Comments
Description
Transcript
資料23-36 - 東京大学宇宙線研究所神岡宇宙素粒子研究施設
底面光電子増倍管交換作業が増倍管に与えた影響を評価するための交換作業シミュレーシ ョン ２００１年１２月１５日 金行 健治 ２００１年の底面光電子増倍管交換作業では、増倍管の上に直接発泡スチロールボードを 置き、その上に作業者がのって交換作業をおこなった。この交換作業が増倍管になんらか の影響を与えた可能性を調べるため、底面光電子増倍管のモックアップを作り、交換作業 シミュレーションをおこなった。 モックアップ 光電子増倍管交換作業の前に交換方法を確認するために使用した架台に、交換作業で交換 した光電子増倍管１２本をスーパーカミオカンデで実際に増倍管を取り付けているのと同 じ方法で取り付けた。交換作業シミュレーション中に増倍管が破損した時の安全確保のた めに、補助台を各増倍管の周りに設置し、各増倍管の前面をビニールカバーで被い、架台 側面全体を鉄板で囲った。 （図１、２） 交換作業シミュレーション 交換作業をシミュレートするために交換作業時に増倍管に影響を与えた可能性のある作業 の作業量を以下のように評価した。 歩行：底面増倍管交換作業は底面の１／４単位で行った（円の４分割象限に相当） 。事故の 原因となった可能性のある第一象限で交換した増倍管の数は約３０本。作業者６人 全員が底面入口から交換した増倍管まで１往復したとして同じ増倍管上を歩いた回 数は 30×6×2=360 回以下。(360 回になるのは交換した３０本の PMT が同じ場所 にあった場合) 増倍管取り換え作業：10 分／交換した増倍管 清掃： 清掃自身は 1 分／増倍管。ただし清掃時ロの字型のボードを使ったので、力が加 えられた時間は約 10 分／増倍管。 これをシミュレートするために以下の作業をモックアップ上で行った。 歩行：ボード上を二人で歩き回る。 １枚で１２本の増倍管をカバーできる大きさのボードをしき、加重が１２本の増倍 管に一様にかかるようにする。３×４にならべられた増倍管の頂点を一回ずつ歩く と約８ｍ、歩行速度を毎時４ｋｍとすると、２人で 8m×360 回 ／ (4km/時×2 人) = 約 22 分で各増倍管の上を３６０回歩いたことに相当する。 取り換え作業： 取り替えに使用したロ型穴あきボードの大きさは３×３の増倍管に荷重がかかるよ うになっていて、中心にあるロ型の穴を通して増倍管の取り替え作業を行う。そこで ３×４配置のうち中心部分の増倍管 LM7043, KM4151 を交換するシミュレーション を行った。３×３のロ型ボードをしいてその上に 2 人乗り、10 分間 LM7043 の交換作 業をおこなったのと同様の力を加える。増倍管 1 列分ボードをずらし、同様に KM4151 増倍管の交換作業をシミュレートするため 10 分力を加える。 清掃：取り替え作業に使ったものと同じ３×３のロ型のボードを、また２×３の増倍管上 に板型のボードをしき（ボード半分の１×３部分が増倍管に当たり残り半分はロ型 ボード上に乗る)、 その上に２人乗り（実作業時は１人） 、LM7043 の清掃を５分間 シミュレートする。ボードの位置を反転させて KM4151 に対して同様の作業をおこ なう。 以上の作業を 8 回分行った。それぞれ実際の作業と比較すると 歩行：底面の端の方 80-240 倍 出入口周辺 8 倍程度 （60 増倍管の出し入れを 3 人で行った時に相当) 取り換え作業： （１−２）×８ = ８−１６倍 (ロ型のボードを使い作業を２回行ったため、４増倍管は２回（GJ4215, GH7620, 、８増倍管は１回圧力がかかる) JK7344, GH5313） 清掃：（１−２）×８ = ８−１６ 倍 (ロ型のマット＋板型のマットを使い作業を 2 回おこなったため、２増倍管は１回 (LM7043, KM4151)、１０増倍管は２回力がかかる。) の作業をおこなったことに相当する。 以上のシミュレーションをおこなった後、加圧テストのため浜松ホトニクスに増倍管に送 った。 また、歪み計を増倍管に装着し作業によってどの程度のストレスがかかるか測定した。そ の結果を本報告の最後に添付する。 図１ モックアップ 図２ シミュレーション時の PMT の配置 ｜ | コンテナ ハウス ----------------------------------------------------------------------------JK7690 GJ4215 GH7620 LM7126 GH7646 LM7043 KM4151 JK7451 AF4395 JK7344 GH5313 C D 5194 底面光電子増倍管交換作業シミュレーションにおける光電子増倍管のひずみ測定 2001 年 12 月 19 日 吉田 誠 2001 年に行なった底面光電子増倍管（以下 PMT と記す）交換作業において、作業者が発 泡スチロールボードに乗って作業したときに PMT の各部にかかる応力を見積もった。 測定箇所 底面モックアップの角に取り付けられた PMT（AF4395）の側面６箇所に、縦方向のひず みを測れる向きでひずみゲージＤ‘を貼り付けた。D についてはさらに円周方向も測れる よう、横向きにもうひとつのゲージを貼り付けた（図１，２） 。位置は以下のとおり。 取り付け位置 PMT 頭頂からの 備考 高さ A -12 cm 直径が最大の部分より上側 B -29 cm 直径が最も大きい部分 C -31cm 直径が小さくなっていく途中 D、D’（円周方向） -39cm 直径が最も小さくなったくびれ部分 E 締め付けバンド付近 F 締め付けバンドをモジュールに固定している場所 付近 ひずみ測定 以下のそれぞれの場合について PMT の各部に生じるひずみを測定した。 （１） 実験室内に設置された底面モックアップの PMT の上に置かれた発泡スチロールボ ード上（ひずみゲージを貼り付けた AF4395 の真上）に一人の研究者（体重 75kg） が乗り、静止している状態。 （２） ボード上（ AF4395 の真上）の研究者が体をゆすった場合。ただし、PMT の根元は バンドで締め付けられており、バンド 2 箇所をモジュール構造体の取付金具にねじ 留めされているため、ねじ止め位置を結んだ線に平行な向きと垂直な向きのそれぞ れについて PMT を振動させてみた。 （３） ボード上の乗る位置を変えて静止した場合。乗った位置は図３の三角印１から４の 4 箇所。 （４） ボード上を歩いたとき （５） 交換作業用のロの字発泡スチロールボード上で体重移動したとき 側面に貼り付けたひずみゲージ（ （株）共和電業 KFG-2-120-C1-16）の読み出しはひずみ 測定器（ （株）共和電業 DPM-711B）で行い、この出力をデジタルオシロスコープで記録 した。ひずみゲージの貼り付けにはエポキシ系の接着剤を使用し、貼り付け位置 A,B,C.D については貼り付け後３６時間、D’,E,F については１時間経ってから測定した。 測定結果 ひずみ測定器からの電気信号をオシロスコープで読み取り、ガラ スのヤング率を 6.5 × 105 kg/cm 2 として各部にかかる応力を計算した。電気ノイズや読み取り誤差のため測 定値には 0.2kg/cm 2 または 20％程度の誤差（どちらか大きい方）がある。 それぞれの測定の結果を以下に記す。 （１）および（２） 以下の表のとおり(単位は kg/cm 2 )。 静止(伸び側がマイナ 振動振幅（取付金具に ス) 平行 / 垂直） A -2.1 0.6 / 0.8 B -3.0 0.8 / 1.2 C -1.8 0.6 / 1.2 D 1.5 0.0 / 1.5 D’(円周方向) -6.0 1.5 / 3.6 E 0.2 3.9 / 2.4 F 0.5 2.7 / 1.8 静止状態で最も大きな応力が生じた D’の記録を図４に載せる。この図の横軸は時間、 縦軸はひずみ検出器からの出力電圧で、100mV がおよそ 3kg/cm 2 の応力に相当する。 図中の記録線は上からそれぞれ C,D’,D に対応する。この図からボードに乗った瞬間 （図中で 25 秒付近）に最大応力 6kg/cm 2 が円周方向伸び側に達したことがわかる。 （２）振動させたときに最大のひずみを生じたのは E で、図５にその様子を載せる。図中 の前半は取付金具に平行にゆすったとき、後半は垂直にゆすったときの様子で、上か らそれぞれ C,E,F に対応する。 （３）ボード上のそれぞれの場所に乗った時に各部にかかる応力は以下のとおり（単位は kg/cm 2 ）。 ボード上の 乗った場所１ 場所２ 場所３ 場所４ B -1.1 -2.7 -0.5 -1.2 C 0.5 1.1 0.3 0.6 D 0.6 1.1 0.2 0.8 PMT の真上に乗ったときに比べて、そのほかの場所では小さな応力しかかからない ことがわかった。 （４）足場上を歩いたときのひずみは、図６より最大で 2.4kg/cm 2 であった。 図にある周期構造は 6 本の PMT の間をおよそ 10 秒周期で往復したことによる。 （５）図７はロの字型足場でのひずみの様子で、足場の形状による顕著な影響は見られな かった。 ただし、 （３） （４） （５）については B,C,D の３点のみ測定した。 考察 今回測定したひずみの中で最大のものは D’であった。この位置では縦方向に圧縮、円周方 向に引っ張りの応力が働くことがわかった。測定（１）と（２）を比較すると、ボード上 で静止しているときは PMT の上部分に引張り応力がかかっているが、ゆすることによって PMT のくびれ以下にさらに大きな応力が働くことがわかった。ゆすったときの応力の振幅 は 3.6kg/cm 2 なので、PMT の交換作業に伴い最大10kg/cm 2 程度の応力が働いた可能性が ある。ガラスの引張り強さ（ 300kg/cm 2 から 900kg/cm 2 （理科年表） ）にくらべ、この結 果は十分小さく、交換作業は安全なものであったと思われる。また、繰り返し荷重したと きのガラスの疲労については破壊係数の３０％以上の荷重が加えられると無視できなくな るが（共立出版 ガラス工学） 、今回の PMT 交換作業シミュレーションでは十分無視でき るものであった。 図 1 ひずみゲージの貼り付け場所。 図 2 ひずみゲージの貼り付けの様子。 GJ4215 LM7043 JK7344 研究者が乗 った位置 1 ひずみゲージを 3 JK7690 図 3 JK7690 4 2 張った PMT AF4395 ボード上の乗る場所による PMT にかかる応力の変化の測定 図 4 静止状態での PMT 各部のひずみ。 図 5 ゆすったときの PMT 各部のひずみ 図 6 ボード上を歩いたときのひずみの様子。 図 7 ロの字型ボードに乗ったときのひずみの様子。 1／5 平成１３年１２月２１日 浜松ホトニクス株式会社 報告書 １．表題 R3600-05（ （20”PMT）底面 ）底面作業シュミレーション済品の圧力試験 ）底面作業シュミレーション済品の圧力試験 ２．目的 スーパーカミオカンデにおける底面交換作業と同様なシュミレーションを行った PMT について圧力試験を行い影響を調べた。１２本試験を行ったうちの破損した１本につい て報告する。 ３．条件 資料 R3600-05 GJ4215 (1BP2P4D-W) 底面作業シュミレーション済品 試験 放置試験 圧力 6.5 気圧 放置時間 １昼夜（約 24 時間） 使用機器 ＨＰＫ圧力試験機 ４．経過 １２月１３日（木） 14:10 PMT 入れ替え作業開始 14:50 圧力印加：6.5 気圧 室温 14℃ 17:40 圧力確認：6.3 気圧になっていたため 6.5 気圧に上昇させた。 １２月１４日（金） ５．結果 10:30 圧力確認：0 気圧 室温 12℃ 11:20 PMT 取り出し開始。（圧力試験機内が負圧の状態であることを確認） 破損を確認（写真参照） 写真１． 写真１ シリアル番号カード 写真 1. 2／5 写真２． 写真 2. 圧力計の指示が０を指示している。 写真３． 写真 3. ＰＭＴを水槽から引き上げた状態。 保護袋の下部から水が溢れでている。 写真４． 写真 4. 保護袋をとった状態。 くびれの部分でクラックが入り完全に二つに分離し ている。 写真５． クラックしたバルブをとった状態。 写真 5. 3／5 写真６． 写真 6. クラック部分の状態。 縦にもクラックが入っている。 写真７． 写真 7. 破片の一部 （一番大きなもの。その後２∼３個に折れ分割してし まった。 ） ６．クラック部分の状態 底面作業シュミレーション済品１２本のうち、圧力試験において破損した GJ4215 についてクラック状 態の詳細な観察を行った。 写真８．はクラックした全体の状態を示す。φ254 の 写真８． 写真 8. バルブのストレート部分より少し光電面側（約φ310 の位置）でほぼ水平に破断されている。 また、光電面方向及びステム方向に各１本の縦方向の クラックが伸びている。（それぞれの位置関係につい ては写真 11．参照） 写真 9. 縦方向のクラ ック(約 26cm) 縦方向のクラ ック(約 5cm) 4／5 写真１０．は破断面を真上から見た状態である。 写真１０． クラック端からおよそ 5∼10mm 付近のガラスの厚さをマイクロメータを用いて測定を行った。 2.90mm 縦方向のクラ 写真 10. ック(約 26cm) 2.65mm 2.31mm 2.32mm (矢印位置 矢印位置) 矢印位置 縦方向の 写真１１． 写真 11. クラック 矢印付近より左右対称な模様でバルブの内側に幾筋も のクラックが入っている。これらのクラックは表面まで には達していない。以上のことから矢印付近を始まりと して、外側からの力によりバルブ内側にクラックが入り、 最終的に二つに破断されてしまったと考えられる。 写真１０．に記入したガラスの厚さからこの部分が他に 比較し多少薄くなっていることがわかる。 また、縦方向のクラックについてはバルブが変形したた めに発生したものと考えられる。 写真１２．はステム側のクラック部分の拡大写真である。 写真１２． 写真 12. バルブの内側に幾筋ものクラックが入っている。 矢印 縦方向の クラック 5／5 写真１３．は光電面側バルブのクラック部分の拡大写真 写真１３． 写真 13. である。 ステム側と同様にバルブの内側に幾筋ものクラックが入 っている。 写真１４．は光電面側のバルブである。 写真１４． 写真 14. 矢印付近（写真 11．に示したものと同位置）からクラッ クの模様が左右へ対象的に分かれている。このことから 矢印（マジックの印）付近よりクラックが発生していっ たと推測される。 ７．バルブの肉厚 本ＰＭＴに用いたバルブの肉厚データを表に示す。 A B(2.0∼5.0) C(2.0∼5.0) (2.5∼7.0) イ ロ ハ ニ イ ロ ハ 319 3.9 2.5 3.2 3.3 2.7 3.2 3.1 3.2 （A：光電面中央部、 B：最大径の部分、 C：φ254 ストレート部分） Ｎｏ. ニ 2.9 （ ）内の数字は規格値を示す。 ８．外観の確認 傷などの外観の確認結果、圧力試験によるクラック以外の部分について特に変化は認められなかった。 月日 １１月２１日 １２月１１日 １２月１４日 結果 微小な傷１カ所あり 前回確認時と変化なし 破損以外の変化なし 備考 最初の外観確認 底面作業シュミレーション後 圧力試験後 ９．その他 本ガラスバルブの製造を行った日本無線硝子に調査を依頼した。内容については別途報告書を参照下さい。 以上 平成 13 年 12 月 26 日 浜松ホトニクス株式会社 御中 日本無線硝子株式会社 営業部長 小林弘志 製造部長 若井聖司 加圧テストにおいて破損した PMT（GJ4215）の破損原因について １．現象の確認 ① サンプルは同一円周上で破損し、本体の部分とネックの部分に分かれております。 (写真１) ② 破損部分を詳細に観察しましたが、傷は発見されませんでした。(写真２) ③ 前回の検査で発見された傷はありましたが破壊の原点ではありませんでした。 ④ 本体破損部位から２０ｍｍずれた部分の肉厚を計りましたが、別図のような寸法で した。 （基準位置は御社にて矢印をつけた部分とします） ⑤ 破損部分の直径はおおよそφ３１０ｍｍでした。(写真１) ⑥ 原点と思われる部分から左右に走る割れを確認しました。 ⑦ 肉厚方向で見ると剥離したような部分が確認されました。(写真 3) ⑧ サンプルは PMT 交換時の作業をシミュレートしているとのレポートを読みました。 ２．考 察 ① 破損部分の直径φ３１０ｍｍの部位はＲ１５０の円弧とＲ６５の円弧が交わる部分 にほぼ一致しています。この部分は応力が集中すると破壊しやすい部位と思います。 ② 肉厚は２ｍｍ以上あり、ほぼ平均的な値でこのサンプルに特に問題があったと思いま せん。 ③ 剥離した部分については、普段あまり見られない現象です。剥離は表面が上の部位も あれば、逆の部位もありました。 ④ 前回の観察でも見たとおり、バルブ表面に水に長時間漬かっていたことによる劣化は 見られませんでした。 ３．結 論 ① 一般的なガラスの性質として応力を受けると、その部位にひずみが発生しますが、応 力を開放した時点でひずみも解消すると考えられていますが、絶対に残らないとも言 い切れないところがあります。従ってこのサンプルにひずみが残るとしたら、破損し た部位付近であり、破損するとすればサンプルのようになると考えられます。 ② 破損部分の肉眼による観察では見つけられませんでしたが、ごく微細なクラックがあ った可能性はあります。 ③ 破損の状況が同一円周上にあることから、バルブの状態はきわめて均一で良好な状態 であったと言えます。その場合、考察①で述べたＲの交点部分がもっとも応力を受け やすいと考えられます。 ④ 剥離現象の原因については応力がバルブ全体に加わることによって、バルブが徐々に 変形し、破損部位付近で応力に抗しきれなくなって内側に向かって破壊したために起 こった現象ではないかと考えますが、特定はできません。 以上 図１ 破損位置と肉厚 写真１（本体部全体） 写真２（原点と思われる部位） 写真３（剥離が見られる部分） 資料：誘爆実験のセットアップ 誘爆実験はＳＫで起こった事故を再現することを目的としている。このため、9 本（３ｘ ３）の増倍管（PMT）をスーパーカミオカンデ（SK）と同じ間隔で配置し、中央に位置す る PMT を人為的に破壊し、衝撃波や水流が周りの PMT にどのように影響するかを観測す る。PMT の取り付けには、縦２１２ｃｍ、横２８８ｃｍ、高さ２７０ｃｍ、重さ８００ｋ ｇの専用フレームに、SK で実際に用いられている金具を取り付けて固定している。実験用 フレームには最大３Ｘ４＝１２個のＰＭＴを取り付けることができるが、本実験では９個 のＰＭＴを用いた（図１上） 。このフレームをクレーンで、事故当時とほぼ同じ水深約３０ ｍのＳＫ内水槽底部までで下ろし（図１下） 、誘爆実験を行う、本実験で使用するＰＭＴは 2000 年夏のＰＭＴ交換時に取り替えられたＰＭＴであり、それまで５年間、水中にあった ものである。交換した理由は電気的なものであり、これら PMT には機械的問題は全くない。 図 1 誘爆実験での PMT の配置と実験用フレーム 図 2 誘爆実験の位置 」 図２に誘爆実験装置の位置を示す。実験装置は、SK の所謂点検口（３ｘ４フレーム 2 個分 の大きさ）を利用して水中に下ろした。最初に破壊する PMT の位置を赤い点で示す。タン ク中心からは１０.２ｍ、内水槽までの距離は６.３ｍ、タンクの壁面までは９.０ｍである。 また、破壊時において、ＰＭＴ最大径部から内水槽底部（遮光シート）までの距離は９５ ｃｍ、タンク底部までは３５５ｃｍである。 誘爆実験には高速ビデオカメラ、歪みゲージ、圧力計、水流計、ハイドロホーンが測定 に用いられた。高速ビデオは１コマ２ミリ秒に対応している。10 ミリ秒程度である爆縮の 様子が時間経過にそって映像としてとらえられることが期待される。高速ビデオカメラは 実験が行われる水深およそ３０ｍの水圧とＰＭＴの破壊の際に出される衝撃波から保護す るために、厚さ３０ミリのアクリル窓の付いた耐圧容器に収められている。 図 3 上部に取り付けられた高速ビデオカメラ。圧力容器の中に入っている。 圧力計はセンサー部に圧電素子としてトルマリンを用いている。圧力計は最大 138MPa まで測定可能で応答が速く（1.5µsec） 、20G の衝撃まで耐えることができて、爆発圧・衝 撃圧の測定に通常用いられている。 図 4 圧力計。右図は設置されている様子。 歪みゲージはＰＭＴの表面に取り付けられ、ＰＭＴが衝撃を受けたときガラスの歪み情 報を与える。 図 5 ＰＭＴ取り付けバンド付近の歪みゲージ ＰＭＴの最初の 1 本の破壊は図６のような破壊装置「プッシャー」で行われる。これは 電気信号を受けると、シリンダー内後部の薬莢が爆発して先端部に取り付けられた高さ２ ０ミリ直径６０ミリの円錐状の先端部を初速およそ１トンの力で押し出す仕組みになって いる。プッシャーは、２ｃｍほど飛び出し PMT 内部で停止する。これをＰＭＴの大口径か ら小口径に移る部分に設置し、横からＰＭＴを破壊する（図６） 。 図 6 ＰＭＴ破壊装置「プッシャー」 図 7 プッシャーの設置の様子 ９個のＰＭＴを用いた誘爆再現実験は３回（Test 9-1, 9-2, 9-3）行われた。 Test 9-1： 図８ 日時 ２００１年１２月２６日１４時２８分 水深 ２７．９ｍ（ＰＭＴの最大径の位置） 圧力計は破壊されるＰＭＴ５の真上、高さ１４０ｃｍに４本取り付けられた。 同位置に取り付けた理由は、圧力計の相互チェックのためである。高速カメラ はＰＭＴ４の上方からＰＭＴ５を中心に収めるように設置した。歪ゲージはＰ ＭＴ２，５，４，８小口径部に周方向の歪みを検出するように取り付けられた。 図中に誘爆実験に使用されたＰＭＴが、交換前にＳＫのどの場所にあったかを 示す（側部／底部） 。図の上部が水槽の中央方向を向いている(以下同様)。 図 ８ Test9-1 のセットアップ Test9-2： 図９ 日時 １２月２７日１３時３６分 水深 ２７．８ｍ 圧力計をＰＭＴ１，５，７，９の上方に取り付けた。また、歪みゲージはＰ ＭＴ２，４，５，６のそれぞれ破壊されるＰＭＴ側の小口径部に周方向の歪 みを検出するよう取り付けられた。高速カメラは９本のＰＭＴをフレームに 収めるため、ＰＭＴ５と６の中間の真上でＰＭＴ面から高さ２５０ｃｍの位 置に設置した。 図 ９ Test-9-2 のセットアップ Test9-3： 図１０ 日時 １２月２７日１7 時３1 分 水深 ２７．８ｍ 圧力計、歪みゲージの位置は Test9-3 と同じであるが、高速カメラが横からＰ ＭＴ８を中心にとらえるように、ＰＭＴ７の後方のフレームにＰＭＴと同じ 高さに設置した。 図１０ Test9-3 のセットアップ 以下に Test9-３におけるＰＭＴ破壊の瞬間と残骸の様子を示す。図１１は水中カメラを ＰＭＴ１とＰＭＴ２の中間からおよそ２ｍの位置に降ろし、一般ビデオ（一コマ３０ミリ 秒間隔）で撮影したものである。画面中央奥に見えるＰＭＴ（９ｘ９の中央の増倍管）が 破壊され、手前左のＰＭＴ２、手前右のＰＭＴ１が破壊される様子をとらえている。 図 １１ 水中カメラがとらえたＰＭＴ破壊の瞬間 図１２にフレーム引き上げ後のＰＭＴの残骸を示す。左の写真は中央のＰＭＴ５、右はＰ ＭＴ４の残骸である。いずれもダイノード部が破壊され飛ばされている。なるべく残骸を 引き上げられるように、ＰＭＴのブリーダー部をヒモでフレームにつないであるが、引き ちぎられて回収できないものも存在した。 以下の写真は Test9-2 終了後水中から引き上げられた直後の写真である。いずれも手前右が ＰＭＴ１、中央がＰＭＴ５である。 図 １２ 引き上げられたＰＭＴの残骸 資料： 誘爆実験データ １．実験概要 事故原因究明のために今回行った光電子増倍管（PMT）破壊試験の概要は以下の通りである。このリス トの他に 0.7m 間隔で２本の PMT を用いた実験を２回行ったが、１回目はプッシャーの位置が不適当 であったため爆縮しなかった。２回目は PMT の爆縮には成功したが誘爆はしなかった。爆縮する PMT の周囲に他の PMT が有るか無いかで、爆縮の仕方や衝撃波生成の状況が異なるという指摘を受けたた め、以後、全ての誘爆試験は 9 本の PMT を用いて行った。 試験 Test1-1 Test9-1 Test9-2 Test9-3 PMT 破壊日時 特徴 PMT 本数 ・ 最初の一本の破壊テスト 24-DEC-2001 18:30 1 ・ PMT９本を使用した最初の誘爆テスト。 26-DEC-2001 14:28 9 ・ 使用する PMT は過去に受けたストレスが異なる物を使 用した。 ・ PMT の過去のストレスに関しては Test9-1 と異なる配 27-DEC-2001 13:36 9 置にした。 ・ 圧力計を立体的に配置した。 ・ 高速カメラのアングルを変更した。 （真上から撮影） ・ PMT の過去のストレスは同程度の物を選んだ。 27-DEC-2001 17:31 9 ・ 高速カメラのアングルを変更した。 （横から撮影） 表１：誘爆実験の概要 最初に PMT 破壊装置を用いて PMT を壊す試験（Test1-1）を行った。圧力計、歪み計を用いて、PMT の破壊の様子をモニターした。Test9-1、9-2、9-3 では、PMT を 9 本用いた。それぞれの試験では、高 速カメラの撮影位置を変更した。また、過去に PMT に与えられたストレスが異なる PMT を使用した。 Test9-1 では、相互チェックのため全ての圧力計を一カ所に配置したが、アンプの設定が不適当であっ たため圧力の値は正しく取得できなかった。ただし、時間情報は正しいと思われる。Test9-2 と Test9-3 では、衝撃波の到達時間の差から PMT 位置を同定するために、圧力計を立体的に配置した。 （セットア ップの詳細については「資料：誘爆実験セットアップ」を参照） ２．PMT 破壊装置による衝撃波発生の特徴 今回は最初の PMT を破壊するために PMT 破壊装置「プッシャー」を使用している。この PMT 破壊装 置は PMT のネック部を破壊するようにセットされている。 （「資料:誘爆試験セットアップ」参照） 破 壊装置による爆縮とそれに続く衝撃波発生のメカニズムを調べるために、PMT１つを用いて Test1-1 を 行った。図１に Test1-1 の圧力計と歪み計のデータを示す。 図１：Test1-1 の圧力計、歪み計データ 図１の横軸は経過時間で、PMT 破壊装置を起動した時間を 0 としてある。データは上の４つが圧力計 で、下の４つが歪み計である。圧力計 P3 のデータは得ることができなかった。図から T=11ms 付近で 歪み計 S1（プッシャーの反対側のネック部）にシグナルが見られる。この時に PMT 破壊装置の火薬に 点火し装置内の内圧を蓄えて始めたと考えられる。プッシャーは PMT に接していないが、増倍管を囲 むプッシャーを固定しているフレームに、90 度、180 度、270 度位置に取り付けられたボルトが PMT を抑えている。その後 PMT 破壊装置からプッシャーが射出され、T=25ms 付近で PMT に激突したと 考えられる。T=31ms までで PMT のネック部が破壊され、T=30∼40ms 付近で PMT の光電面付近に 大きなひずみが生じ破壊から爆縮に至っていると思われる。この PMT 爆縮の様子は、プッシャーによ る破壊であるため衝撃波による爆縮とは必ずしも同じでない可能性がある。衝撃波のシグナルは T=46ms に認められる。光電面部分に大きな歪が生じ始めたのを T=31ms と仮定すると、衝撃波発生ま では 15ms 程度であることがわかる。 ３．PMT 誘爆データの解析 1: タイミング、誘爆のメカニズムについて Test9-2 と 9-3 では 4 つの圧力計を立体的に配置した。これにより、各圧力計に衝撃波が到着した時間 差情報が PMT の位置によって特定のパターンを示すので、衝撃波を発生した PMT を推測することが 可能となった。 衝撃波の伝播速度は 1500m/s と仮定した。今回の解析では圧力センサー位置に最大 20cm 程度の誤差が含まれている。衝撃波の到着タイミングに換算すると最大約 0.1ms の誤差が含まれ ている。 最初に、Test9-2 の圧力計と歪み計のデータを図２に示す。この図の圧力計のシグナルは大きく分けて ４つのクラスターになっている。最初と二番目、二番目と三番目の時間差は約 15ms であり、三番目と 最後のクラスターは約 10ms である。Test1-1 から、光電面に強い歪みを生じてから衝撃波発生までは 15ms 程度かかることがわかった。よって、これらのクラスター間の時間間隔は、PMT が衝撃波を受け てから爆縮し次の衝撃波を出すまでの時間に相当すると考えられる。したがって、Test9-2 の破壊試験 での誘爆は周囲の PMT が全て同時に壊れたのではなく、連鎖的に PMT が破壊されたと考えられる。 最後のクラスターのみ時間間隔が短くなっているが、この理由としては、誘爆連鎖の後半で破壊された PMT は、それ以前の衝撃波によって既にダメージを受けていたため、衝撃波を受けてから（歪みを生 じてから）爆縮を開始するまでに要する時間（PMT ガラスを破壊する時間）が短くなったことが考え られる。さらに考察を推し進めれば、最初の PMT 破壊後、その近傍で 2 つ目の PMT が誘爆するとそ の後は、すでにダメージを受けている PMT が周りに存在するため、ほぼ確実に PMT 破壊の連鎖が継 続すると考えられる。Test1-1 で破壊された PMT では、数ミリ秒間歪みを発生し、その後爆縮してい ると思われる。Test9-2 の誘爆連鎖の過程で短縮された連鎖時間間隔は約 5ms であり Test1-1 での歪み 継続時間と矛盾しない。ただし、Test9-2 では PMT が衝撃波によって破壊されているのに対し Test1-1 では PMT 破壊装置で破壊したため、これらは厳密な比較対象にはならないであろう。 次に、各衝撃波を発生した PMT を推定する。圧力計の各シグナル領域を拡大したプロットが図３であ る。各プロット中には、推定した PMT 位置とその PMT 位置での衝撃波発生時刻（青線） 、各圧力計で の衝撃波到達予測時間（赤線）を示した。パターンが PMT 位置により特徴的なため、ほぼ一義的に同 定できる。 最初は PMT5 から衝撃波が発生する。図３から最初の衝撃波の到達時間差は PMT5 の場合に予測さ れる時間差と良く一致することがわかる。 ２つ目のクラスターには PMT8 と PMT6 が含まれると推定された。PMT8 の圧力シグナルは小さい が、高速カメラによる撮影データからこの時期に破壊されていることがわかっている。また、 T=41ms 付近のシグナルは時間差のパターンが PMT6 に一致する。 ３つ目のクラスターには PMT2、PMT9、PMT4 が推定された。いずれも時間差パターンが良く一致 する。特に PMT4 は約 0.5ms 間隔の衝撃波の大きな２つのピークがいずれの圧力計でも観測されてい る。 最後のクラスターは PMT1 、PMT7 、PMT3 が推定されている。PMT1 と PMT7 は時間差パター ンが良く一致する。PMT3 については他の衝撃波の影響によると思われるシグナルが多く、時間差パタ ーンがはっきりしないが矛盾はしていない。 以上の推定された誘爆順序と PMT の位置を考慮して、Test9-2 における誘爆連鎖の時間発展は図４の ように推定される。最初の一本 (PMT5)が爆縮後連鎖的に破壊された様子がよく説明できる。図４のプ ロット内の数値は衝撃波が発生したと予測される時間で、矢印の下の数値は衝撃波を受けてから次の衝 撃波を生成するまでの時間間隔である。この中で、PMT1 の誘爆は位置的には PMT2 と PMT4 が引き 起こした可能性があるが、時間差からは PMT2 によって引き起こされたと考える方が自然である。 PMT4 による可能性は否定できない。 次に、推定された Test9-2 の誘爆シーケンスと歪み計の結果と比較する。歪み計は PMT2,4,6,8 に取り 付けられている（ 「資料：誘爆実験セットアップ」参照） 。推定された爆縮連鎖によると PMT6 と 8 は最 初に誘爆を起こしている。 PMT6 と 8 が衝撃波を受けたのは PMT5 が衝撃波を放出したときで T=26ms である。図２より、PMT8 の歪み計 S1 は T=26ms 付近で、そして PMT6 の歪み計 S4 も T=26ms 付近 で値が急激に変化する。この時に PMT のセンサー付近のガラスに大きく歪が入った（衝撃波の到達） と考えて良いであろう。ただし、歪計のデータではその後、いつガラスの破壊から爆縮に至ったのかは 定かではない。同様に PMT2,4 の歪み計 S2、S4 のデータも PMT-6,8 の衝撃波発生時間後に大きく変 化しているので、図４の誘爆シーケンスと矛盾しない。 さらに、推測された誘爆のシーケンスと高速カメラのビデオ映像を比較した。詳しくは「５．PMT 誘 爆データの解析３」のセクションで述べるが、ビデオ映像と図４のシーケンスは良く一致する。 Test9-3 に対しても同様の解析を行った。圧力計と歪み計のデータを図５に、また推測された誘爆シー ケンスを図６に示す。Test9-3 の場合にも歪み計のデータと推測された誘爆連鎖は矛盾しない。 図２：Test9-2 の圧力計、歪み計データ 図３ Test9-2 PMT シグナル領域拡大図 あああああああああっｆ 衝撃波発生時間 T=26ms PMT-5 12ms 38 40 PMT-8 53 55 56 17ms 18ms 64 66 66 PMT-9 PMT-4 10ms PMT-7 14ms 8ms PMT-6 13ms PMT-2 11ms 13ms PMT 1 PMT 2 PMT 3 PMT 4 PMT 5 PMT 6 PMT 7 PMT 8 PMT 9 図４：Test9-2 誘爆シーケンス PMT-1 PMT-3 図５：Test9-3 の圧力計、歪み計データ 43 57 PMT-5 61 PMT-8 68 72 76 83 85 PMT-7 11ms 14ms 15ms 18ms PMT-9 PMT-6 11ms 18ms PMT-1 PMT-2 15ms PMT-3 9ms PMT-4 PMT 1 PMT 2 PMT 3 PMT 4 PMT 5 PMT 6 PMT 7 PMT 8 PMT 9 図６：Test9-3 誘爆シーケンス ４．PMT 誘爆データの解析２：衝撃波の圧力パルスについて ここでは、誘爆によって発生した衝撃波圧力パルスの特徴について述べる。データサンプルは Test9-2 と Test9-3 の PMT5 の衝撃波を除いた。表２に衝撃波シグナルの特徴をまとめた。 Test9-2 PMT8 PMT6 PMT2 PMT9 PMT4 PMT1 PMT3,7 Test9-3 PMT8 PMT1,4 PMT7 PMT9 PMT2 PMT6 PMT3 平均 最 大 ピ ー ク ピ ー ピ ー ク コメント 圧 力 半 値 幅 ク数 間 時 間 (MPa) (ms) (ms) 0.5 1.4 1.2 2.4 2.2 1.2 1.5 0.02 0.03 0.05 0.05 0.03 (0.2) 0.02 不明 2 2 2 2 (1) 不明 1.2 1.9 1.0 1.8 1.8 1.4 3.0 1.6 0.03 0.05 0.07 0.07 0.03 (0.6) 0.1 0.05 1 不明 4 3 2 (1) 2 2.2 0.15 0.1 0.25 0.5 パルス波高が小さい 1 つ目のパルスは小さい(0.5MPa 程度) 2 つ目のパルスは複数パルスが重なっている可能性あり 2 パルスがきれいに分離している 複数パルスが連続している可能性あり シグナルが密集している シグナルが密集している 0.5 0.7 0.05 3 パルスがきれいに分離している 複数パルスが連続している可能性あり 0.2 0.3 表２：各衝撃波パルスの特徴 これらの値はプロットから目で読み取ったが、不明瞭な値は( )付きで示した。また平均をとる際には( ) 内の値は使用しなかった。この結果、観測された衝撃波の最大圧力パルスの平均は約 1.8MPa である。 最大圧力を与える圧力計の距離を 1.4m、衝撃波の圧力は距離の 1.1 乗に比例して減衰するとし、隣接 PMT への影響を見積もるために爆縮 PMT の中心から隣の PMT のガラス面までの最短距離を 0.45m と すると、0.45m での衝撃波の圧力は約 5.6MPa と見積もることができる。観測された半値幅の平均は 0.05ms であった。１つの PMT 破壊で生じる圧力パルスの平均の数は 2.2 個であった。ピークの数はほ とんどが複数であった。それらのピーク間の時間間隔は平均 0.3ms であった。 このセクションの議論は目での読み取りによる解析であるため、半定性的なものである。 ５．PMT 誘爆データの解析３：高速カメラ映像 ここでは、高速カメラで撮影された映像から PMT 破壊の状況を理解することを試みる。高速カメラは ２ミリ秒で１コマ撮影を行い、その時間情報を画面最上部に表示する。最も右端の数値がミリ秒単位の 時間情報である。 まず、Test9-2 中の PMT 破壊状況について高速カメラの映像を、圧力計のデータと独立に分析する。 図７と図８に分析した結果を示した。この解析では光電面が完全に破壊した時点（直径が最小）で衝撃 波が発生していると想定し、画像から推測される衝撃波発生時刻を記入した。 衝撃波発生の画像から決定される時刻と圧力計から決定される時刻はオフセットを 1 つ決めればユニー クに決定できる。その関係が求まれば高速ビデオの映像と圧力計、歪み計の比較が精度よくできる。 ９回の衝撃波発生時刻をもちい、それぞれ、高速カメラの時間情報(t と表す)と、圧力計による推測され た時間(T と表す)を比較することによりオフセットを決定した。T は PMT 破壊装置を起動した時からの 経過時間である。表３は比較の結果である。 衝撃波発生時刻 PMT5 PMT8 PMT6 PMT2 PMT9 PMT4 PMT1 PMT7 PMT3 平均 圧力計(T) 26 38 40 53 55 56 64 66 66 高速カメラ(t) 48030 48044 48046 48056 48060 48060 48068 48068 48070 t-T-48000 4 6 6 3 5 4 4 2 4 4.2 表３：Test9-2 における高速ビデオと圧力計の衝撃波発生時刻の比較 表３で、圧力計による衝撃波発生の時間情報は図４の値を採用した。圧力計による時間と高速ビデオに よる時間は良く一致している。時間のずれは約 2ms で、高速ビデオ１コマ相当である。よって、 「PMT データの解析２」で導き出された図４の圧力計による誘爆シーケンスは高速ビデオ映像の結果を良く再 現している。この比較で求められた時刻の関係式 T = t – 48000 – 4.2 (式 1) を用いて求めた T の値を図７と図８に青文字で示す。 次に、高速ビデオ映像から可能な範囲で PMT 破壊の様子を分析する。まず Test9-2 の PMT6 に関 しては T=35.8 から T=41.8 の映像から、PMT5 に近い側の光電面最大径付近からひびが入り始め、最 終的に光電面全体が破壊されたように見える。 PMT4 に関して、図７、８の T=43.8 から T=55.8 までの映像から、まず光電面以外の（おそらく ネック部分）が破壊（または、破断）浸水し、光電面の下降あるいはダイノード部分の上昇により誘爆 がはじまったと思われる。 それ以外の PMT は一部の映像しか撮影されていないためどのような破壊であったのかは判別でき ない。 （「資料：誘爆実験セットアップ」参照）その映像を図９ Test9-3 では横から高速カメラで撮影した。 に示す。図９から PMT8 は光電面最大径でかつ衝撃波を受けた方向の部分から破壊/爆縮が始まってい る。PMT9 ではひびは光電面最大径でかつ衝撃波を受けたところから発生するが、爆縮はネック部分か らきのこ雲のようにつぶれ込んでいるように見える。このとき、引き続きダイノード部が引きあげられ ている。 以上から、PMT の爆縮の仕方は 1 種類ではないことがわかった。今回確認されたものは、以下の３ 種類である。 § 衝撃波を受けた側の光電面最大径近傍からひびが入り始め、光電面全体にひびが入った 後で大口径部分が潰れるように爆縮に転じる。 § 衝撃波を受けた側の光電面最大径近傍からネック部分にかけてひびが入り始め、ネック 部分が最初に破壊し、ネック部分がきのこ雲のように入り込むように爆縮をはじめる。 引き続きダイノード部分が強く引き上げられる。 § 大口径以外の場所（ネック部分かステム部分か不明）が破壊され、光電面の下降かダイ ノード部の上昇を伴い爆縮が始まる。 最初の PMT 破壊( P M T 5 ) ２番目のクラスター(PMT6,8) PMT6,8 共に原 型を留めてい まだ無傷。 T=17.8 る。 T=35.8 PMT5 の最大径に 亀裂が確認でき PMT8 の光電面 部分が確認し難 る。 くなる。 T=19.8 T=37.8 光電面とダイノー ドの相対位置がず れる。PMT の内部 に水が進入してい く。 PMT8 の外周部 がこのコマ以後 確認できなくな る。 (衝撃波発生) T=21.8 t=48044T=39.8 光電面のひびが増 加する。 PMT6 の形状が このコマ以後確 認できなくな る。 (衝撃波発生) T=23.8 t=48046 T=41.8 光電面が内向きに 陥没。映像では PMT の大きさが 最小になってい る。(衝撃波発生) t=48030 T=25.8 1 2 3 外側に向かって膨 張し始める。 4 5 6 7 8 9 T=27.8 図７：Test9-2 の高速カメラ映像１ 3 番目と４番目のクラスター(PMT2,4,9、PMT1,3,7) PMT2 に水が 入り始めたよ PMT4 の光電 面全体が砕け うに見える。 た。PMT1 の T=43.8 光電面にひび が入る。 PMT9 もこのコマ以 後は確認でき PMT4 の光電 面が下降、も ない。 しくはダイノ t=48060 ードが上昇を 開始した。 T=55.8 ( 衝撃波発生 ) T=45.8 PMT2 の輪郭 の一部が歪み 始めた。 PMT9 には水が入り 始めたように 見える。 PMT1 の最大 径部分が陥没 し始めたよう に見える。 PMT2 は光電 面全体にひび が入ったが、 形は留めてい るように見え る。 光電面の光の 反射から、 PMT7 が壊れ 始めたように 見える。 PMT2 は光電 面の形状が不 明瞭になる。 ( 衝撃波発生 ) PMT1 と 7 の 光電面が砕け たように見え る。 (衝撃波発生) t=48056 T=51.8 PMT4 はダイ ノードと光電 面が接触し、 光電面にひび が入った。 t=48068 T=53.8 このコマ以後 PMT3 の形状 が確認し難く なる。 (衝撃波発生) t=48070 T=55.8 図８：Test9-2 の高速カメラ映像２ １．実験開始直前。まだ破壊されていない。 ２．PMT5 が爆縮。 PMT8 の最大径付近が破壊される。 ３．PMT8 が爆縮し、ステム部分が上昇。 PMT9 の最大径付近に亀裂発生。 ４．PMT9 の光電面の亀裂が広がる。 PMT5 ５．PMT9 が破壊される。 図９：Test9-3 の高速カメラ映像 PMT8 PMT9 ６．誘爆実験結果のまとめ 今回の誘爆実験では以下のことが明らかになった。 § 水深 30m の環境下では 0.7m 間隔で配置された 20inch PMT の破壊は連鎖的に広がる。 § 最初の爆縮で必ずしも周囲の全ての PMT が誘爆するわけではない。 § 観測された衝撃波発生の時間間隔は 10∼20ms 程度で、誘爆連鎖の後半では短くなる。即 ち、最初の爆縮で破壊に至らなかった場合でも PMT にはダメージが蓄積される。 § 衝撃波による PMT 爆縮には何種類かあることがわかった。今回確認できたものは、 １）衝撃波を受けた側の光電面最大径近傍からひびが入り始め、光電面全体にひびが 入った後で大口径部分が潰れるように爆縮に転じる。 ２）衝撃波を受けた側の光電面最大径近傍からネック部分にかけてひびが入り始め、 ネック部分が最初に破壊し、ネック部分がきのこ雲のように入り込むように爆縮をは じめる。引き続きダイノード部分が強く引き上げられる。 ３）大口径以外の場所（ネック部分かステム部分か不明）が破壊され、光電面の下降 かダイノード部の上昇を伴い爆縮が始まる。 である。 § 観測された圧力パルスの平均の強さは 0.45m の距離で約 5.6MPa であった。 § パルスの平均の幅は約 0.05ms であった。 § 観測された１つの PMT 破壊で生じる圧力パルスの平均の数は 2.2 個で、時間差の平均は 0.3ms であった。 気泡の崩壊による音圧の影響について 1. 計算モデル 気泡振動にはその内部の熱現象が強く影響する ことがわかっている(1)．そこで，そのような現象を 考慮したモデルを用いて数値計算を行った． モデルの構築にあたり，用いた仮定を以下に示す． (1) 気泡は球対称を保って運動する． (2) 気泡内の圧力，温度は気泡壁のごく近傍を除い て一様であるとする． (3) 気泡内の気体は理想気体とする． (4) 気泡界面の温度は液体の温度に等しいとする． (5) 気泡内の不凝縮ガスはHenry の法則に従うもの とする． (6) 気泡内に生じる液滴の合体，分裂は起こらない． Fig.1: Time variation of bubble radii at various ambient pressures 2. 計算条件 初期状態において，気泡内では水蒸気はその温度 の飽和状態であり，また気泡内にはわずかに空気が 含まれているとした．そしてそれが周囲の水圧によ って振動する過程を計算した．用いた初期条件を Table.1 に示す．なお，初期状態での気泡周囲の溶 存空気は，0.1 気圧下での飽和濃度であるとした． Table 1: Initial conditions Bubble radius, Rb0 250[mm] Temperature 285[K] Vapor pressure inside a bubble 1.4[kPa] Air pressure inside a bubble 10[Pa] Ambient pressure 100∼500[kPa] Fig.2: Time variation of acoustic pressures from bubbles at various pressures (r = 0.7[m]) 3. 計算結果 気泡半径の時間変化を Fig.1 に，気泡中心から 0.7[m]離れた地点での圧力の時間変化を Fig.2 に示 す．気泡の遠方場の圧力は次式により求めている． n 2 n−1 + ( p ∞ B ) ( n − 1) ∂φ 1 ∂φ p a = − B 1 − + 1 − B c 2 ∂t 2 ∂r (1) ここで，φ：速度ポテンシャル，c：液の音速である． また，B および n は Tait 式における定数であり， B = 3.049×108[Pa]，n = 7.15 である． また，遠方音圧の最大値の，水深および気泡中心 からの距離による変化を Fig.3 に示す． Fig.3: Maximum acoustic pressure (far field) 参考文献 (1) 松本洋一郎，“気泡運動における不凝縮ガスの 影響（気泡壁における蒸発・凝縮への蒸気・不 凝縮ガス間の拡散の効果），”機論，52-475 ， B(1986)，pp.1168-1174 衝撃波強さの外気圧依存性 平成１３年１２月２８日 東大工学部松本教授・高木講師によるシミュレーションでは、気泡中心から１ｍ離れた地 点での圧力が計算されている。外気圧の関数としてそれを図示すると、 Pa/Pair vs Pamb 3 2.5 log Pa/Pair 2 1.5 1 0.5 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 log Pabm (atm) のようになり、衝撃波圧力は外気圧の約１．９乗に比例する。 水深３０ｍ（増倍管内部は真空であるから外気圧として４気圧）での球形気泡が崩壊した とき、その中心から０．４８ｍ離れた点での衝撃波圧力は１３０気圧と見積もられる（三 井造船シミュレーション）。従って、水深３ｍ（外気圧１．３気圧）での衝撃波圧力は１ ５気圧となる。 2001/12/28 三井造船（株） SuperKamiokande PMT 衝撃解析（第３報） 前回解析は球形モデルにて解析を行ったが、本解析では実際の形状に近いモデルにて 一部を取り出したモデルにて解析を行った。 １．解析モデル 図-1 解析モデル寸法 接点番号 ２２８１５ ２１８４８ ２０９８４ ２００７５ １９１８５ １８２９０ １７３３２ １６１５６ １４９１９ １３５５７ １２３３０ １１２６９ 【解析モデル】 １）モデル 1/48 円柱 48cm 半径 1.5m ２）PMT モデル（１個のみモデル化） 図１ ３）境界条件 モデル外縁境界条件：無限境界 その他境界：対象条件 ４）圧力条件：20m,30m 水圧負荷 図-2 解析モデル ２．解析結果 MPa 接点No.22815 Pmax=8.21MPa 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 水深20ｍ 水深30ｍ 0 5 10 15 時間(mS) 図-3.1 圧力時刻歴（PMT 頂点水平位置４８ｃｍ） 接点No.19185 MPa Pmax=9.02MPa 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 水深20ｍ 水深30ｍ 0 5 10 時間(mS) 図-3.2 圧力時刻歴（PMT 赤道水平位置４８ｃｍ） 15 接点No.11269 MPa Pmax=9.22MPa 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 水深20ｍ 水深30ｍ 0 5 10 時間(mS) 図-3.3 圧力時刻歴（PMT 底部水平位置４８ｃｍ） 15 ３．爆縮の様子 ４．考察 第２報（球体モデル）で報告した最大圧力と比較し、PMT の実際の形状に近いモデ ルでの本解析結果に於ける最大圧力は、３割強低くなっている。これは３項の図でも わかるとおり爆縮点が一点とならないことによる。 本解析結果の方が実際のＰＭＴ爆縮時に起こる衝撃圧力に近いものと考えられる。 光電子増倍管取り付け手順メモ と改善策 全体の工程 １）共通作業：光電子増倍管（ＰＭＴ）搬入、ＰＭＴケー ブル前処理と試験 ２）上面中央部分ＰＭＴ取り付け ３）側面ＰＭＴ取り付け ４）底面ＰＭＴ取り付け ５）上面端部ＰＭＴ取り付け 改善策は赤字にて記載 共通作業：光電子増倍管搬入、光電子増倍 管ケーブル前処理と試験 光電子増倍管搬入(浜松より) 運搬方法：トラック 坑内は上記に加えて、カミオカンデ奥についてはトロッコ、その他はローラーを併用 保管場所： 旧カミオカンデ坑道奥およびカミオカンデ斜坑（ 1992 - 1993年） （作業： 研究者＋鉱山作業者） 東４号 （ 1994 - 1995） （作業： 作業者＋研究者） 鉱山倉庫（1995） （作業：作業者） 改良項目：カミオカンデ奥坑道の保管場所は環境、作業性とも悪かったので、そのような場 所に保管場所を選ぶべきではない。 備考）ＰＭＴの箱は上下に分かれており、上側が段ボール、下側がプラスチック段ボールである。坑 内の湿気が高いため、数年におよぶ長期の保管をしたＰＭＴについては保管の際、上側の段ボー ルを取り去り、ビニール袋をかぶせた。 注）以後「 作業者」は特にことわらない限り全て 神岡鉱業エンジニアリングの下請け作業者をさす 運搬：作業者 運搬方法：小型トラック＋ローラー 光電子増倍管ケーブル処理と試験 場所： 東４号 ・段ボール製の上蓋（またはビニール袋） を取り去り、ケーブルの先端の外皮を専 用工具を用いてはぐ。 （作業：作業者） ・ＰＭＴ６個づつ暗箱に入れて高電圧をかけ、信号をオシロスコープで確認する。こ の際ＰＭＴは搬入時のプラスチック製段ボール下箱に入ったまま。 （作業：研究者） ・後の作業のために高電圧ケーブル線をケーブルに巻き付けビニールテープで固 定する。 （作業：研究者） 運搬：作業者 運搬方法：小型トラック＋ローラー 上面中央部分 上面３個モジュール製作 場所：現在のコントロール室と倉庫 ・３個組ＰＭＴモジュール用取り付け金具組立 (作業：作業者） ・ＰＭＴを保管箱から出して発泡ポリエチレン製の取り付け用台に乗せ、アルコール洗浄、ＰＭＴ 番号確認 （ 作業：研究者） 改良項目：ＰＭＴの洗浄時にＰＭＴの傷、形等の異常がないかを確認、記録する。 ・ＰＭＴ３個に取り付け金具をかぶせて、取り付け用のバンドを締める（ この際、取り付け金具は ポリエチレン製の取り付け台に乗っているので落としてＰＭＴにあたるような心配はほとんどない、 またバンドを締める工具は全てクッションで被いＰＭＴにあたってもＰＭＴが破損しないようにした） （作業： 研究者） 改良項目： ＰＭＴモジュールに取り付けられたＰＭＴの位置等ＰＭＴモジュールに異常 がないか項目を決めて確認、記録する。 ・ケーブル処理（ 洗浄し、３本を束ねる） （作業： 作業者） ・ポリエチレンシートで被い、埃よけと、万が一のＰＭＴ破損の際、ガラスの飛散を最小限におさ える処理をする （作業： 作業者） 運搬：作業者 運搬方法：小型トラック＋ローラー 場所： 東４号 ＰＭＴ一時保管 運搬：作業者 運搬方法：小型トラック＋ローラー （水槽内は幅６０ｃｍ長さ1.8ｍ、赤さ１０ｃｍ程度の専用台車） 改良項目：ＰＭＴ一時保管の際、経費が足りないことからＰＭＴ保護・ 運搬用の発泡ポリエチレンの台が足りず、浜松フォトニクスからの輸 送に使われたＰＭＴの箱を切って仮に使用した。そのため、仮の台か ら専用台に乗せ換える１工程だけ余分にＰＭＴがむき出しになった。 経費的に許されるなら、ＰＭＴ保護・ 運搬用の発泡ポリエチレンの台 は必要数製作すべきである。 上面中央部ＰＭＴの水槽への取り付け 場所： 水槽底面 ・下向きの３個組のＰＭＴモジュールを支持金具と運搬用ＰＭＴ保護台ごと取り付け専用 リフトに乗せて、上面架構（高さ約２ｍ）まで３個組ＰＭＴモジュールを上げ、架構にボルト で取り付ける。この際ボルト締めは電動工具を用いて行い、工具が誤ってＰＭＴにあたる ことがないようにした。 （作業：作業者） ・ケーブルを水槽上面架構上のケーブルトレイに沿って引き回し、ケーブルを水槽上ま で引き上げる （作業：作業者＋研究者） ・ＰＭＴ面のところにブラックシートを取り付ける。 （作業：研究者） ・ＰＭＴの番号と取り付け位置を記録する。 （作業：研究者） ＰＭＴ取り付け作業備考 ・外水槽ＰＭＴは、内水槽ＰＭＴがついた後にまずタイベックシートを取り付けてその後Ｐ ＭＴ取り付け。 （アメリカ側担当） ・上面中央部は水槽底面上でＰＭＴを取り付けた後、上面全体を所定の位置までつり上 げた。 （三井造船担当） 側面 側面３個モジュール製作 場所：現在のコントロール室と倉庫 ・３個組ＰＭＴモジュール用取り付け金具組立 (作業：作業者） ・ＰＭＴを保管箱から出して発泡ポリエチレン製の取り付け用台に乗せ、アルコール洗浄、ＰＭＴ 番号確認 （ 作業：研究者） 改良項目：ＰＭＴの洗浄時にＰＭＴの傷、形等の異常がないかを確認、記録する。 ・ＰＭＴ３個に取り付け金具をかぶせて、取り付け用のバンドを締める（ この際、バンドを締める工 具は全てクッションで被いＰＭＴにあたってもＰＭＴが破損しないようにした。また、側面用金具は 上面、底面用に比べると軽く、万が一ＰＭＴにあたった場合等の衝撃は小さいと考えられる） （作業：研究者） 改良項目： ＰＭＴモジュールに取り付けられたＰＭＴの位置等ＰＭＴモジュールに異常 がないか項目を決めて確認、記録する。 ・ケーブル処理（ 洗浄し、３本を束ねる） （作業： 作業者） ・ポリエチレンシートで被い、埃よけと、万が一のＰＭＴ破損の際、ガラスの飛散を最小限におさ える処理をする （作業： 作業者） 運搬：作業者 運搬方法：小型トラック＋ローラー 場所： 東４号、鉱山坑内事務所跡、 鉱山旧工作室 ＰＭＴ一時保管 運搬：作業者 運搬方法：小型トラック＋ローラー （水槽内は幅６０ｃｍ長さ1.8ｍ、赤さ１０ｃｍ程度の専用台車） 改良項目：ＰＭＴ一時保管の際、経費が足りないことからＰＭＴ保護・ 運搬用の発泡ポリエチレンの台が足りず、浜松フォトニクスからの輸 送に使われたＰＭＴの箱を切って仮に使用した。そのため、仮の台か ら専用台に乗せ換える１工程だけ余分にＰＭＴがむき出しになった。 経費的に許されるなら、ＰＭＴ保護・ 運搬用の発泡ポリエチレンの台 は必要数製作すべきである。 側面ＰＭＴの水槽への取り付け 場所： 水槽底面 ・３個組ＰＭＴモジュールとＰＭＴ運搬用保護台を４本のバンドで固定し、側面ＰＭＴ取り付け専用リ フトで側面架構（高さ約2.1ｍ、ＰＭＴ１２個が取り付く）まで３個組ＰＭＴモジュールの一端をつり上 げ、架構にボルトで取り付ける。この際、作業が終わるまでＰＭＴ保護をかねた発泡ポリエチレン 製のＰＭＴ取り付け台はＰＭＴモジュールからはずさず安全を確保した。また、ボルト締めは電動工 具を用い工具が誤ってＰＭＴにあたる等の事故を防ぐようにした。 （作業：作業者） 改善項目： 万が一ＰＭＴが架構にあたってもＰＭＴに衝撃を与えないよう、ＰＭＴ取り付 け前に架構に養生をする。 ・ＰＭＴ面のところにブラックシートを取り付ける。 （ 作業：研究者＋作業者） ・ＰＭＴの番号と取り付け位置を記録する。 （作業：研究者） ・側面架構造の補強のための横向きの２本のＬアングルをボルト締めする （ 作業：作業者） 改善項目：万が一の事故に備えて、Ｌアングル取り付け前に上下のＰＭＴ前面を防爆用 の布で覆う。 ・翌日、ＰＭＴ架構をつり上げ水槽に固定する。 （作業： 三井造船作業者） ・ケーブルを水槽上まで引き上げる （作業：三井造船作業者） ＰＭＴ取り付け作業備考 外水槽ＰＭＴは、内水槽ＰＭＴがついた後に、同じ日の内に、まずタイベックシートを取り付けてそ の後ＰＭＴ取り付け。 （アメリカ側担当） 底面 底面３個モジュール製作 場所：現在のコントロール室と倉庫 （一時期、鉱山の旧坑内工作場跡） ・３個組ＰＭＴモジュール用取り付け金具組立 (作業：作業者） ・ＰＭＴを保管箱から出して発泡ポリエチレン製の取り付け用台に乗せ、アルコール洗浄、ＰＭＴ 番号確認 （ 作業：研究者） 改良項目：ＰＭＴの洗浄時にＰＭＴの傷、形等の異常がないかを確認、記録する。 ・ＰＭＴ３個に取り付け金具をかぶせて、取り付け用のバンドを締める（ この際、取り付け金具は ポリエチレン製の取り付け台に乗っているので落としてＰＭＴにあたるような心配はほとんどない、 またバンドを締める工具は全てクッションで被いＰＭＴにあたってもＰＭＴが破損しないようにした） （作業： 研究者） 改良項目： ＰＭＴモジュールに取り付けられたＰＭＴの位置等ＰＭＴモジュールに異常 がないか項目を決めて確認、記録する。 ・ケーブル処理（ 洗浄し、３本を束ねる） （作業： 作業者） ・ポリエチレンシートで被い、埃よけと、万が一のＰＭＴ破損の際、ガラスの飛散を最小限におさ える処理をする （作業： 作業者） 運搬： 作業者 運搬方法：小型トラック＋ローラー 場所： 東４号 ＰＭＴ一時保管 運搬：作業者 運搬方法：小型トラック＋ローラー （水槽内は幅６０ｃｍ長さ1.8ｍ、赤さ１０ｃｍ程度の専用台車） 改良項目：ＰＭＴ一時保管の際、経費が足りないことからＰＭＴ保護・ 運搬用の発泡ポリエチレンの台が足りず、浜松フォトニクスからの輸 送に使われたＰＭＴの箱を切って仮に使用した。そのため、仮の台か ら専用台に乗せ換える１工程だけ余分にＰＭＴがむき出しになった。 経費的に許されるなら、ＰＭＴ保護・ 運搬用の発泡ポリエチレンの台 は必要数製作すべきである。 底面ＰＭＴの水槽への取り付け 場所： 水槽底面 ・下向きの３個組のＰＭＴモジュールをバンド４本で運搬用ＰＭＴ保護台と固定し、ＰＭＴモジュールを 運搬用ＰＭＴ保護台ごと上向きにする。 改良項目： ここが危険な作業なので、万が一バンドを止め忘れてもＰＭＴ破損がないよう に床に発泡ポリエチレン等を敷いて、その上でＰＭＴモジュールを回転させる。 ・取り付け専用リフトに３個組ＰＭＴを乗せて転倒防止の固定をする。 ・ＰＭＴ保護台を取りはずし、厚い布製の防爆用キャップを各ＰＭＴにかぶせる。 改良項目： 建設時のものは上からかぶせるだけでＰＭＴの後ろの方にガラスが飛び散ると 完全にはガラスが止まらない構造であったので、すっぽりＰＭＴを覆ってしまうよ うな（シャワーキャップのようなイメージ） ものに換える。 ・取り付け専用リフトで底面架構（高さ約２ｍ） まで３個組ＰＭＴモジュールを上げ、架構にボルトで取 り付ける。この際ボルト締めは電動工具を用い工具が誤ってＰＭＴにあたる等の事故を防ぐようにし た。 （以上の作業：作業者） ・ケーブルを水槽側面までケーブルトレイに沿って引きのばす（作業： 作業者＋研究者） ・ケーブルを水槽上まで引き上げる （ 作業：三井造船作業者） ・ＰＭＴ面のところにブラックシートを取り付ける。 （作業： 研究者＋作業者） ・ＰＭＴの番号と取り付け位置を記録する。 （作業： 研究者） 底面でのＰＭＴ取り付け作業備考 外水槽ＰＭＴは、内水槽ＰＭＴがついた後にまずタイベックシートを取り付けてその後ＰＭＴ取り付け。 （アメリカ側担当） 上面端部 上面３個モジュール製作： なし。上面端部は本数が限られ、 また端であるのでＰＭＴ１本づつ水槽架構に取り付けた。 上面ＰＭＴバンド取り付け 場所： 水槽上部 ・ＰＭＴを保管箱から出して発泡ポリエチレン製の取り付け用台に乗せ、アルコール洗浄、ＰＭＴ 番号確認 （ 作業：研究者） 改良項目：ＰＭＴの洗浄時にＰＭＴの傷、形等の異常がないかを確認、記録する。 ・ＰＭＴ１個に取り付けバンドをかぶせて、取り付け用のバンドを締める（ この際、バンドを締める 工具は全てクッションで被いＰＭＴにあたってもＰＭＴが破損しないようにした）。その後で、上面 フレームに取り付けるための小フレームをねじ止め。 （ 作業：研究者） 改良項目： ＰＭＴのバンド取り付け位置等に異常がないか項目を決めて確認、記録する。 ・汚れていればケーブル洗浄 （ 作業：研究者） ・ポリエチレンシートで被い、埃よけと、万が一のＰＭＴ破損の際、ガラスの飛散を最小限におさ える処理をする （作業： 研究者） 水槽上面マンホールまで台車で箱に入ったＰＭＴを運び、水槽内のボートに 箱ごとホイストで降ろす （作業： 研究者） 上面端部ＰＭＴの水槽への取り付け 場所： 水槽水面でボート による作業 ・ボートにＰＭＴを箱ごと乗せ、所定の位置まで行く。 （ 作業：研究者） ・バンドと小フレームのついたＰＭＴ１個を上面架構の上に設置した小さいウインチでつり上げ、上 面架構に電動工具でねじ止めする。 この際架構の上下に人がいて、ＰＭＴ破損等の危険がないよ うに注意した。 （ 作業：研究者） 改良項目： ＰＭＴに防爆用の布をかぶせて作業を行う。 ・ケーブルを水槽上面架構上のケーブルトレイに沿って引き回し、ケーブルを水槽上まで引き上げ る （作業：研究者） ・ＰＭＴ面のところにブラックシートを取り付ける。 （ 作業：研究者） ・ＰＭＴの番号と取り付け位置を記録する。 （作業：研究者） ＰＭＴ取り付け作業備考 ・外水槽ＰＭＴは、内水槽ＰＭＴがついた後にまずタイベックシートを取り付けてその後ＰＭＴ 取り付け。 （アメリカ側担当） 光電子増倍管取り付け作業時等における光 電子増倍管破損について • • • カミオカンデ奥の坑道からＰＭＴを取り出す際、誤ってＰＭＴの入った 箱を倒した。このとき箱の上側は湿気対策のため段ボールからビニー ル袋に変えてあった。ＰＭＴはプラスチック段ボールの下箱とビニー ル袋で被われていたため、ＰＭＴ破損以外の被害はなし。 作業者が水槽底面で底面ＰＭＴ取り付け作業で３個組ＰＭＴモジュー ルを上向きに変えるとき、ＰＭＴモジュールと保護用の台を固定して いたバンドを止め忘れて作業したため、ＰＭＴモジュールと保護用台 がはずれＰＭＴがむき出しになって底面に衝突、破損。ガラスが粉々 になった。作業者を含めてＰＭＴ破損以外の被害はなし。 三井造船作業者が水槽上面で作業（足場撤去）をしていたときあや まって物（足場用パイプ）を水槽上面に取り付けたＰＭＴにあて、ＰＭ Ｔにひびが入る。被害はＰＭＴが壊れた以外はなし。 「圧力水によるアクリル板上孔の流量測定と損傷検査の結果報告」 平成１３年１２月１８日 東京大学 宇宙線研究所 神岡宇宙素粒子研究施 伊藤 好孝 福田 善之 三浦 真 塩澤 真人 １．目的 防爆ケースに使用が予定されているアクリル板には、爆縮時に外部から水を流入させるための孔 を用意する必要がある。本報告書は、水圧５気圧における孔からの流量の測定と孔がアクリル板に 与える影響（破損、損傷の有無）の検査結果を記す。測定は平成１３年１２月１７日（曇り、気温 ２度）、１８日（曇り時々雪、気温１度）の両日に行われた。試験に使用したアクリルはクラレ製 コモグラフで厚さ１０㎜のものであり、性能表を添付資料に示す。 ２．検査方法とセットアップ 検査方法は、茂住選抗近くの既設の消火栓（最大圧２０㎏／㎝２）にＳＧＰ５０Ａの配管を接続 し、羽根車復湿式水道メータ（流量計）で流量の観測を行った。圧力計はアクリル板出口の１０㎝ 手前に設置した。孔を開けたアクリル板を配管先端にフランジで固定する。そこに５気圧もしくは ６．５気圧の水圧を１０分間印可し配管内の流量を測定するとともに、試験後にアクリル板の孔周 辺部および板全体に破損や損傷が確認されるかどうか検査した。図１に水圧試験のセットアップを 示す。 図 １ セットアップの写真。右に既設消火栓と圧力調整バルブ、 及び中央付近の青い部分が羽根車復湿式流量計、左端に圧力計と アクリル板がある。 使用したアクリルに開けた孔の径は１５㎜、１０㎜、および５㎜であり、１５㎜に関しては孔数が １，２、３個、１０㎜では１，２，４個、５㎜で２，４，９個とした。それぞれの孔の個数と位置 は図２、３に示した。このように孔をアクリル板に複数個開けたのは、流量が孔数（面積）に比例 するかどうかと確認すると同時に、孔間の距離を変えることによりアクリルの水圧にたいする強度 の検査を行うためである。 図 ２ １５㎜および５㎜の孔の個数とアクリル板上の配置 図 ３ １０㎜の孔の個数とアクリル板上の配置 図４にフランジに実装したアクリル板（１５㎜径の孔１個）の写真を示す。また、図５に圧力試験 注の水の噴き出しの様子を示す。 図 ４ フランジに実装されたアクリル板と１５㎜の孔 図 ５ 圧力試験中のアクリル板からの水の放出 ３．測定結果 測定データをまとめると以下の表になる。 水圧 ０．６５ＭＰａ （流速の理論値は３６．１ｍ/秒） 孔径 １５㎜ 孔数 １（１．７７㎝２） 流量 ４．２㍑/秒 流速 ２３．７ｍ/秒 孔径 ２ １０㎜ 孔数 ８．３㍑/秒 １（０．７９㎝ ） 流量 ２．０㍑/秒 流速 ２６．０ｍ/秒 孔径 ５㎜ 孔数 ２（３．５３㎝２） ３（５．３０㎝２） ２（０．３９㎝２） 流量 １．０㍑/秒 流速 ２６．７ｍ/秒 ２３．５ｍ/秒 ２（１．５７㎝ ） ４（３．１４㎝２） ４．１㍑/秒 ４（０．７８㎝２） ９（１．７７㎝２） ２．０㍑/秒 ４．７㍑/秒 ２６．１ｍ/秒 ２６．５ｍ/秒 孔径 １５㎜ 1（１．７７㎝２） 流量 ３．７㍑/秒 流速 ２１．１ｍ/秒 １０㎜ 孔数 測定なし ２６．０ｍ/秒 ０．５１ＭＰａ （流速の理論値は３１．９ｍ/秒） 孔径 ２０．４ｍ/秒 ２ 水圧 孔数 １１．７㍑/秒 １（０．７９㎝２） 流量 １．８㍑/秒 流速 ２２．６ｍ/秒 （参考）流速の理論値の算出 ベルヌーイの定理より、動圧ρｕ2/2 と静圧ｐが等しいことから、ｐ＝０．６５ＭＰａ又 は０．５１ＭＰａ、ρ＝１０００ｋｇ /ｍ３を代入するとｕ＝３６．１ｍ/秒、および３１．９ｍ/秒 が得られる。 Flow at 0.65MPa Flow (L/sec) 15 15mm 10mm 5mm 10 5 0 0 2 図 ６ 4 6 # of Holes 8 10 流量と孔の面積の関係 水圧が０．６５ＭＰａ（６．４気圧）で測定した場合の流量と孔の面積との相関の結果を図６に 示す。これから、流量は圧力が同じ場合には孔の個数（面積）に比例していることがわかる。また、 ０．５１ＭＰａ（５気圧）で１０㎜、１５㎜の孔径で１個孔のアクリル板を測定した時の流量は、 それぞれ１．７７㍑/秒および３．７２㍑/秒であった。圧力の違いによる流量の変化は、ベルヌー イの定理により圧力の比と流速の２乗の比に等しいことから、１５㎜径では（０．６５ＭＰａ／０． ５１ＭＰａ）＝１．２７＝（４．２㍑/秒／３．７２㍑/秒）２、また１０㎜径では１．２７＝（２． ０㍑/秒／１．７７㍑/秒）２と理論通りに合っている。次に、孔径と流速（流量は流速に孔の面積を 乗じたもの）の関係を見ると図７のようになる。流速は同じくベルヌーイの定理により理論的に計 算することができ、水圧が６．４気圧では流速３６．１ｍ/秒、５気圧では３１．９ｍ/秒と得られ る。これらの値は図７の値と比べると約３０％程度理論値より小さい値となっているが、これは管 内抵抗やアクリル板の孔の出口でのエネルギー損失により流速が落ちているものと考えられる。ま た、孔径による流速の変化も図７のように見られるが、その変化量は１０％程度である。 Velocity(m/sec) Flow velosity 30 25 20 15 10 5 0 5mm 0 図 ７ ４．破損・損傷の目視検査 10mm 0.5 1 1.5 Area(cm^2) 15mm 0.65MPa 0.51MPa 2 孔径に対する単位面積当たりの流量 ０．６５ＭＰａの水圧で１０分間印可した後、それぞれのアクリル板で孔の周辺部の損傷や破損 がないか目視による検査を行った。結果は、全てのアクリル板において全く破損および損傷が見当 たらなかった。図８に水圧試験後のアクリル板の孔周辺部の様子の例を示す。 図 ８ 水圧試験後の孔周辺部。左上に１０㎜の孔が見える。 ５．結論 今回の測定で５気圧の水圧に対する流速の直接測定を行い、流速は２３ｍ/秒という値が得られ 理論計算値である３２ｍ /秒に比べて３０％程小さい結果であった。これは管内抵抗やアクリル板 の孔の出口によるエネルギー損失によるものと考えられる。また、５気圧の環境下では、１０㎜厚 のアクリル板は非常に強固であり破損等の現象は確認されず、水吹き出し孔の周辺部にもまったく 損傷を受けないことがわかった。 資料 アクリル（コモグラス）の性能表。 ＳＮＯ実験におけるアクリルの経時変化について 東大宇宙線研究所 １ 助手 三浦 真 はじめに ＳＮＯはカナダの地下に設置されたニュートリノ検出器である。ここでは重水 １０００トンを直径１２ｍのアクリル容器で保持している。この容器は厚さ５ ｃｍのパネル１２５枚をボンドで接着することによって構成されている。ここ ではＳＮＯで用いられているアクリル板の光学的性質およびボンドの機械的 性質の経年変化について報告する。 ２ 光学的性質について ２−１ 方法 アクリルの性能を評価するため、まずサンプルの透過率を測定する。サンプ ルは純水で満たされた容器に置かれ、波長 ２５０−５００ｎｍのレーザー光 を入射し、各波長における透過率を測定する。次に、実際のＳＮＯ実験の状況 を考えて、以下のように評価値Ｆを定義する。 Ｆ ＝ （∫ｄλ・ＣＴＤ２ＯＴａｃｒｙＴＨ２ＯＱＰＭＴ） ／（∫ｄλ・ＣＴＤ２ＯＴＨ２ＯＱＰＭＴ） λ:：波長 Ｃ：チェレンコフ光のスペクトラム ＴＤ２Ｏ：重水の透過率 Ｔａｃｒｙ：アクリルの透過率 ＴＨ２Ｏ：水の透過率 ＱＰＭＴ：ＰＭＴの量子効率 これはアクリルの実効的な透過率を積分したような値である。これを用いてア クリルの性能を評価する。 アクリルの経年変化をシミュレートするために、温度６０度に保った重水に つけ、２，４，６週間後にサンプルを取り出し、上記の値を計算した。文献に よれば温度６０度の水に４０日間漬けておくことは、１０度の水で１０年に相 当する。 ２−２ 結果 いくつかのメーカーのアクリルサンプルの結果を以下に示す。 サンプル ０週間 ２週間 ４週間 ６週間 ＃１ 0.558 0.573 0.579 0.579 ＃２ 0.724 0.761 0.752 0.736 ＃３ 0.724 0.731 0.743 0.733 ＃４ 0.724 0.732 全般的に、水に浸した後一時的にＦ値の増加が見られ、以降安定する傾向にあ る。Ｆ値の変化はサンプルによってばらつきはあるものの、約２％以内に収ま っている。これにより、ＳＮＯグループはアクリルの光学的性質の経時変化は 十分少ないと結論づけている。 ３ 水中における接着の劣化について ＳＮＯではアクリルボンドの水中における強度の長期的変動をモニターする ために、水中に漬けたサンプルを定期的に取り出し、その強度をチェックして いる。残念ながらまとまったレポートを入手できなかったが、その方法といく つかのデーターを紹介する。 ３−１ 方法 まず、Ｆｉｇ．１に示すようなアクリル角材をボンド（ＬＵＣ６７５１）で つなげた試材を用意する。これを内径９６５ｍｍ、深さ７００ｍｍのタンクに 置き、ＳＮＯからの返り水で満たす。試材をタンクに設置する際、Ｆｉｇ．１ に示すように直径９．５ｍｍのステンレスチューブを間に挟み、これを積み上 げたものにステンレス板を５枚乗せて２８．４ｋｇの荷重を与える（Ｆｉｇ． ２）。タンク内の水は１２度で、一日に全容積を交換する割合で循環している。 このように負荷を与えながら水中に置かれている試材をある期間ごとに１０ 本取り出し、強度の試験を行う(ASTM D-790 Method II)。 ３−２ 以下、入手したデーターを示す。 2 試験日時 破壊時のストレス (psi) 平均値(psi) 標準偏差(psi) 27.Jan.00 5856,9840,6864,8880,5760, 5780,9360,7104,9600 7669 1743 19.Apr.00 8880,9600,7584,9984,7200, 7200,6672,6012,6912,7248 11040,9840,6960,8880,9360, 9360,9120,9840,9600,9360 7680,4800,3840,4560,5760, 4800,7440,6720,7920,6960 9216,10800,7440 7819 1206 9336 1021 6048 1479 9152 1372 11.Oct00 15.May01 8.Nov01 注） PSI:Pounds/inch2 = 6894.7 Pa 各月とも２０％程度のばらつきがあるがこれは試材の個性によるものと思わ れる。また、15.May01 が他の月と比べて小さい値になっているが、最新のデ ーターでは値を戻しているように見える。限られたデーターしか入手できなか ったので結論づけるのは難しいが、約±２０％の範囲で各月とも一致してい る。 ４ まとめ ＳＮＯ実験で用いられているアクリルに関する経時変化についての結果を まとめた。光学的性質に関しては水温１０度で１０年間に相当する環境下でテ ストをして、光学的性質がほとんど変わらないことがわかった。また、ＳＮＯ のアクリルボンドの強度モニターでは、現在のところ有意な劣化は観測されて いない。 本報告の最後に、ＳＮＯ実験のアクリル容器の開発に携わった専門家のコメン トを添付する。（宛先の Art 氏は、ＳＮＯ実験の研究代表者。） 3 4 5 Hi Art, Some questions I can answer , and on some I can only speculate. 1. The compressive and tensile strength of acrylic when continuously immersed in water does not decrease with time. 2. The transparency of acrylic when continuously submerged in water does not decrease with time. 3. The growth of algae on acrylic when submerged continuously in water is similar/identical to growth of algae on glass surfaces (i.e. if algae growth was not observed on PMT tubes in pool in Kamiokande, then it will not take place on acrylic spheres. The solution proposed by Super K probably will not eliminate sympathetic implosion of adjacent PMT tubes as the shock wave from inside the acrylic sphere will traverse the acrylic envelope as if it were water. Of course, the momentarily formed air cavity inside the cocoon at the moment of implosion may mitigate the transmission of the shockwave to the water outside the cocoon. Only an actual test on two adjacent cocoons in water containing PMT tubes can answer adequately this question. The other approaches that do not require experimental verification are: 1. Make PMT tubes thick enough where implosion will take place only at pressures 400 to 500 percent higher than working depth in the pool. Better QC of PMT tubes would guarantee minimum wall thickness in all tubes. 2. Place PMT tubes in dry acrylic cocoons designed not to implode at working depth for a minimum of 10 years of continuous submersion. Either way, this a major engineering problem with scientific and economic ramifications whose satisfactory solution requires a team composed of both theoretical physicists and engineers competent in the design of instrumentation components for continuous submergence. Such an approach was successfully used in the design and construction of SNO in Sudbury, Canada. I would be more than glad to participate as a consultant to the project in a similar manner as I was to SNO construction team. Good luck with the project. Jerry Stachiw 6 企業データシートからのアクリル材の水の経年変化に対する影響 戸塚洋二 平成１３年１２月３日 ○三菱レーヨンのデータ 7 ○ 住友化学「スミベックス」データシート内に： 耐水性：吸水に伴い寸法変化が起こりますが、 ・・・機械的性質の変化もご くわずかです。 なる記述がある。 また、１９７０年代からの沖縄博の水族館に使われたアクリルは外観上の 変化がないということです。 8 アクリルケース外形 アクリルケース断面１ アクリルケース断面２ 防爆試験用防爆ケース 森山案発注図面 2001/12/18 変更点 • 現在使用している金属バンドのようなものを最悪使 用できるように設計する。これは前回提案したバンド （アクリルケースに押し当てるタイプ） が確かにつかえ るかどうか未確認のため。このため形状がやや大きく なった。 • ASSY部付近の余裕を取るために、リングをやめ、ス テンレスワイヤーで後部に引っ張ることにする • 後部は7ミリ厚さのFRPを使用する • 追加の穴加工により、前回提案したバンドによる固 定方法も試験できる 前面は12ミリのアクリル、後半は7ミリのFRP 金具を使えるように広くする 21 _ R 341 155 624 184 R 176 ネック部を守る ために広くとる 184 図中ではアクリル10ミリだが実際は12ミリ 21 ケーブル穴及ケーブル抜き溝詳細 68 6 132 36 624 R 176 R 341 この溝に合う部品を 製作しておき、ケーブル を通した後に接着する 184 塩澤金具類似品を使用して固定する（試験はこれでOK） もしくは 前回提案したバンドを使用して固定する 後半部詳細 624 _ 140 48 R 178 184 68 36 250 40 R 142 20 155 20 8φ 9 PCD600 20 20 20 550 20 145 後半部、穴詳細(前回提案型バンド用穴は未記入) M8 20 20 20 20 564 140 20 20 M8 B-B'断面 C-C'断面 前半部詳細 _ 624 552 R 176 R 341 8φ 9 PCD600 184 大口径バンド変更案 • 大口径側のバンドは、これまでのものだと 形状が大きくてフランジと干渉する。 • M5で可能であれば丸フランジのまま可能 φ 6 φ 10.5 , 1.0t M5を通すための6ミリの穴をあけた直径10．5ミリ の規格品を使用する。他はこれまでと同じ。 2.75 大口径バンド部詳細図 M8 φ 523 PMT直径の公差の最大値 20 φ 513 20 20 20 564 φ 10.5 注意点、メモ • 試験の際にアクリルを架構に固定するねじ穴が必要。 それなくしてはアクリルは不安定。 • 側面に取り付ける際、大口径部、小口径部にストレスを かけないように小口径部のバンド側の穴は水平向きの 長穴を用意しておく。 • 前回提案のバンドが使用できれば形状を小さくでき、対 称性もあがるので安全性は増す。 • ASSY部突入防止ステンレスワイヤー部設計未完了。 これまで使用してきている金属バンドのようなものを使う場合 • 底面は新玉を使うため、金属バンドとケーブルの出方は 取り付け作業の際に調整できる。 • 側面は大口径部は取り替える。小口径部も再取り付けの 可能性がたかい。 高耐水圧光電子増倍管 n n n n 形状 耐水圧 予想電気的特性 年次計画（希望） 形状 glass light Lead and support diode reflector photocathode photoelectron 耐水圧 n 球の直径５００ｍｍ、ガラス厚７ｍｍとする n 外圧によって球が座屈を起こす限界圧力は、 pcr = 2Et2/a2[3(1-ν2)]1/2 で与えられる。 n E=7×1010 Pa, t=2, a=250, ν=0.14として、 pcr = 2.7×107 Pa となる。この限界圧力は、２８０気圧に相当する。 予想電気的特性 n 基本的動作 l l l l 反射型光電面から光電子が放出される 光電子は１０ｋＶ型はそれ以上に加速されてダイオードに衝突する ダイオード中で電子・ホール対を約１０００対生成する 電子、ホールは次段のアバランシェダイオードで１００倍程度増幅され る l 電子、ホールは電極から取り出されて出力パルスとなる n n n n ゲイン：１０５ 量子効率：５０％ パルス立ち上がり：2nsec以下 パルス立ち下がり：2nsec以下 年次計画（希望） n n n n 2001: ５インチ試作球による動作原理の確認 2002: 50cm球の軌道シミュレーション 2002: 50cm球の試作 2003: 試作球の動作確認