吳天正 鄭鵬 杜志鵬

摘 要：中微子試驗(yàn)使用大量光電倍增管組成的密集陣列在水下環(huán)境中對(duì)中微子進(jìn)行探測(cè)和研究，由于光電倍增管外殼使用玻璃制造，殼體厚度很薄且內(nèi)部近似真空狀態(tài)。長(zhǎng)期承受水壓作用的玻殼可能發(fā)生整體破碎引發(fā)水下內(nèi)爆現(xiàn)象強(qiáng)力的沖擊波，當(dāng)沖擊波作用于臨近的其他設(shè)備時(shí)會(huì)對(duì)這些設(shè)備造成嚴(yán)重的危害。光電倍增管內(nèi)爆防護(hù)裝置可以避免光電倍增管水下內(nèi)爆沖擊波的產(chǎn)生。文章在密封壓力罐內(nèi)進(jìn)行了水下內(nèi)爆試驗(yàn)，采集了內(nèi)爆防護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)應(yīng)變和試驗(yàn)過(guò)程的高速影像，研究了光電倍增管內(nèi)爆防護(hù)裝置在內(nèi)爆防護(hù)過(guò)程中的響應(yīng)特性。

關(guān)鍵詞：光電倍增管；內(nèi)爆試驗(yàn)；防護(hù)裝置

中圖分類(lèi)號(hào)：TU746.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）20-0054-03

Abstract： The neutrino test uses a dense array composed of a large number of photomultipliers to detect and study neutrinos in the underwater environment. Because the photomultiplier shell is made of glass， the thickness of the shell is very thin and the interior is similar to vacuum. The glass shell which has been subjected to water pressure for a long time may have a strong shock wave caused by underwater implosion. When the shock wave acts on other nearby equipment， it will cause serious harm to this equipment. The explosion protection device of photomultiplier tube can avoid the generation of underwater implosion shock wave of photomultiplier tube. In this paper， the underwater implosion test is carried out in the sealed pressure tank， the structural strain of the implosion protection device and the high speed image of the test process are collected， and the response characteristics of the photomultiplier tube explosion protection device in the process of implosion protection are studied.

Keywords： photomultiplier tube； implosion test； protective device

1 概述

中微子是構(gòu)成物質(zhì)世界的基本單元之一，對(duì)中微子的研究有助于完善人們對(duì)物質(zhì)世界基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)。中微子的探測(cè)與研究主要是在深水環(huán)境使用大量光電倍增管（Photo-multiplies tube，簡(jiǎn)稱(chēng)PMT）組成的密集陣列中進(jìn)行的[1]。PMT外殼由玻璃制造厚度很小且殼內(nèi)部近似真空狀態(tài)，在深水環(huán)境下受到水壓加載的PMT玻殼受到其自身結(jié)構(gòu)中存在的一些微觀缺陷影響可能發(fā)生整體破碎，玻殼破碎后其內(nèi)部真空暴露在水中，水流在水壓作用下快速涌入玻殼內(nèi)部，最終具有極高速度的水流在PMT中心附近發(fā)生劇烈的相互碰撞，產(chǎn)生強(qiáng)力的內(nèi)爆沖擊波，當(dāng)內(nèi)爆沖擊波通過(guò)水域作用于相鄰的其他PMT時(shí)，引發(fā)這些PMT的水下內(nèi)爆，會(huì)導(dǎo)致被稱(chēng)為“殉爆”的連鎖反應(yīng)，影響中微子研究的正常進(jìn)行[2]。日本超級(jí)神岡中微子試驗(yàn)站于2001年發(fā)生了一起PMT殉爆事故，事故導(dǎo)致試驗(yàn)的11800個(gè)PMT中約60%完全破壞，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)3000萬(wàn)美元，維修耗時(shí)一年之久，嚴(yán)重阻礙了研究進(jìn)展。這起事故使各國(guó)相關(guān)團(tuán)隊(duì)意識(shí)到了PMT水下內(nèi)爆的危害，并開(kāi)始對(duì)PMT的水下內(nèi)爆及其防護(hù)防法進(jìn)行了研究[3-4]。

江門(mén)中微子試驗(yàn)使用的PMT內(nèi)爆防護(hù)裝置（以下簡(jiǎn)稱(chēng)防護(hù)裝置）通過(guò)確定裝置結(jié)構(gòu)上開(kāi)孔面積的大小，限制PMT玻殼破碎后水流的運(yùn)動(dòng)，能夠有效降低內(nèi)爆沖擊波強(qiáng)度[5]。本文通過(guò)在密封壓力罐內(nèi)進(jìn)行帶有防護(hù)裝置的PMT水下內(nèi)爆試驗(yàn)，研究了防護(hù)裝置在PMT內(nèi)爆過(guò)程中的響應(yīng)特性。

2 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)在可加壓壓力罐內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)布置如圖1所示，使用的3個(gè)PMT沿一排布置，兩側(cè)PMT安裝有防護(hù)裝置，中間PMT為裸裝。

試驗(yàn)時(shí)首先向壓力罐內(nèi)注水并在壓力罐頂部保留一定體積的空氣，隨后對(duì)罐內(nèi)空氣進(jìn)行加壓，以此來(lái)模擬PMT實(shí)際工作環(huán)境中承受的0.5MPa水壓作用。在裸裝PMT兩側(cè)對(duì)稱(chēng)安裝有一套擠壓裝置，試驗(yàn)通過(guò)擠壓裝置壓碎裸裝PMT產(chǎn)生內(nèi)爆沖擊波，使內(nèi)爆沖擊波觸發(fā)兩側(cè)防護(hù)裝置內(nèi)PMT玻殼破碎，以此研究防護(hù)裝置的響應(yīng)過(guò)程。

試驗(yàn)共采集了防護(hù)裝置上的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)如圖2所示，其中T1、T2位于防護(hù)裝置頂部與赤道位置，T3測(cè)點(diǎn)位于防護(hù)裝置下半部分球柱殼過(guò)渡位置。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 高速攝影

試驗(yàn)中使用高速攝影采集的裸裝PMT內(nèi)爆以及左側(cè)防護(hù)裝置和內(nèi)部PMT的響應(yīng)過(guò)程如圖3所示。

圖3中（a）、（b）為中心裸裝PMT內(nèi)爆過(guò)程，首先中間的PMT受到兩側(cè)機(jī)械裝置擠壓，在PMT玻殼受壓位置處開(kāi)始產(chǎn)生裂紋，隨后裂紋在高靜水壓力作用下沿PMT玻殼表面擴(kuò)展最終導(dǎo)致玻殼完全破碎，水流攜帶玻殼碎片向PMT內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)，在圖3（b）所示時(shí)刻水流相互碰撞產(chǎn)生內(nèi)爆沖擊波。產(chǎn)生的內(nèi)爆沖擊波向外擴(kuò)散，在圖3（c）所示時(shí)刻穿過(guò)防護(hù)裝置作用于防護(hù)裝置內(nèi)部的PMT玻殼表面，導(dǎo)致玻殼在沖擊波作用位置處發(fā)生失穩(wěn)產(chǎn)生裂紋，在防護(hù)裝置內(nèi)PMT發(fā)生破碎的同時(shí)，水流受到防護(hù)裝置內(nèi)外壓力差作用通過(guò)防護(hù)裝置上預(yù)先開(kāi)設(shè)的進(jìn)水孔向防護(hù)裝置內(nèi)部涌入并帶動(dòng)防護(hù)裝置內(nèi)的玻殼碎片如圖3（d）中所示發(fā)生劇烈翻滾。

3.2 防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)應(yīng)變

防護(hù)裝置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變時(shí)域曲線如圖4。

可以看出防護(hù)裝置上3處應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)均表現(xiàn)出了相同的變化過(guò)程：首先在內(nèi)爆沖擊波傳播未至防護(hù)裝置時(shí)，防護(hù)裝置內(nèi)外均被水填滿(mǎn)，結(jié)構(gòu)處于受力平衡狀態(tài)，此時(shí)防護(hù)裝置的應(yīng)變變化為零。隨后內(nèi)爆沖擊波傳播至防護(hù)裝置，并透過(guò)防護(hù)裝置作用于內(nèi)部PMT導(dǎo)致PMT玻殼快速破碎，這一過(guò)程中防護(hù)裝置受到內(nèi)爆沖擊波和瞬間產(chǎn)生的內(nèi)外壓力差作用，其應(yīng)變表現(xiàn)出明顯的沖擊振蕩狀態(tài)。在內(nèi)爆沖擊波作用過(guò)后，防護(hù)裝置內(nèi)部PMT完全破碎，外部水流通過(guò)防護(hù)裝置上預(yù)先設(shè)置的進(jìn)水孔涌入防護(hù)裝置內(nèi)部，此時(shí)防護(hù)裝置整體上承受近似恒定的外部壓力差作用，并在水流填充防護(hù)裝置內(nèi)部的整個(gè)過(guò)程中呈現(xiàn)為持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的穩(wěn)定壓縮狀態(tài)。最后隨著水流完全填滿(mǎn)防護(hù)裝置內(nèi)部空間，防護(hù)裝置內(nèi)外壓力再次平衡，測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變也逐漸返回0值水平。

4 結(jié)論

本文在可加壓密封罐中進(jìn)行了安裝內(nèi)爆防護(hù)裝置的光電倍增管水下內(nèi)爆試驗(yàn)，試驗(yàn)中安裝的內(nèi)爆防護(hù)裝置有效避免了光電倍增管內(nèi)爆沖擊波的產(chǎn)生。通過(guò)分析試驗(yàn)采集的內(nèi)爆防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)應(yīng)變以及試驗(yàn)高速攝影可知，試驗(yàn)中光電倍增管內(nèi)爆防護(hù)裝置在內(nèi)部光電倍增管玻殼破碎時(shí)首先受內(nèi)爆沖擊波與瞬間加載的壓力差載荷作用，整體呈壓縮沖擊響應(yīng)狀態(tài)；隨后在水流涌入防護(hù)裝置內(nèi)部過(guò)程中結(jié)構(gòu)受恒定壓力差作用呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)壓縮狀態(tài)；最后在防護(hù)裝置內(nèi)部被水流完全填滿(mǎn)時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)外壓力差消失，重新回到受力平衡狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

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