SFR reactor. To determine the magnitude of these influences, a code named AcRaLiS (Acoustic Ray in Liquid Sodium) has been implemented. In a first step, a thermal-hydraulic study specific to the medium, was conducted to provide an adequate description of the environment and choose a suitable acoustic propagation model. Then an implementation has been performed to allow rapid simulations of the wave propagation at several megahertz in this particular environment. This code provides ultrasounds deviations and changes in beam intensity.Two experiments were designed and conducted to verify the code. The first, named UPSilon innovates by replacing sodium by silicone oil in order to have a stable thermal inhomogeneity during the experiment. It allows to determine the validity of the code AcRaLiS with thermal inhomogeneities. The second, called IKHAR allows to study the influence of water turbulence on the propagation of waves, using the Kelvin-Helmholtz instabilities. Conclusions and perspectives are presented, including perspectives for other application domains.Dans le cadre des recherches menées sur les SFR (Sodium cooled Fast Reactor), le CEA souhaite développer une instrumentation innovante et spécifique à ces réacteurs. Le travail présenté concerne la mesure par ultrasons, de la température du sodium à la sortie des têtes des assemblages du coeur du réacteur. Cette instrumentation implique la propagation d'ultrasons dans du sodium liquide, thermiquement inhomogène et turbulent. Le milieu provoque des déviations du faisceau acoustique qu'il faut prévoir et quantifier pour envisager d'employer les ultrasons comme moyen de mesure dans un coeur de réacteur SFR. Pour cela un code nommé AcRaLiS (Acoustic Ray in Liquid Sodium) a été implémenté. Une étude thermo-hydraulique précise du sodium a tout d'abord été menée afin de proposer une description adaptée du milieu et de choisir le modèle de propagation acoustique adéquat. Puis une implémentation a été réalisée afin de permettre la simulation rapide de la propagation d'ondes de plusieurs mégahertz dans ce milieu particulier. Ce code prévoit les déviations et l'évolution de l'intensité du faisceau acoustique. Deux expériences ont ensuite été conçues et réalisées pour vérifier ce code. La première, nommée UPSilon, innove en remplaçant le sodium par de l'huile de silicone afin d'avoir une inhomogénéité thermique stable pendant l'expérience. Elle permet de déterminer la validité du code AcRaLiS dans des inhomogénéités thermiques. La seconde, nommée IKHAR, permet d'étudier en eau l'influence de la turbulence sur la propagation d'ondes, en exploitant les instabilités de Kelvin-Helmholtz. Les conclusions et les perspectives sont présentées en élargissant à d'autres domaines d'application

Study of an ultrasonic method of estimating local temperatures of liquid sodium at the output of the core of SFRs

Dans le cadre des recherches menées sur les SFR (Sodium cooled Fast Reactor), le CEA souhaite développer une instrumentation innovante et spécifique à ces réacteurs. Le travail présenté concerne la mesure par ultrasons, de la température du sodium à la sortie des têtes des assemblages du coeur du réacteur. Cette instrumentation implique la propagation d'ultrasons dans du sodium liquide, thermiquement inhomogène et turbulent. Le milieu provoque des déviations du faisceau acoustique qu'il faut prévoir et quantifier pour envisager d'employer les ultrasons comme moyen de mesure dans un coeur de réacteur SFR.Pour cela un code nommé AcRaLiS (Acoustic Ray in Liquid Sodium) a été implémenté. Une étude thermo-hydraulique précise du sodium a tout d'abord été menée afin de proposer une description adaptée du milieu et de choisir le modèle de propagation acoustique adéquat. Puis une implémentation a été réalisée afin de permettre la simulation rapide de la propagation d'ondes de plusieurs mégahertz dans ce milieu particulier. Ce code prévoit les déviations et l'évolution de l'intensité du faisceau acoustique. Deux expériences ont ensuite été conçues et réalisées pour vérifier ce code. La première, nommée UPSilon, innove en remplaçant le sodium par de l'huile de silicone afin d'avoir une inhomogénéité thermique stable pendant l'expérience. Elle permet de déterminer la validité du code AcRaLiS dans des inhomogénéités thermiques. La seconde, nommée IKHAR, permet d'étudier en eau l'influence de la turbulence sur la propagation d'ondes, en exploitant les instabilités de Kelvin-Helmholtz. Les conclusions et les perspectives sont présentées en élargissant à d'autres domaines d'application.In the frame of research on Sodium cooled Fast nuclear Reactor (SFR), CEA aims to develop an innovative instrumentation, specific to these reactors. The present work relates to the measurement of the sodium temperature at the outlet of the assemblies of the reactor's core by an ultrasonic method. This instrumentation involves the propagation of ultrasonic waves in liquid sodium, thermally inhomogeneous and turbulent. Environment causes deviations of the acoustic beam that must be understood to predict and quantify to consider ultrasound as a measure means in a core of SFR reactor. To determine the magnitude of these influences, a code named AcRaLiS (Acoustic Ray in Liquid Sodium) has been implemented. In a first step, a thermal-hydraulic study specific to the medium, was conducted to provide an adequate description of the environment and choose a suitable acoustic propagation model. Then an implementation has been performed to allow rapid simulations of the wave propagation at several megahertz in this particular environment. This code provides ultrasounds deviations and changes in beam intensity.Two experiments were designed and conducted to verify the code. The first, named UPSilon innovates by replacing sodium by silicone oil in order to have a stable thermal inhomogeneity during the experiment. It allows to determine the validity of the code AcRaLiS with thermal inhomogeneities. The second, called IKHAR allows to study the influence of water turbulence on the propagation of waves, using the Kelvin-Helmholtz instabilities. Conclusions and perspectives are presented, including perspectives for other application domains

Ultrasonic thermometry simulation in a random fluctuating medium: Evidence of the acoustic signature of a one-percent temperature difference

International audienceWe study the development potential of ultrasonic thermometry in a liquid fluctuating sodium environment similar to that present in a Sodium-cooled Fast Reactor, and thus investigate if and how ultrasonic thermometry could be used to monitor the sodium flow at the outlet of the reactor core. In particular we study if small temperature variations in the sodium flow of e.g. about 1% of the sodium temperature, i.e., about 5°C, can have a reliably-measurable acoustic signature. Since to our knowledge no experimental setups are available for such a study, and considering the practical difficulties of experimentation in sodium, we resort to a numerical technique for full wave propagation called the spectral-element method, which is a highly accurate finite-element method owing to the high-degree basis functions it uses. We obtain clear time-of-flight variations in the case of a small temperature difference of one percent in the case of a static temperature gradient as well as in the presence of a random fluctuation of the temperature field in the turbulent flow. The numerical simulations underline the potential of ultrasonic thermometry in such a context

Innovating for Structural Adhesive Bonding Evaluation and Analysis with Ultrasounds : A Summary.

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Innovating for Structural Adhesive Bonding Evaluation and Analysis with Ultrasounds : A Summary.

Innovating for Structural Adhesive Bonding Evaluation and Analysis with Ultrasound

Simulation numérique de la mesure de température par méthode ultrasonore dans un milieu représentatif du coeur de RNR Na

La loi française sur la gestion durable des déchets et matières radioactives est à l’origine d’étude concernant les réacteur nucléaires de nouvelle génération basé sur la technologie sodium. Les difficultés liées à l’expérimentation en sodium encouragent le développement d’outils numériques pour les études autour de cette technologie. En particulier, le développement des techniques numériques ouvre des perspectives intéressantes pour l’étude des méthodes d’instrumentation et de monitoring (SHM) basées sur l’acoustique. L’objectif du travail présenté est de réaliser une modélisation de la propagation acoustique dans le milieu sodium liquide dans des conditions similaires à celles présentes dans un réacteur à neutrons rapides à caloporteur sodium. Pour cela, nous étudions les aspects numériques liés à l’utilisation du code de simulation SPECFEM, initialement dédié à la propagation des ondes sismiques dans des configurations quelconques 1D, 2D ou 3D. Dans notre cas d’étude, les échelles de résolution sont très différentes de celles utilisées pour les ondes sismiques. Les données utilisées pour ce travail sont issues d’essais simulant les caractéristiques thermo-hydrauliques de la sortie de cœur de RNR Na. Le comportement des ondes sonores dans les métaux liquides est étudié depuis les années 1970. Le cas du sodium a par exemple été traité en 1971 par Leibowitz, Chasanov et Blomquist qui ont établi une relation entre célérité acoustique et température. La mesure du temps de vol d’une onde ultrasonore, en supposant la géométrie du domaine connue, permet de remonter à la température du milieu et de surveiller ainsi le fonctionnement nominal d’un réacteur. Après une validation de l’échelle de l’étude et du choix de maillage adéquat, nous montrons qu’il est possible numériquement d’étudier l’influence de la prise en compte des gradients de température présents dans le milieu étudié avec SPECFEM. En conclusion nous discutons sur l’écart de température minimum théoriquement détectable. Nous élargissons la discussion aux facteurs qui réduiraient cette valeur théorique et aux pistes qui sont envisagées pour réduire ces facteurs ou pour les prendre en compte dans les développements futurs

Controlled reduced-strength epoxy-aluminium joints validated by ultrasonic and mechanical measurements

International audienceIn this study a series of joint systems, consisting of aluminium substrates bonded using an epoxy adhesive, were produced. Several levels of adhesion were achieved by altering the substrate surface treatment and the curing cycle of the adhesive. The goal of this study was to produce reduced-strength epoxy-aluminium joints that could be used as reference samples for ultrasonic non-destructive testing (NDT) studies. There is clearly a continuing challenge to improve the quality of the adhesively-bonded joint inspection to ensure the durability of the bonds, to monitor repairs, and to evaluate the strength of the bonds. However, developing and qualifying innovative or advanced non-destructive testing requires an essential preliminary step: a method for repeatedly producing reduced-strength bonded test specimens must be developed. In this study, in addition to a rigorous protocol to produce bonded joints, complementary ultrasonic CSCAN were realised to validate the homogeneity of the joints and to ensure that samples met all requirements so as to be considered as reference samples. Mechanical tests were performed to evaluate the mechanical strength of each joint and Acoustic Emission (AE) was used during the tests in order to confirm the expected fracture mechanisms

STUDY OF ULTRASONIC PROPAGATION THROUGH VORTICES FOR ACOUSTIC MONITORING OF HIGH-TEMPERATURE AND TURBULENT FLUID

International audienceUltrasonic monitoring in high temperature fluids with turbulences requires the knowledge of wave propagation in such media and the development of simulation tools. Applications could be the monitoring of sodium-cooled fast reactors. The objectives are mainly acoustic telemetry and thermometry, which involve the propagation of ultrasounds in turbulent and heated sodium flows. We developed a ray-tracing model to simulate the wave propagation and to determine wave deviations and delays due to an inhomogeneous medium. In previous work we demonstrated the sensitivity of ultrasounds to temperature gradients in liquid sodium. To complete that study, we need to investigate the sensitivity of ultrasounds to vortices created in a moving fluid. We designed a specific experimental setup called IKHAR (Instabilities of Kelvin-Helmholtz for Acoustic Research) in order to assess the validity of the ray-tracing model and the potential of ultrasounds for monitoring such fluid. In this experiment, Von Karman instabilities were created in a flow of water. Fluid temperature was homogeneous in our experimental setup. Through a careful choice of the parameters, periodic vortices were generated. The experiment was also simulated using Comsol ® to allow discussion about repeatability. The throughtransmission method was used to measure wave delays due to the vortices. Arrays of transducers were used to measure time of flight variations of several nanoseconds with a high spatial resolution. Results were similar to simulation results. They demonstrate that beam delays due to vortices can be measured and confirm the potential of ultrasounds in monitoring very inhomogeneous fluid media such as liquid sodium used as coolant fluid in nuclear fast reactors

Acoustic waves: a route to enhance sodium fast reactor safety

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