吴天正 郑鹏 杜志鹏

摘 要：中微子试验使用大量光电倍增管组成的密集阵列在水下环境中对中微子进行探测和研究，由于光电倍增管外壳使用玻璃制造，壳体厚度很薄且内部近似真空状态。长期承受水压作用的玻壳可能发生整体破碎引发水下内爆现象强力的冲击波，当冲击波作用于临近的其他设备时会对这些设备造成严重的危害。光电倍增管内爆防护装置可以避免光电倍增管水下内爆冲击波的产生。文章在密封压力罐内进行了水下内爆试验，采集了内爆防护装置的结构应变和试验过程的高速影像，研究了光电倍增管内爆防护装置在内爆防护过程中的响应特性。

关键词：光电倍增管；内爆试验；防护装置

中图分类号：TU746.5 文献标志码：A 文章编号：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

中微子是構成物质世界的基本单元之一，对中微子的研究有助于完善人们对物质世界基本规律的认识。中微子的探测与研究主要是在深水环境使用大量光电倍增管（Photo-multiplies tube，简称PMT）组成的密集阵列中进行的[1]。PMT外壳由玻璃制造厚度很小且壳内部近似真空状态，在深水环境下受到水压加载的PMT玻壳受到其自身结构中存在的一些微观缺陷影响可能发生整体破碎，玻壳破碎后其内部真空暴露在水中，水流在水压作用下快速涌入玻壳内部，最终具有极高速度的水流在PMT中心附近发生剧烈的相互碰撞，产生强力的内爆冲击波，当内爆冲击波通过水域作用于相邻的其他PMT时，引发这些PMT的水下内爆，会导致被称为“殉爆”的连锁反应，影响中微子研究的正常进行[2]。日本超级神冈中微子试验站于2001年发生了一起PMT殉爆事故，事故导致试验的11800个PMT中约60%完全破坏，经济损失高达3000万美元，维修耗时一年之久，严重阻碍了研究进展。这起事故使各国相关团队意识到了PMT水下内爆的危害，并开始对PMT的水下内爆及其防护防法进行了研究[3-4]。

江门中微子试验使用的PMT内爆防护装置（以下简称防护装置）通过确定装置结构上开孔面积的大小，限制PMT玻壳破碎后水流的运动，能够有效降低内爆冲击波强度[5]。本文通过在密封压力罐内进行带有防护装置的PMT水下内爆试验，研究了防护装置在PMT内爆过程中的响应特性。

2 试验布置

试验在可加压压力罐内进行，试验布置如图1所示，使用的3个PMT沿一排布置，两侧PMT安装有防护装置，中间PMT为裸装。

试验时首先向压力罐内注水并在压力罐顶部保留一定体积的空气，随后对罐内空气进行加压，以此来模拟PMT实际工作环境中承受的0.5MPa水压作用。在裸装PMT两侧对称安装有一套挤压装置，试验通过挤压装置压碎裸装PMT产生内爆冲击波，使内爆冲击波触发两侧防护装置内PMT玻壳破碎，以此研究防护装置的响应过程。

试验共采集了防护装置上的应变测点如图2所示，其中T1、T2位于防护装置顶部与赤道位置，T3测点位于防护装置下半部分球柱壳过渡位置。

3 试验结果分析

3.1 高速摄影

试验中使用高速摄影采集的裸装PMT内爆以及左侧防护装置和内部PMT的响应过程如图3所示。

图3中（a）、（b）为中心裸装PMT内爆过程，首先中间的PMT受到两侧机械装置挤压，在PMT玻壳受压位置处开始产生裂纹，随后裂纹在高静水压力作用下沿PMT玻壳表面扩展最终导致玻壳完全破碎，水流携带玻壳碎片向PMT内侧运动，在图3（b）所示时刻水流相互碰撞产生内爆冲击波。产生的内爆冲击波向外扩散，在图3（c）所示时刻穿过防护装置作用于防护装置内部的PMT玻壳表面，导致玻壳在冲击波作用位置处发生失稳产生裂纹，在防护装置内PMT发生破碎的同时，水流受到防护装置内外压力差作用通过防护装置上预先开设的进水孔向防护装置内部涌入并带动防护装置内的玻壳碎片如图3（d）中所示发生剧烈翻滚。

3.2 防护装置结构应变

防护装置应变测点的应变时域曲线如图4。

可以看出防护装置上3处应变测点的应变数据均表现出了相同的变化过程：首先在内爆冲击波传播未至防护装置时，防护装置内外均被水填满，结构处于受力平衡状态，此时防护装置的应变变化为零。随后内爆冲击波传播至防护装置，并透过防护装置作用于内部PMT导致PMT玻壳快速破碎，这一过程中防护装置受到内爆冲击波和瞬间产生的内外压力差作用，其应变表现出明显的冲击振荡状态。在内爆冲击波作用过后，防护装置内部PMT完全破碎，外部水流通过防护装置上预先设置的进水孔涌入防护装置内部，此时防护装置整体上承受近似恒定的外部压力差作用，并在水流填充防护装置内部的整个过程中呈现为持续时间较长的稳定压缩状态。最后随着水流完全填满防护装置内部空间，防护装置内外压力再次平衡，测点处的应变也逐渐返回0值水平。

4 结论

本文在可加压密封罐中进行了安装内爆防护装置的光电倍增管水下内爆试验，试验中安装的内爆防护装置有效避免了光电倍增管内爆冲击波的产生。通过分析试验采集的内爆防护装置结构应变以及试验高速摄影可知，试验中光电倍增管内爆防护装置在内部光电倍增管玻壳破碎时首先受内爆冲击波与瞬间加载的压力差载荷作用，整体呈压缩冲击响应状态；随后在水流涌入防护装置内部过程中结构受恒定压力差作用呈现稳态压缩状态；最后在防护装置内部被水流完全填满时，结构内外压力差消失，重新回到受力平衡状态。

参考文献：

[1]陈亚玲.大面积MCP型光电倍增管测试系统的实验研究[D].中

国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所），2015.

[2]黄治新，喻敏，杜志鹏，等.水下中空结构物内爆试验方法研究[J].振动与冲击，2017，36（3）：27-31.

[3]金键，侯海量，陈鹏宇，等.PMT水下内爆冲击波强度与传播特性研究[J].振动与冲击，2018（13）：100-104+122.

[4]王天穹，方志威，侯海量，等.下保護罩对PMT水下内爆载荷特性传播影响的数值研究[J].兵器装备工程学报，2018（6）：9.

[5]蒋永博.光电倍增管内爆防护装置设计与试验[D].沈阳工业大学，2017.