Laser-aquecimento e espectrometria da Radiance, para o estudo de materiais nucleares em condições, simulando um acidente nuclear

Summary

Apresentamos as experiências em que combustível nuclear real, revestimento e materiais de contenção são laser aquecido a temperaturas além de 3.000 K, enquanto que seu comportamento é estudado por espectroscopia de esplendor e análise térmica. Estas experiências simulam, em uma escala de laboratório, a formação de uma lava-fase após um colapso de núcleo do reator nuclear.

Abstract

Grandes e graves acidentes ocorreram três vezes em usinas de energia nuclear (NPP), em Three Mile Island (EUA, 1979), Chernobyl (ex-URSS, 1986) e Fukushima (Japão, 2011). Pesquisa sobre as causas, dinâmica e consequências desses percalços foi realizada em alguns laboratórios em todo o mundo nas últimas três décadas. Objetivos comuns de tais atividades de pesquisa são: a prevenção destes tipos de acidentes, tanto em existentes e potenciais novas usinas nucleares; a minimização das suas eventuais consequências; e, finalmente, um completo entendimento dos riscos reais relacionados com centrais nucleares. Do Europeu Comissão centro comum de investigação Instituto de elementos transuranianos, uma instalação de spectro-pirometria brilho do laser-aquecimento e rápido é usada para a simulação de laboratório, em pequena escala, da fusão de núcleo do NPP, o tipo mais comum de graves acidente (SA) que pode ocorrer em um reator nuclear em consequência de uma falha do sistema de arrefecimento. Esta ferramenta de simulação permite medições de alta temperatura rápidas e eficazes na real nucleares materiais, tais como o plutónio e fissão de contendo actinídeos menores amostras de combustível. A este respeito e na sua capacidade de produzir grande quantidade de dados relativos aos materiais sob condições extremas, a atual abordagem experimental é certamente única. Para conceitos atuais e futuros de NPP, resultados de exemplo são apresentados no comportamento de derretimento de alguns tipos diferentes de combustíveis nucleares: óxidos de urânio-plutônio, carbonetos e nitretos. Resultados sobre a interação de alta temperatura de combustíveis de óxido com materiais de contenção são mostrados também brevemente.

Introduction

Apesar de fissão nuclear em geral é apresentado como uma fonte de energia em grande escala, praticamente inesgotável promissor, sua aceitação pública completa ainda está parada por algum segurança e os riscos de salvaguarda. A abordagem experimental apresentado no presente trabalho visa responder a algumas perguntas fundamentais de ciência de materiais relacionados com um desses riscos, a ocorrência de acidentes graves (SAs), levando ao colapso do núcleo de uma usina nuclear (NPP). Isso pode resultar em um possível lançamento de material altamente radioativo no ambiente, com graves consequências, tanto para a saúde das pessoas e a economia do país. Major SAs desse tipo ocorreram três vezes em centrais nucleares, em Three Mile Island (EUA, 1979), Chernobyl (ex-URSS, 1986) e Fukushima (Japão, 2011). Daí, NPP SAs são o foco da pesquisa considerável em algumas instalações em todo o mundo, abrangendo muitos fenômenos desafiadoras e complicada por temperaturas muito elevadas (muitas vezes superior a 3.000 K) e a presença de materiais radioativos.

Nesse cenário, uma recente directiva pelo Conselho Europeu¹ requer países da UE para dar a máxima prioridade à segurança nuclear em todas as fases do ciclo de vida de uma usina nuclear. Isso inclui realizando avaliações de segurança antes da construção de novas usinas nucleares e também garantindo a aprimoramentos de segurança significativa para reactores velhos.

Neste contexto, foi implementada uma atmosfera controlada, laser-aquecimento e rápido radiância spectro-pirometria facilidade^2,3,4 na Comissão Europeia Instituto do centro comum de investigação para Elementos transuranianos para a simulação de laboratório, em pequena escala, da central nuclear de vazamento. Devido o tamanho de amostra limitada (tipicamente em um cm-0.1 g-escala e) e a eficiência elevada e natureza remota de aquecimento do laser, esta abordagem permite rápida e eficaz das medições de alta temperatura real nucleares materiais, incluindo o plutónio e menor actinídeos, contendo amostras de combustível de fissão. A este respeito e na sua capacidade de produzir uma grande quantidade de dados relativos aos materiais sob condições extremas, o método experimental atual é reconhecido mundialmente como sendo exclusivo. Na verdade, outras técnicas de investigação complementar com base no aquecimento por indução têm demonstradas sofrem as interações de alta temperatura rápidas entre a amostra material e contenção⁵. Além disso, se tais técnicas permitem e principalmente precisam de maiores quantidades de material para análise, eles são menos adequados do que o presente método de investigação de materiais nucleares real, devido à alta radioatividade e disponibilidade limitada das amostras.

Nas experiências de atual (esquematizadas na Figura 1), uma amostra, montada em uma autoclave de atmosfera controlada, contido em uma caixa de luva α blindado, é aquecida por um laser de Nd: YAG CW de 4,5 kW.

Figura 1: Laser-aquecimento e luminosidade spectro-pirometria experimental set-up.
A amostra é fixada com parafusos de grafite (ou tungstênio ou molibdênio) em um navio estanques ao gás sob atmosfera controlada. O quadro relatado no canto inferior esquerdo mostra, por exemplo, um disco de₂ PuO fixado com parafusos de grafite. Se a amostra é radioativa, a embarcação deve ser montada em uma caixa de luva alfa-apertado. A amostra é aquecida por um laser de Nd: YAG 4,5 kW em 1.064 nm. Um pirômetro de dois canais rápido é usado para registrar a temperatura da amostra e o sinal refletido de um laser de Ar⁺ de baixa potência. Um mais lento multi-canal spectro-pyromenter é empregado para análise em situ das propriedades ópticas da amostra quente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Pirômetros de radiação medem a amostra Radiância L_ex. Esta é a densidade de energia de radiação eletromagnética por unidade superfície, comprimento de onda e ângulo sólido emitida pela amostra em uma dada temperatura⁶. Está ligado à temperatura de superfície da amostra T através de uma função de Planck modificada:

onde Lλ é a energia radiativa, ε,_λ é a emissividade espectral, c₁ = 2 · h· c₀ ² é a primeira radiação constante, c₂ = h· c₀/k_B = 14.388 µm· K é a constante de radiação a segunda, c₀ é a velocidade da luz no vácuo, e h é a constante de Planck e k_B a constante de Boltzmann. O emissividade espectral leva em conta o fato de que irradiará um corpo real, em um determinado comprimento de onda e temperatura, apenas uma fração igual a da potência emitida por um corpo negro ideal à mesma temperatura. Portanto, toma valores entre 0 e 1, com 1 correspondente para o caso de corpo negro ideal para que a lei de Planck foi derivado. Desde pirômetros no presente trabalho foram sempre montamos quase normal em relação à superfície da amostra, a dependência do ângulo de ε_λ não foi considerada, e "emissividade" sempre se referirá a emissividade espectral normal (NSE). O NSE deve ser determinado a fim de converter, através da equação 1 e um procedimento de calibração de pirômetro, L_ex em temperatura absoluta T.

A temperatura da amostra é detectada usando um rápido pirômetro calibrado com candeeiros até 2.500 K em λ = 655 nm e. Um brilho de 256 canais adicionais spectro-pirômetro operando entre 515 nm e 980 nm foi empregado para o estudo do NSE (ε,_λ) da amostra. Determinação do NSE é possível completando um ajuste não-linear do espectro de emissão térmico com equação 1^{2, 3}, T e ε,_λ , sendo apenas dois parâmetros de enciclopédia. Esta abordagem tem sido demonstrada para ser aceitavelmente precisos em materiais refratários⁷ como os normalmente presentes em uma central nuclear, para o qual o NSE pode-se supor para ser independente de comprimento de onda (hipótese de corpo cinza) em uma ampla faixa espectral. Uma vez que a temperatura da amostra aquecida do laser é medida corretamente em função do tempo, análise térmica pode ser executada na curva temperatura-tempo resultante (termograma).Inflexões ou térmicas detenções nas termogramas dar informações relacionadas com as transições de fase (transformações de fase isotérmicos, liquidus e solidus). Além disso, além de ser necessário para determinação de NSE, análise espectral direta da Radiância L_ex emitida pela amostra quente também permite que um estudo em situ de algumas propriedades ópticas da superfície estudada. Isto constitui uma outra ferramenta de apoio para a identificação de fenômenos de alta temperatura, tais como transições de fase, reações químicas entre materiais condensadas e a fase gasosa ou efeitos de segregação. Uma técnica adicional chamada refletida de^2, de análise de sinal luminoso (RLS) ³ é usado para confirmar as transições de fase. Isso é realizado usando o segundo canal do pirômetro sintonizado com um baixo consumo de energia (1 W) laser Ar⁺ (λ = 488 nm). Este canal detecta o feixe de laser, provenientes da cavidade de Ar⁺ e refletida pela superfície da amostra. Um sinal RLS constante indica uma superfície sólida, enquanto oscilações aleatórias aparecem após derretimento devido a vibrações induzida por tensão superficial sobre a superfície da amostra líquida.

Em geral, reatores refrigerado a água, usando elementos de combustível sólido, atualmente o tipo mais comum de NPP, possuem quatro sucessivas barreiras para garantir a contenção da radioatividade⁸. A primeira barreira é que o pellet de combustível propriamente dito, graças à sua estrutura cristalina e porosidade micromacroscópica, pode segurar os produtos de fissão sólido e parte dos voláteis. Em geral, o elemento de todo combustível é colocado em um revestimento metálico (liga ou aço) que funciona como a segunda etapa de proteção. Em caso de falha do revestimento, a terceira barreira é o recipiente NPP todo interno, confinado em geral por uma parede de aço que é alguns cm de espessura (sistema primário). Finalmente, a contenção de construção (concreto m de espessura) é a última barreira de segurança antes do lançamento no meio ambiente.

Em caso de falha do sistema de refrigeração a água, uma SA NPP pode ocorrer, levando ao superaquecimento e fusão do núcleo. Superaquecimento é inicialmente devido ao calor de fissão. No entanto, na ausência de refrigeração, superaquecimento pode também continuar muito tempo após a cessação de reacções em cadeia nucleares, devido o calor residual do decaimento dos produtos de fissão e outras espécies altamente radioactivos contidos nos escombros núcleo nuclear. Em geral, núcleo derreter vai começar da parte central do elemento de combustível, a menos que os compostos de baixo ponto de fusão (possivelmente eutectics) formam-se na interface entre o combustível e o revestimento. O primeiro objetivo da presente pesquisa consiste em estabelecer se tais compostos de baixo ponto de fusão podem ser formados em sistemas de combustível-revestimento real, e, neste caso, o que o resultante de depressão da temperatura de fusão seria. A fim de responder a esta pergunta, o comportamento de derretimento de combustível puros e mistos compostos deve primeiro ser profundamente avaliado, que, por conseguinte, constitui um objectivo mais importante da abordagem atual. Se o combustível e o revestimento se fundem, a massa líquida será rapidamente cair no fundo do vaso principal e começar a reagir com a parede de aço e com a restante água e vapor, se for o caso. Nesta fase, o aço também pode ser derretido junto com o combustível/revestimento quente mistura. O líquido resultante de lava, como é chamado "cório". Esta mistura quente, altamente radioactivos pode difundir fora a contenção primária se a parede de aço é derretido através de e acabam reagindo mesmo com o concreto que constitui a barreira mais externa. O calor elevado e a alta reatividade das espécies presentes no cório podem levar a dissociação da água e a produção de hidrogênio. Isso pode resultar em um risco adicional de explosões de vapor e hidrogênio (cf. SAs na ilha Three Mile e Fukushima), oxidação pesada, ou (menos provável) hidratação do cório massa e os materiais estruturais de NPP. O atual método experimental permite a separação e análise experimental de vários dos muitos complexos mecanismos físico-químicos relacionados a sequência descrita de eventos. Além do componente puro mencionado derretendo, análise e interação de combustível-revestimento, vários alta temperatura interação mecanismos podem ser investigados em sistemas simplificados, tais como Pu-contendo combustível e aço, entre combustível e concreto, etc. Formação do corium potencialmente pode ser estudada na presença de diferentes atmosferas (gás inerte, ar, traços de hidrogênio ou vapor), produzindo dados de referência importantes para uma compreensão abrangente da SAs.

A presente abordagem, particularmente adequada para a investigação do laboratório de materiais de alto ponto de fusão, também tem sido empregada para a análise do sucesso dos outros, mais inovadores tipos de combustíveis nucleares (baseados, por exemplo, carbonetos de urânio ou nitretos) e outros compostos refratários, tais como⁹, tântalo e háfnio carbonetos de zircónio, óxido de cálcio¹⁰, superligas metálicas, etc.

Protocol

1. pirômetro e spectro-pirômetro de calibração

1. Lâmpadas de padrão de referência
   1. Obter a certificação, calibradas lâmpadas padrão dos laboratórios nacionais padrão.
      Nota: Ambas as lâmpadas usadas aqui foram calibradas com precisão a 650 nm por uma das instituições de referência padrão alemão, o PTB (Physikalisch Technische Bundesanstalt, 2010).

Figura 2: Fonte de corpo negro e lâmpada padrão usado para a calibração do pirômetro presente e spectro-pirômetro.
O procedimento de calibração, o campo visual pirômetro ou spectro-pirômetro é focado na fonte de luz padrão (corpo negro ou lâmpada), que é aquecida a uma temperatura conhecida (e, portanto, emite um brilho conhecido) para uma determinada corrente de entrada. Equações de calibração são obtidas por encaixe parcelas experimentais dos sinais de tensão rendidos pelo pirômetro ou spectro-pirômetro detectores de radiação em função da temperatura da fonte de luz. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Calibração de pirômetro
   1. Calibrar o canal pirômetro para perto de 650 nm, com duas lâmpadas de tungstênio da faixa de opções, o primeiro para a faixa de temperatura entre 1.100 K e 1.800 K e a segunda entre K 1.800 e 2.500 K (Figura 2).
   2. Alinhe o pirômetro para o filamento da lâmpada e a agulha (Figura 2).
   3. Intensidades de registro pirômetro a diferentes temperaturas nominal da lâmpada, a seguir a folha de calibração fornecida pelo PTB.
   4. Plotar intensidades pirômetro experimental em função das temperaturas de lâmpada inversa.
      Nota: O pirômetro é equipado com um amplificador logarítmico. Como resultado, a tendência deve ser linear, pelo menos para temperaturas acima de 1.700 Linear de K. montagem dos pontos experimentais renderá a equação de calibração do pirômetro na forma:
      Equação 2
      onde A e B são as constantes de calibração que permitem a conversão do sinal pirômetro a 650 nm para a temperatura.
   5. Fixar um segundo canal (fotodiodo) de pirômetro o mesmo o mesmo comprimento de onda do laser sonda utilizada para a análise do sinal de luz refletida (RLS). Na atual configuração, isto é um Ar⁺ 0.75 W laser cw irradiando em 488 nm. Fixe o segundo canal do pirômetro a 488 nm a fim de permitir que ele funcione como um filtro óptico para a síndrome das pernas Inquietas.
      Nota: Uma vez que a análise RLS é puramente qualitativa, sem calibração é necessária para este segundo canal.
3. Temperatura de brilho
   1. Observe que T_λ na equação 2 é a temperatura de brilho medida pelo pirômetro. É a temperatura correspondente à intensidade de radiação experimental se ela fosse emitida por um corpo negro ideal (ε,_λ = 1 na equação 1). Em amostras reais, está relacionada com a real temperatura absoluta pela fórmula:
      Equação 3.
   2. Derivar a equação 3 da equação 1 na aproximação . Determinar o NSE para o material investigado, a fim de obter sua temperatura real através da análise espectral da intensidade de radiação (equação 1), gravada por um spectro de multi-canal-pirômetro entre 515 nm e 980 nm.
4. Calibração de Spectro-pirômetro
   1. Calibre o canal de 650 nm do spectro-pirômetro contra o canal da lâmpada padrão, seguindo o mesmo procedimento explicado em etapas 1.2.1-1.2.3, acima.
   2. Desde que o spectro-pirômetro não está equipado com um amplificador logarítmico, mas com um linear, desta vez, traçar o logaritmo das intensidades experimentais (aqui expressado nas contagens) contra as temperaturas nominal da lâmpada a fim de obter a calibração constantes C e D para o canal de 650 nm:
      Equação 4.
   3. Aumente a corrente de uma fonte de corpo negro (Figura 2) de aquecimento até um nível onde a cavidade de corpo negro é luminosa o bastante para ser visível a olho nu. Em seguida, alinhe o objectivo spectro-pirômetro para o centro da cavidade de corpo negro.
   4. Aumente o corpo negro atual para um nível onde o sinal de spectro-pirômetro, simultaneamente exibido em uma tela de PC, é intenso o suficiente para cobrir totalmente o ruído de fundo. Ajuste o tempo de integração do spectro-pirômetro a fim de otimizar a relação sinal-ruído. Tempo-linearidade do spectro-pirômetro deve ser verificado no momento da sua entrega. Tome cuidado para não saturar os spectro-pirômetro fotodiodos.
   5. Estabilize a temperatura do corpo negro. Espere até que o corpo negro emitida esplendor, e, portanto, o sinal de spectro-pirômetro, é estável (tipicamente de 10 a 20 min em temperaturas em torno de 1.500 K).
   6. Grave os espectros de radiação na faixa de comprimento de onda completa abrangidas pelo dispositivo. Preencher o buffer de memória inteiramente (256 aquisições). Então, tome os valores de intensidade média para cada canal.
   7. Use a intensidade gravada pelo canal calibrado a 650 nm (1.4.1-1.4.2 de etapas) para medir a temperatura exata do corpo negro.
   8. Uma vez que a temperatura do corpo negro é determinada, calcule a radiação de corpo negro L_{λ, bb} usando a equação 1.
   9. Calibre os restantes canais do spectro-pirômetro contra as fontes de corpo negro (cerca de 200). Cortar os intervalos entre 488 nm e 515 nm e 980 nm e 1.011 nm para reduzir o ruído. Obter uma função de calibração de integração-tempo específico (transferência)
      Equação 5,
      onde ICounts_av é a intensidade média experimental medida por cada canal spectro-pirômetro e ti é o tempo de integração. Assuma o valor médio as 256 aquisições acumuladas no buffer.
   10. Repita o procedimento de calibração do spectro-pirômetro em etapas 1.4.1-1.4.10 a diferentes temperaturas de corpo negro a fim de verificar o cross que K(λ) é independente de temperatura.
       Nota: Apenas o ruído de fundo deve mudar em temperaturas diferentes do corpo negro.
   11. Nas medições de amostra real, obter espectros de radiância multiplicando espectros radiância experimental de integração-tempo-específicos (ICounts(λ) /ti) pela função K(λ).

2.Montagem da amostra

Atenção: caso a amostra é radioativa, realizar todo o procedimento em uma caixa de luva alfa-apertado equipado com janelas de qualidade óptica e uma tabela de óptica. No caso da amostra é particularmente radioativa (contendo fortes γ-emissores como plutônio ou Am), usar um vestido de chumbo e chumbo luvas enquanto montá-lo. Use um detector de radiação para identificar as principais direcções de irradiação β e γ.

1. Monte a amostra no suporte de fixação com parafusos de grafite, molibdênio ou tungstênio (ver o encarte esquerda inferior da Figura 1).
   Nota: Em comparação com grafite, parafusos Mo ou W garantir melhor estabilidade mecânica, embora eles podem afetar parafusos de equilíbrio mais do grafite térmicos da amostra. A forma ideal de amostra é um disco de aproximadamente 8 mm de diâmetro e pelo menos 2 mm de espessura. No entanto, o uso de parafusos ajustáveis permite a análise de amostras de diferentes formas e tamanhos que também muito pequenas e irregulares. Essa flexibilidade é particularmente vantajosa quando fragmentos radioativos estão a ser investigadas.
2. Coloque a amostra e o titular na embarcação uma pressão cilíndrico (ou autoclave, como esquematizada na Figura 1). Monte a amostra perpendicularmente ao eixo do navio. Coloque o recipiente com qualidade óptica windows (normalmente de quartzo ou sílica fundida).
3. Conserte o navio para uma tabela de óptica.
4. Fixe uma tela de grafite pelo lado traseiro do vaso de pressão numa mesa de óptica para absorver o feixe de laser no caso da amostra deve cair do porta durante um experimento.

3. laser e alinhamento de pirômetro

1. Alinhamento do laser
   1. Em uma mesa de óptica, um par de uma unidade de focagem com fibra óptica que transportam o feixe de laser de alta potência para o laboratório.
      Nota: Ao fazer isso, atenção máxima para evitar a formação de dobras em fibra óptica, que pode resultar em danos irreversíveis a eles.
   2. Escolha as lentes apropriadas na unidade de focagem para obter o tamanho de ponto obrigatório do laser sobre a superfície da amostra e uma distância focal adequada entre a unidade de focagem e a superfície da amostra. Certifique-se que o tamanho do ponto do laser é pelo menos dez vezes maior do que o pirômetro avistamento local (em torno de 3 mm²) para garantir a homogeneidade de temperatura em torno do ponto de medição do pirômetro.
      Nota: Com esta restrição, o tamanho do ponto do laser pode ser ajustado de acordo com os objectivos de cada experimento específico. Por exemplo, um menor ponto conduzirá a uma maior densidade de potência do laser. Portanto, será possível alcançar temperaturas mais elevadas, mas em uma zona mais limitada da superfície da amostra. Por outro lado, um maior ponto de laser irá garantir uma distribuição mais homogênea de temperatura por toda a amostra, embora baixas temperaturas máximos será atingíveis. A distância focal entre a unidade de focagem e a superfície da amostra é aplicada apenas por constrições geométricas, tais como a disposição dos vários componentes ópticos, a presença de um muro de caixa de luva entre eles e a amostra, etc.
   3. Monte todas as ópticas peças necessárias (sistema ótico do laser, laser de Ar⁺ para a análise RLS e os pirômetros) numa mesa de óptica.
   4. Alinhe o ponto laser vermelho na superfície da amostra através da autoclave (e, se estiver presente, a caixa de luva) janela. Se o ponto do laser é menor do que a superfície da amostra, corrigi-lo no centro da amostra ou em uma área particular de interesse (por exemplo, a interface entre duas zonas diferentes da amostra).
      Nota: O laser de alta potência atual também é equipado com um vermelho de He-Ne de baixa potência laser seguindo exatamente o mesmo caminho óptico. Ligue este laser piloto para alinhar o sistema. O tamanho do ponto laser vermelho será ligeiramente diferente do que o tamanho de ponto real do raio infravermelho de alta potência. No entanto, a diferença pode ser negligenciada no processo de alinhamento.
   5. Ligue o laser Ar⁺ e alinhá-lo no centro do laser vermelho piloto local na superfície da amostra.
2. Alinhamento de pirômetro
   1. Corrigir o pirômetro e o spectro-pirômetro óptico na tabela em uma posição conveniente para olhar para o exemplo, com seus eixos mais próximo possível a perpendicular à superfície da amostra.
   2. Mais ou menos aponte o pirômetro e o spectro-pirômetro para a amostra. Olhando através das respectivas oculares, certifique-se que os objectivos ver a amostra corretamente.
   3. Finamente alinhar o pirômetro na posição correta e distância focal, brilhe uma lâmpada flexível para a ocular de pirômetro. Verifique se que uma imagem nítida do diafragma pirômetro é projectada na superfície da amostra.
      Nota: Em ambos o pirômetro e spectro-pirômetro, a radiação térmica emitida pela amostra é coletada por um objectivo (lentes e colimador) e focada em detectores fotodiodo através de um diafragma. A imagem do diafragma é claramente visível através das oculares dos pirômetros. Com a afinação atual, este ponto é aproximadamente circular, com um diâmetro de 1 mm. evitar jogar com as configurações de pirômetro objetiva, porque isto poderia afetar a calibração do dispositivo.
   4. Alinhe a imagem do diafragma de pirômetro no meio o laser vermelho piloto local e o ponto de laser de Ar⁺ azul.
   5. Repita o mesmo procedimento em etapas 3.2.3-3.2.4 alinhar finamente o spectro-pirômetro.
3. Seleção de reflexão
   1. Verifique cuidadosamente para reflexões de parasita do laser vermelho piloto (aparente pelo olho com a ajuda de uma folha de papel branco), que vêm principalmente de autoclave (e, se estiver presente, a caixa de luva) windows.
      Nota: Estas reflexões podem também originam-se da superfície da amostra, se uma amostra metálica bem-reflexiva é para ser analisado. Tais reflexões são extremamente perigosos quando a amostra é irradiada com o feixe de laser infravermelho de alta potência.
   2. Coloca telas de grafite (absorventes) onde reflexões parasita foram identificados.
      Nota: Reflexões de feixe de laser IR nunca devem bater os seres humanos, mas eles também podem queimar componentes ópticos e eletrônicos e peças de luvas, ou pode também ser reflectidas pelas ferramentas de laboratório metálico. Portanto, eles devem ser interrompidos por absorventes de grafite adequado mais próximo possível de sua origem.

4. encher o recipiente sob pressão

1. Conecte o vaso de pressão para uma bomba de vácuo e um sistema de abastecimento de gás através de tubos apropriados. Se possível, além de um manómetro, conecte um analisador de oxigênio para o vaso de pressão.
2. Escolha a atmosfera (gás ou mistura de gases) sob quais experiências de aquecimento do laser devem ser realizadas.

Selecione a atmosfera dependendo da amostra a ser investigada e as condições químicas para ser produzido.

Seja qual for o ambiente, use primeiro um vácuo da bomba para esvaziar o recipiente sob pressão, a fim de evitar qualquer contaminação com o ar, especialmente se o ambiente experimental selecionado é idealmente livre de oxigênio. Se possível, atingir o limite de detecção inferior do analisador₂ O neste "purga" procedimento.

Após esvaziar isso, encha o autoclave com o gás escolhido à pressão necessária.
Nota: Diferentes pressões podem ser definidas dentro da autoclave (por exemplo, para estudar o efeito da pressão sobre as transições de fase). No entanto, para experimentos de padrão, definir uma sobrepressão de gás de 0.2-0.3 MPa (em relação a pressão atmosférica) a fim de reduzir os fenômenos de vaporização de amostra tanto quanto possível. A maioria dos experimentos atuais é executada sob uma atmosfera inerte (argônio pressurizado) a fim de manter a composição da amostra inicial ao longo das experiências do laser-aquecimento. No entanto, estudos especiais, comburente (ar pressurizado, misturas de CO/CO₂ , etc.) ou redução (Ar + H₂) atmosferas podem ser empregadas, também.

Após o enchimento da autoclave, certifique-se que o potencial de oxigênio tem estabilizado sobre o analisador de oxigênio antes de iniciar o experimento do laser-aquecimento.

5. Configurando o sistema de aquisição

1. Conectar os dois canais de pirômetro (488 nm para a síndrome das pernas Inquietas e 650 nm para as análises de temperatura) para um osciloscópio, agindo como um conversor analógico/digital (AD).
2. Repita a etapa 5.1 para o spectro-pirômetro.
   Nota: Devido ao seu grande número de canais, o spectro-pirômetro é equipado com sua própria unidade de aquisição. Isto pode ser acionado externamente com um sinal vindo do osciloscópio.
3. Ligar o potenciômetro do laser de alta potência com o osciloscópio mesmo como os pirômetros. Certifique-se que o osciloscópio tem pelo menos três plugues de entrada. Caso contrário, se conectar um dispositivo adicional a ele e sincronizá-las.
4. Defina os parâmetros de osciloscópio (amplitude de janela de aquisição, deslocamento e arrebatadora duração) de tal forma que os dados experimentais provenientes do pirômetro podem ser corretamente e inteiramente gravados. Verifique na tela do osciloscópio dados corretamente são gravados e salvos após cada experimento.
5. Defina um disparador apropriado para o sistema de aquisição. Por exemplo, aciona o osciloscópio quando o sinal proveniente do potenciômetro do laser transgressões de um determinado limiar, correspondente ao aparecimento do primeiro pulso de alta potência enviada para a amostra e definir com a ajuda do software osciloscópio.
   1. Verifique-se que, como o osciloscópio é acionado, ele começa a gravar os sinais vindos do potenciômetro do laser e de dois canais pirômetro e também envia um sinal que aciona a aquisição no spectro-pirômetro.
6. Conecte o osciloscópio para um PC. Inserir diretamente equações de calibração de software 2, 3 e 4 para que a intensidade de gravada pode ser plotada diretamente como curvas de temperatura versus tempo (termogramas) na tela do PC.

6. laser-aquecimento tiros

1. Defina um programa de aquecimento do laser. Se possível, fazê-lo diretamente de um PC conectado ao laser.
2. Para além de 2.500 K de fusão de materiais refratários, criar uma fase de pré-aquecimento no início do programa do laser. Este consiste de uma fase de aquecimento lento durando 10 a 30 s, durante o qual a amostra é aquecida com uma densidade de potência do laser de baixa (cerca de 50 W cm^-2) até que sua temperatura está estável em um nível constante entre 1.500 e 2.000 K.
   Nota: A fase de pré-aquecimento reduz tensões térmicas, que facilmente poderiam quebrar e destruir a amostra se disparada diretamente com mais de 2.500 K a partir da temperatura ambiente. Além disso, ajuda a remover possíveis impurezas da superfície da amostra. Para experimentos de fusão a laser, a melhor abordagem foi estabelecida com base na experiência direta.
3. Após a fase de pré-aquecimento, configure uma sequência de vários disparos de laser de maior potência, aquecimento a amostra bem além da sua temperatura de fusão. Defina ciclos de 3-4 tiros, depois que a amostra pode arrefecer voltar à temperatura ambiente. Verifique as condições da amostra antes de prosseguir para mais tiros.
   Nota: A amostra deve não poderão legal voltar à temperatura ambiente entre os dois disparos para evitar tensões térmicas muito intenso. A potência necessária varia de acordo com o ponto do laser e o material investigado. Normalmente, para óxidos refratários como UO₂, densidades de energia de aproximadamente 500 W cm^-2 são suficientes para derreter a superfície material em algumas centenas de ms.
4. Varie a duração dos pulsos de laser de alta potência sucessivas (e a densidade de poder respectivos) entre algumas dezenas de ms e alguns s a fim de verificar a possível dependência das temperaturas observadas captura térmica sobre o comprimento do pulso. Desta forma, verificar se as transições de fase ocorrem no estado de equilíbrio termodinâmico durante os ciclos de aquecimento e resfriamento.
   Nota: Sem condições de equilíbrio termodinâmico poderia ser asseguradas com pulsos mais curtos, Considerando que pulsos mais longos devem ser evitados, porque a massa líquida já não seria mantida superfície de amostra por capilaridade forças, e caindo, prejudicaria a amostra contenção (autoclave e suporte).
5. Durante os experimentos do laser-aquecimento, fica em uma sala de controle separada do laboratório principal pelo windows protetoras revestidas que pare a radiação de laser de alta potência.
   Nota: Se o experimentador presença é necessária no laboratório principal durante os tiros de laser, é imperativo para usar óculos de protecção.
6. Verifique se o programa de configuração laser funciona corretamente pelo primeiro tiro o feixe de laser em um absorvente de grafite. Use este teste para também verificar a função do sistema de gatilho, disposto em passo 5.5 correcta.
7. Se todos os cheques são bem sucedidos, desative o laser vermelho piloto e ligar o raio de alta potência.
8. Liberar todos os interruptores de segurança e iniciar o programa de irradiação do laser sobre a amostra.
9. No final dos ciclos do laser-aquecimento e arrefecimento (tipicamente a fase de pré-aquecimento mais três ou quatro pulsos de alta potência), verifique se a aparência da amostra, indicando se é totalmente ou parcialmente derretida, extinto, quebrado, continua intacto, etc.
10. Se a amostra ainda está intacta, repetir vários ciclos de aquecimento do laser nele e verificar repetibilidade de resultado.
    Nota: Em casos de sucesso, mais de quarenta tiros podem ser repetidos na mesma amostra. Esses grandes conjuntos de dados podem ser tratados, produzindo valores médios para a fase de transição pontos, apoiados por uma análise estatística som da incerteza de medição.

7.Análise de dados

1. Análise qualitativa termograma
   1. Verifique a qualidade e características de termogramas experimentais (um por disparo do laser), gravadas pelo pirômetro. Verifique se, se as temperaturas máximos alcançadas foram altas o suficiente, detenções térmicas correspondente a solidificação aparecem nas partes refrigerando das termogramas.
      Nota: Detenções térmicas semelhantes são geralmente mal visíveis no flanco de aquecimento porque o laser rápido aquecimento fornece mais energia do que a entalpia de fusão e as condições de equilíbrio termodinâmico, não são realizadas nesta parte do experimento¹¹ .
   2. Se as temperaturas máximas eram demasiado baixas, repeti o ciclo de aquecimento do laser com impulsos de maior potência.
   3. Repetir os ciclos do laser-aquecimento/resfriamento em uma nova amostra se termogramas são muito irregulares ou aberrante (por exemplo, o aparente de aquecimento e resfriamento da amostra não seguem os pulsos de laser), no caso, a amostra provavelmente quebrou, rachado ou vaporizado durante o experimento.
2. Análise de emissividade
   1. A fim de obter termogramas de temperatura amostra real, estabelece, com a ajuda dos dados spectro-pirômetro, a NSE da amostra.
   2. Transforme dados brutos spectro-pirômetro em espectros de radiação, conforme explicado na etapa 1.4.11.
   3. Se um ponto bem estabelecida temperatura T * existe (por exemplo, um ponto eutético de referência [Ref. ZrC-C]) no sistema investigado e é medido na experiência atual, em seguida, obter NSE diretamente do corpo real espectros radiância L_{λ, rb} medido sobre a detenção de térmica correspondente. Sabendo que a temperatura real T * em que ocorre a prisão térmica, calcular a radiância L_{λ, rb} através da equação 1. Neste caso, obter a emissividade directamente da sua definição como:
      Equação 9.
   4. Se não há pontos de temperatura estabelecida estão disponíveis, em seguida, encaixe espectros radiância L_{λ, rb}, tendo NSE ε_λ e temperatura T como enciclopédia parâmetros na equação 1. Em seguida, obter a emissividade e temperatura como os melhores valores que cabem todo o espectro.
      Nota: Este procedimento é numericamente exato se a suposição de corpo cinza é válido (ou seja, se a emissividade não depende do comprimento de onda, que é mais verdadeiro para os materiais investigados neste trabalho). Caso contrário, mais hipóteses sobre a dependência do comprimento de onda de emissividade são necessários para estimar uma dependência paramétrica de ε_λ λ com a ajuda de dados da literatura.
   5. Uma vez ε_λ é determinado, multiplicar o seu valor a 650 nm pela transmitância ótica do vaso de pressão (e, se estiver presente, o porta-luvas) janela a 650 nm (fornecido pelo fornecedor janela) e membro suplente na equação 3. Desta forma, obter termogramas temperatura real de medições pirômetro.
3. Estudo de transição de fase
   1. Identifica pontos de transição como as temperaturas na qual térmica prende ou inflexões ocorrem no flanco refrigerando de termogramas temperatura real de fase.
   2. Realizar as primeiras experiências de aquecimento do laser em materiais refratários, pontos de fusão e NSE valores dos quais são bem estabelecida (por exemplo, molibdênio, tungstênio, ZrC ou UO₂). Isto irá fornecer um teste de som do bom funcionamento e a precisão do método.
      Nota: Deixe partir as inflexões de análise possível, se houver, sobre o aquecimento flanco das termogramas, como eles podem ser o resultado de fenômenos de desequilíbrio de interpretação muito incerto.
   3. Compare o sinal RLS, exibido simultaneamente, com as termogramas de temperatura real. Identifica o aparecimento de novas fases na superfície da amostra, com a ajuda de RLS, onde as oscilações e inflexões aparecerá correspondentemente.
   4. Compare as temperaturas de transição de fase gravadas pelo pirômetro com eventuais mudanças de NSE relacionadas com as transições de fase mesmo.

8. recuperação da amostra

1. Liberar a pressão da autoclave e estabilizar a pressão atmosférica.
2. Abrir a autoclave e remover a amostra derretida e recongelada, bem como possíveis fragmentos que caíram. Possivelmente use essas peças para pós-fusão caracterização material.
3. Limpar o autoclave com cuidado, especialmente as janelas ópticas, com a ajuda de tecidos e etanol.
4. Colete amostras e fragmentos em recipientes adequados. Em caso de trabalho caixa de luva com amostras altamente radioactivos, coloque os recipientes dentro de uma caixa de chumbo.

Representative Results

A Figura 3 exibe termogramas temperatura real medidas em dióxido de urânio com vários níveis de oxidação (UO_{2 + x} com 0 < x < 0.21)². Dióxido de urânio é o componente essencial do combustível mais comum em centrais nucleares que atual. Sua oxidação a vários níveis de hiperestequiometria de oxigênio pode ocorrer em condições de reator normal e fora do normal¹². Com o método atual, foi demonstrado que a oxidação de₂ UO pode resultar em uma diminuição dramática de seu ponto de fusão/solidificação de até 700 K. Neste caso, experimentos tinham a efectuar sob uma pressão muito alta de gás inerte (ele em 10 MPa), a fim de suprimir a vaporização altamente não-congruente em altas temperaturas.

Figura 3: Termogramas medido em amostras de dióxido de urânio estequiométricas e hyperstoichiometric do laser-aquecida (depois ²).
Perfil de laser de pulso duplo um exemplo é mostrado no gráfico. Termogramas são registradas para várias composições de UO_{2 + x} . Detenções de solidificação ocorrem em temperaturas significativamente diferentes e com características diferentes, dependendo da composição da amostra, revelando a evolução da dinâmica de fusão/congelação temperatura e solidificação do sistema U-O. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A Figura 4 mostra o pirômetro (linha reta) e termogramas spectro-pirômetro, gravadas em um laser de amostra de dióxido de plutónio aquecido sob uma atmosfera oxidante (ar comprimido em 0,3 MPa). Além disso, o PuO₂ é um componente essencial de combustível nuclear. Na mesma figura, dois espectros de radiância medidos pelo spectro-pirômetro a diferentes temperaturas também são exibidos nas inserções, juntamente com curvas de ajuste de dados experimentais e os correspondentes valores de T e ε_λ . Graças ao presente estudo, o PuO₂ temperatura de fusão/congelação foi reavaliada para ser 3.017 K ± 28 K, mais de 300 K superior previamente indicado pelos métodos mais tradicionais de aquecimento. Esses métodos produziram resultados certamente afetados pela extensas interações de alta temperatura entre a amostra e a contenção, um problema que foi resolvido em grande parte com a abordagem de aquecimento remoto presente.

Figura 4: Termogramas medido em um laser de amostra de dióxido de plutónio aquecido além do ponto de derretimento.
Gráfico principal: a linha preta sólida e os círculos completo pretos representam as termogramas gravadas em uma amostra de₂ PuO sob uma atmosfera oxidante por pirômetro o rápido e o comprimento de onda multi spectro-pirômetro, respectivamente. Os círculos brancos representam os valores de emitância espectral obtidos por encaixe dados de radiância experimental com Planck radiância lei¹². As duas inserções mostram exemplo espectros (círculos pretos) e equipado (linhas sólidas vermelhas) no líquido e congelamento PuO₂, respectivamente, dentro da suposição de corpo cinza. Em uma dessas parcelas, a radiância L_λ é normalizada à primeira radiação constante c₁ por razões de simplicidade. A termograma principal foi obtida utilizando uma média constante emitância de 0,83. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A Figura 5 mostra uma série de pulsos de laser-aquecimento executada em uma mistura de UO₂ e ZrO₂ sob diferentes atmosferas. Este teste é representante das condições que podem ser produzidos em caso de uma excursão de temperatura acidental em uma central nuclear. O ponto de fusão/solidificação ocorre a uma temperatura bem repetíveis sucessivos tiros se experimentos são realizados em argônio. Por outro lado, a temperatura de fusão/solidificação diminui durante a tiros de laser se ciclos de aquecimento do laser são executados em ar comprimido. Isso mostra que, neste último caso, a amostra Obtém cada vez mais oxidada durante os tratamentos do laser-aquecimento. Também, no caso misto UO₂- ZrO₂ óxidos, uma depressão do ponto de fusão ocorre em condições de hiperestequiometria de oxigênio.

Figura 5: Termogramas medido misto UO₂- ZrO₂ amostras em argônio pressurizado e o ar.
O ponto de fusão/solidificação ocorre a uma temperatura bem repetíveis sucessivos tiros se experimentos são realizados em argônio (termogramas pretos). Por outro lado, a temperatura de fusão/solidificação diminui durante a tiros de laser se ciclos de aquecimento do laser são executados em ar comprimido (termogramas verdes). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Mais um exemplo diz respeito a outro tipo de material, dicarbide de urânio. Isso será considerado como um possível material para um conceito alternativo de combustível nuclear, potencialmente trabalhando em temperaturas mais altas e reduzindo consideravelmente o risco de um acidente de fusão. Uma nova composição contendo um grande excesso de carbono (nominalmente UC_2.8) foi investigada pela primeira vez com a atual abordagem¹⁴. Neste caso, a UC₂- C eutética temperatura, criada para ser a 27,37 K ± 20 K, foi usada como uma referência de radiância juntamente com a transição de estado sólido cúbico-tetragonal (α→β), fixada a 2.050 K ± 20 K. O NSE do composto carbono-mais rico foi medido para aumentar até 0,7 a 650 nm, Considerando que o valor ε,_λ = 0,53 foi estabelecido para dicarbide de urânio puro no limite da região eutético. Este aumento foi analisado à luz do demixing de carbono em excesso e utilizado para a determinação da temperatura liquidus (3.220 ± 50 K para UC_2.8). Devido a difusão rápida de estado sólido, também promovida pela transição cubic-tetragonal, sem sinais evidentes de uma estrutura eutética lamelar podem ser observados após resfriamento a temperatura ambiente. A eutética composição da superfície C/UC_2-x poderia ser qualitativamente, mas consistentemente, seguida durante o processo de arrefecimento com a ajuda dos espectros de radiância registrada, conforme mostrado nas figuras 6 a e b.Curiosamente, a análise de NSE atual mostrou que, Considerando que na fase líquida na superfície externa líquida constituiu-se quase inteiramente de dicarbide de urânio, rapidamente tem enriquecido em carbono demixed sobre congelamento. Demixed carbono parecia migrar rapidamente para a interior em massa durante o resfriamento mais. Durante a transição de α→β, dicarbide de urânio novamente cobre quase toda a superfície externa. Todos estes detalhes sobre o comportamento de material muito alta temperatura são essenciais para a análise deste tipo de composto em caso de aumento de temperatura não controlada no núcleo do reator. Eles foram deduzidos apenas com base em análise de espectroscopia de esplendor, Considerando que eles seriam dificilmente acessíveis para qualquer outra técnica de investigação experimental.

Figura 6: Termograma e radiância espectros medidos numa amostra de_2.8 UC em argônio pressurizado¹⁴.
a) fase refrigerando do termograma gravado em uma amostra de_2.8 de UC. Círculos completo identificam os pontos de tempo em que os espectros de brilho foram registrados pelo spectro-pirômetro. b) quatro exemplos de espectros de radiância gravado em temperaturas diferentes. Um deles foi gravado no líquido UC_2.8, enquanto os outros três correspondem as prisões térmicas visíveis na Figura 5a. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

A técnica de espectroscopia de radiação laser-aquecimento aqui apresentada é reconhecida como um método inovador e eficaz para a investigação de comportamento muito alta temperatura de fusão de materiais refratários^{15, 16}. Graças à sua natureza remota e quase sem recipiente, é particularmente adequado para o estudo experimental de materiais nucleares radioactivos e a simulação de acidentes de fusão do núcleo em centrais nucleares, como mostram os resultados do exemplo apresentados aqui.

Enquanto avaliar dados experimentais obtidos com o método atual, um sem dúvida deve ter cuidado sobre a correta atribuição de pontos experimentais para transições de fase. Na verdade, a temperaturas muito elevadas, cinética de material pode ser extremamente rápida, e vários fenômenos de difícil controle podem ocorrer, tais como a vaporização não-congruentes, segregação, dissociação de compostos, etc. Como demonstra a comparação com métodos mais tradicionais de aquecimento (como fornos de indução), a possível ocorrência de tais fenômenos justifica a utilização de um rápido aquecimento e resfriamento técnica como a atual. Por outro lado, podem surgir dúvidas sobre a estabilização eficaz das condições de equilíbrio termodinâmico sob as atuais condições de aquecimento. Conforme explicado na seção de procedimento, tais condições não podem ser garantidas durante a parte do laser-aquecimento rápida dos ciclos térmicos. No entanto, as condições de equilíbrio termodinâmico certamente são produzidas na fase de arrefecimento. Esta declaração foi validada com a ajuda dos códigos de computador, simulando as experiências atuais e baseada no perto-equilíbrio massa e difusão de calor na presença de transições de fase local¹¹. Não obstante, equilíbrio termodinâmico condições devem sempre ser cruzados experimentalmente, tipicamente medindo bem avaliados fase temperaturas de transição em compostos que podem ser tomadas como referências. Isso foi realizado no presente trabalho com os pontos de fusão/solidificação de W, Mo (recomendado como temperaturas de referência secundário na escala internacional de temperatura de 1990^17,18,19), UO₂, e o eutético ZrC-C⁹. Tais pontos de referência de medição também é necessário para avaliar a precisão e incerteza da presente abordagem.

Dada a condições extremas e fenômenos produzidos nas experiências do laser-aquecimento, uma análise de incerteza precisos é fundamental para a facilidade de utilização dos dados produzidos. Para campanhas de medição bem sucedida, a incerteza cumulativa que afetam os dados de temperatura de transição de fase atual deverá ascender a ± 1% da temperatura absoluta, com um fator de cobertura 2-desvio-padrão (95% de confiança). Tais bandas de incerteza podem ser maiores para matérias complicadas, onde, por exemplo, não-congruente vaporização pode alterar a composição da amostra real de forma incontrolável durante os experimentos. Tal incerteza deve levar em conta os erros devido o procedimento de calibração, a determinação de NSE, a estabilidade da amostra (ou seja, a repetibilidade, mais tiros sucessivos do laser, das temperaturas de transição de fase experimental), etc. Um exemplo de análise de incerteza para o ponto de fusão/congelação de PuO₂ é relatado na tabela 1. As várias contribuições de incerteza podem ser consideradas como independente e combinados de acordo com a lei de propagação de erro³.

Tabela 1: Exemplo de análise de incerteza para o ponto de fusão/congelação de PuO₂ (referência^13).
O significado e o valor de c₂ é relatado na seção Introdução com os comentários na equação 1. Δε_λ representa aqui a dois desvios-padrão em torno do valor médio experimental obtido para ε_λ por encaixe espectros de radiação experimental dentro a suposição de corpo cinza. ΔT_c e δT_d representam dois desvios-padrão em torno da curva de temperatura extrapolada de lâmpada de padrão médio e o valor de temperatura de solidificação experimental média, respectivamente.

Algumas melhorias podem ser feitas sobre a presente abordagem experimental. Em especial, conexão do vaso de pressão com um espectrômetro de massa através de um sistema de tubulação complexo permitirá a deteção, pelo menos qualitativamente, das espécies presentes na nuvem de vapor liberada pelo material quente. Além disso, a implementação de um thermo-câmera está prevista para o estudo de duas dimensões da distribuição da temperatura sobre a superfície da amostra quente a fim de detectar possíveis heterogeneidades e efeitos de segregação. Finalmente, melhorias no sistema de segurança, construído em torno do equipamento atual estão previstas. Na verdade, a atual caixa de luva de Plexiglas usada aqui é adequada para o estudo de materiais altamente radioativos como urânio e elementos transuranianos, graças ao fato de que ele efetivamente bloqueia radiação α. No entanto, este escudo não é suficientemente seguro para a investigação de emissores γ forte, como os nuclídeos contidos no combustível nuclear irradiado real. Uma nova instalação, incluindo uma célula com paredes de chumbo está prevista para o estudo de combustível nuclear irradiado provenientes de centrais nucleares que real.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Two-channel fast pyrometer	Assembled privately		Fast pyrometer. Photodiode detectors at 650 nm and 488 nm, assembled with focussing objective and fast logarithmic amplifier.
Laser TRUMPF HLD4506, TRUMPF,	TRUMPF Schramberg, Germany	HLD4506	Heating agent
CDI spectrometer	CDI	Optical Spectrograph card, 256 channels	Multi-wavelength spectro-pyrometer array
Ar+ laser	Ion Laser Technology	5500A-00	0.75 W RLS laser
Oscilloscope NICOLET	NICOLET, Madison, Wi, USA	Pro 44C Transient Digitizer	AD converter, data acquisition system
SETNAG Oxygen analyser	SETNAG, Marseille, France	JC24V-M	ZrO2 electrochemical cell for oxygen analysis in the autoclave
Blackbody source	POLYTECH CI Waldbronn, Germany	Customized	Black body source for spectro-pyrometer calibration
Standard calibration lamps	POLARON, Watford, UK	P.224c and P213c	Lamps for pyrometer and spectro-pyrometer calibration