水下內爆過程中光電倍增管內爆防護裝置響應特性分析

吳天正 鄭鵬 杜志鵬

摘 要：中微子試驗使用大量光電倍增管組成的密集陣列在水下環境中對中微子進行探測和研究，由于光電倍增管外殼使用玻璃制造，殼體厚度很薄且內部近似真空狀態。長期承受水壓作用的玻殼可能發生整體破碎引發水下內爆現象強力的沖擊波，當沖擊波作用于臨近的其他設備時會對這些設備造成嚴重的危害。光電倍增管內爆防護裝置可以避免光電倍增管水下內爆沖擊波的產生。文章在密封壓力罐內進行了水下內爆試驗，采集了內爆防護裝置的結構應變和試驗過程的高速影像，研究了光電倍增管內爆防護裝置在內爆防護過程中的響應特性。

關鍵詞：光電倍增管；內爆試驗；防護裝置

中圖分類號：TU746.5 文獻標志碼：A 文章編號：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

中微子是構成物質世界的基本單元之一，對中微子的研究有助于完善人們對物質世界基本規律的認識。中微子的探測與研究主要是在深水環境使用大量光電倍增管（Photo-multiplies tube，簡稱PMT）組成的密集陣列中進行的[1]。PMT外殼由玻璃制造厚度很小且殼內部近似真空狀態，在深水環境下受到水壓加載的PMT玻殼受到其自身結構中存在的一些微觀缺陷影響可能發生整體破碎，玻殼破碎后其內部真空暴露在水中，水流在水壓作用下快速涌入玻殼內部，最終具有極高速度的水流在PMT中心附近發生劇烈的相互碰撞，產生強力的內爆沖擊波，當內爆沖擊波通過水域作用于相鄰的其他PMT時，引發這些PMT的水下內爆，會導致被稱為“殉爆”的連鎖反應，影響中微子研究的正常進行[2]。日本超級神岡中微子試驗站于2001年發生了一起PMT殉爆事故，事故導致試驗的11800個PMT中約60%完全破壞，經濟損失高達3000萬美元，維修耗時一年之久，嚴重阻礙了研究進展。這起事故使各國相關團隊意識到了PMT水下內爆的危害，并開始對PMT的水下內爆及其防護防法進行了研究[3-4]。

江門中微子試驗使用的PMT內爆防護裝置（以下簡稱防護裝置）通過確定裝置結構上開孔面積的大小，限制PMT玻殼破碎后水流的運動，能夠有效降低內爆沖擊波強度[5]。本文通過在密封壓力罐內進行帶有防護裝置的PMT水下內爆試驗，研究了防護裝置在PMT內爆過程中的響應特性。

2 試驗布置

試驗在可加壓壓力罐內進行，試驗布置如圖1所示，使用的3個PMT沿一排布置，兩側PMT安裝有防護裝置，中間PMT為裸裝。

試驗時首先向壓力罐內注水并在壓力罐頂部保留一定體積的空氣，隨后對罐內空氣進行加壓，以此來模擬PMT實際工作環境中承受的0.5MPa水壓作用。在裸裝PMT兩側對稱安裝有一套擠壓裝置，試驗通過擠壓裝置壓碎裸裝PMT產生內爆沖擊波，使內爆沖擊波觸發兩側防護裝置內PMT玻殼破碎，以此研究防護裝置的響應過程。

試驗共采集了防護裝置上的應變測點如圖2所示，其中T1、T2位于防護裝置頂部與赤道位置，T3測點位于防護裝置下半部分球柱殼過渡位置。

3 試驗結果分析

3.1 高速攝影

試驗中使用高速攝影采集的裸裝PMT內爆以及左側防護裝置和內部PMT的響應過程如圖3所示。

圖3中（a）、（b）為中心裸裝PMT內爆過程，首先中間的PMT受到兩側機械裝置擠壓，在PMT玻殼受壓位置處開始產生裂紋，隨后裂紋在高靜水壓力作用下沿PMT玻殼表面擴展最終導致玻殼完全破碎，水流攜帶玻殼碎片向PMT內側運動，在圖3（b）所示時刻水流相互碰撞產生內爆沖擊波。產生的內爆沖擊波向外擴散，在圖3（c）所示時刻穿過防護裝置作用于防護裝置內部的PMT玻殼表面，導致玻殼在沖擊波作用位置處發生失穩產生裂紋，在防護裝置內PMT發生破碎的同時，水流受到防護裝置內外壓力差作用通過防護裝置上預先開設的進水孔向防護裝置內部涌入并帶動防護裝置內的玻殼碎片如圖3（d）中所示發生劇烈翻滾。

3.2 防護裝置結構應變

防護裝置應變測點的應變時域曲線如圖4。

可以看出防護裝置上3處應變測點的應變數據均表現出了相同的變化過程：首先在內爆沖擊波傳播未至防護裝置時，防護裝置內外均被水填滿，結構處于受力平衡狀態，此時防護裝置的應變變化為零。隨后內爆沖擊波傳播至防護裝置，并透過防護裝置作用于內部PMT導致PMT玻殼快速破碎，這一過程中防護裝置受到內爆沖擊波和瞬間產生的內外壓力差作用，其應變表現出明顯的沖擊振蕩狀態。在內爆沖擊波作用過后，防護裝置內部PMT完全破碎，外部水流通過防護裝置上預先設置的進水孔涌入防護裝置內部，此時防護裝置整體上承受近似恒定的外部壓力差作用，并在水流填充防護裝置內部的整個過程中呈現為持續時間較長的穩定壓縮狀態。最后隨著水流完全填滿防護裝置內部空間，防護裝置內外壓力再次平衡，測點處的應變也逐漸返回0值水平。

4 結論

本文在可加壓密封罐中進行了安裝內爆防護裝置的光電倍增管水下內爆試驗，試驗中安裝的內爆防護裝置有效避免了光電倍增管內爆沖擊波的產生。通過分析試驗采集的內爆防護裝置結構應變以及試驗高速攝影可知，試驗中光電倍增管內爆防護裝置在內部光電倍增管玻殼破碎時首先受內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狀態；隨后在水流涌入防護裝置內部過程中結構受恒定壓力差作用呈現穩態壓縮狀態；最后在防護裝置內部被水流完全填滿時，結構內外壓力差消失，重新回到受力平衡狀態。

參考文獻：

[1]陳亞玲.大面積MCP型光電倍增管測試系統的實驗研究[D].中

國科學院研究生院（西安光學精密機械研究所），2015.

[2]黃治新，喻敏，杜志鵬，等.水下中空結構物內爆試驗方法研究[J].振動與沖擊，2017，36（3）：27-31.

[3]金鍵，侯海量，陳鵬宇，等.PMT水下內爆沖擊波強度與傳播特性研究[J].振動與沖擊，2018（13）：100-104+122.

[4]王天穹，方志威，侯海量，等.下保護罩對PMT水下內爆載荷特性傳播影響的數值研究[J].兵器裝備工程學報，2018（6）：9.

[5]蔣永博.光電倍增管內爆防護裝置設計與試驗[D].沈陽工業大學，2017.