Sommaire. 2) Détermination de la limite à la rupture du verre. 3) Calculs de résistance pour quelques PMt de grande taille
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- Bernadette Bastien
- il y a 5 ans
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1 Le projet PMm Des photomultiplicateurs les pieds dans l'eau ANR - IPNO - LAL - LAPP - Photonis Jean Peyré CSNSM (Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière) CNRS-INP3-Université Paris Sud (Paris-Saclay) Orsay, France Tél. : Fax : Jean.Peyre@csnsm.inp3.fr PMm Sommaire 1) Le projet PMm ) Détermination de la limite à la rupture du verre 3) Calculs de résistance pour quelques PMt de grande taille 4) Calcul des contraintes au pied pour quelques PMt de grande taille 5) Dessin d'un nouveau PMt de taille 1" 6) Mesures avec jauges de contraintes 7) Démonstrateur PMm Jean Peyré P. 1
2 J.-L. Petizon 1) Le projet PMm Jean Peyré P.3 Principe de détection Jean Peyré P.4
3 Les projets MEMPHYS à Fréjus, France: 10 à 0 fois Super Kamiokande 65 m 65 m Passer de 10 4 à 10 5 tubes Sites possibles : USA, Japon, Europe Jean Peyré P.5 ) Détermination de la limite à la rupture du verre Jean Peyré P.6 3
4 Quelques caractéristiques de verres Verre Sodocalcique (soft glass) (SiO, CaO, Na O) Verre Borosilicate (hard glass) (SiO, B O 3, Na O) excellente résistance à l'eau quand la quantité de B O 3 équivaut celle en Na O Module Young Sodocalcique E=70-74 GPa Borosilicate E=64-89 GPa Limite à la rupture en compression: MPa Le verre est sensible aux objets pointus. Jean Peyré P.7 7 PMt rebus pour tests Diam 88mm 3,5" Diam 50mm " Diam 76mm 3" Diam 38mm 1,5 " Carré 76mm 3" Jean Peyré P.8 4
5 Photomultiplicateur Le Photomultiplicateur (PM) est composé de: Photocathode Electrode de focalisation Electrode accélératrice Première dynode Multiplicateur Anode Clé du culot Fenêtre Optique d entrée Manchon Dernière dynode Pied Queusot Culot d une photocathode qui effectue la conversion du flux de photons incidents en un flux d électrons par effet photoélectrique. d une optique d entrée constituée d une ou de plusieurs électrodes de focalisation et d une électrode accélératrice. L optique d entrée est destinée à concentrer tous les électrons issus de la photocathode sur la première électrode du photomultiplicateur. d un multiplicateur d électrons formé d une succession d électrodes appelées dynodes, lesquelles multiplient en cascade le nombre des électrons pénétrant dans le photomultiplicateur. enfin, d une anode chargée de recueillir le flux d électrons issu de la dernière dynode du photomultiplicateur et sur laquelle est prélevé le signal de sortie. Jean Peyré P.9 Photomultiplicateur Photocathode Electrode de focalisation Electrode accélératrice Première dynode Multiplicateur Anode Fenêtre Optique d entrée Manchon Dernière dynode Pied Queusot photocathode Dynode Clé du culot Culot Anode Jean Peyré P.10 5
6 PMt diam 38mm (1,5") Contrainte Maximale pour 10 bars: 34 MPa Jean Peyré P.11 PMt diam 50mm (") Contrainte Maximale pour 10 bars : 61 MPa Jean Peyré P.1 6
7 PMt diam 76mm (3") Contrainte Maximale pour 10 bars : 159 MPa Jean Peyré P.13 Tests sous pression : 1/ une cuve Jean Peyré P.14 7
8 Tests sous pression : / un filet de pêche Diam 50mm " Diam 38mm 1,5 " Diam 76mm 3 " Jean Peyré P.15 Tests sous pression : 3/ résultat Diam 50mm " Rupture = 6,5 bars Diam 38mm 1,5 " Rupture =16,3 bars Diam 76mm 3 " Rupture =3, bars Jean Peyré P.16 8
9 PMt diam 76mm (3") Rupture à 3, bars Rupture de la fenêtre d'entrée Jean Peyré P.17 PMt diam 50mm (") Rupture à 6,5 bars Rupture au pied du PMt Jean Peyré P.18 9
10 PMt diam 38mm (1,5") Rupture à 16,3 bars Point de rupture? Jean Peyré P.19 Les restes Jean Peyré P.0 10
11 Tests sous pression Contrainte max sous 10 bars (calcul) 1,5" (soft glass) " (hard glass) 3" (soft glass) 34 MPa 61 MPa 159 MPa Rupture à 16,3 bars 6,5 bars 3, bars Contrainte à la rupture 55 MPa 40 MPa 51 MPa CONCLUSION: Limite à la rupture en compression Rm(glass borosilicate-simax) donnée par la documentation: MPa Contrainte à la rupture "soft glass" : MPa Contrainte à la rupture "hard glass" : 40 MPa IPNO/DI/SD Jean Peyré Jean Peyré P.1 Ecole Technique Calculations 1 de base des détecteurs & tests PMt March 009 3) Calculs de résistance pour quelques PMt de grande taille Jean Peyré P. 11
12 Calculs de quelques PMt's 5" 8" 9" 9" 10" 1" SPHERE Calculs Contrainte max sous 10 bars 8" 10" 1" Sphère ép 3mm 18 MPa,3 MPa 6,3 MPa Sphère ép 4mm 13,6 MPa 17 MPa 0 MPa Sphère ép 5mm 11,3 MPa 13,7 MPa 16,3 MPa IPNO/DI/SD Jean Peyré Jean Peyré P.3 Ecole Technique Calculations 3 de base des détecteurs & tests PMt March 009 PMt 1" XP1807 Contrainte max sous 10 bars: 158 MPa Sphère ép 3 diam 1" : 6,3 MPa Jean Peyré P.4 1
13 PM 10 pouces XP1804 Contrainte max sous 10 bars: 154 MPa Sphère ép 3 diam 10" :,3 MPa Jean Peyré P.5 PM 8 pouces XP1806 Contrainte max sous 10 bars: 54 MPa Sphère ép 3 diam 8" : 18 MPa Jean Peyré P.6 13
14 Calculs de quelques PMt's Contrainte max sous 10 bars 8" 10" 1" Pmt ép. 3mm 54 MPa XP MPa XP MPa XP1807 Sphère ép. 3mm 18 MPa,3 MPa 6,3 MPa 1 PM diam 8" XP18060 (XP1806 renforcé) 10, bars sans rupture Jean Peyré P.7 4) Calcul des contraintes au pied pour quelques PMt de grande taille Jean Peyré P.8 14
15 Calcul des contraintes au pied Pied Jean Peyré P.9 Pied n 1 Diamètre 80 mm Epaisseur 1,75 mm 10 bars Contrainte Max: 6,4 MPa Jean Peyré P.30 15
16 Pied n Diamètre 80 mm Epaisseur 1,75 mm 10 bars Contrainte Max: 16 MPa ATTENTION A LA FORME DE PIED!!!!!!!! Jean Peyré P.31 Pied n 3 Diamètre 80 mm Epaisseur 1,75 mm 10 bars Contrainte Max: 7,5 MPa Jean Peyré P.3 16
17 Pied n 3 Diamètre 80 mm Epaisseur 1,75 mm Contrainte Max: 7,5 MPa 10 bars Jean Peyré P.33 5) Dessin d'un nouveau PMt de taille 1" Jean Peyré P.34 17
18 Bulbe optimisé de 1 pouces et ép. 5mm Contrainte max sous 10 bars : 5,6 MPa Jean Peyré P.35 Bulbe optimisée de 1 pouces/5mm - 10 bars mm Contrainte max: 5,6 MPa La contrainte a été optimisée mais est encore plus grande que celle de la sphère équivalente(16.9 MPa) Calculs sous 10 bars 5mm : variation d'épaisseur Jean Peyré P.36 18
19 Pied Jean Peyré P.37 Pied Contrainte max : 3,3 MPa Jean Peyré P.38 19
20 PMt optimisé de 1 pouces Jean Peyré P.39 Bulbe optimisée de 1 pouces/3mm - 10 bars mm Contrainte max: 41,7 MPa La contrainte a été optimisée mais est encore plus grande que celle de la sphère équivalente(6.3 MPa) Calculs sous 10 bars 3mm : variation d'épaisseur Jean Peyré P.40 0
21 Contraintes max sous 10 bars Pmt ép. 3mm CONCLUSIONS Phase 1 8" 10" 1" 1" 1" 54 MPa XP MPa XP MPa XP (3) MPa XP181 3mm Sphère ép. 3mm 18 MPa,3 MPa 6,3 MPa 6,3 MPa Pmt ép. 3mm Sphère ép. 5mm Contrainte à la rupture "soft glass" : MPa Contrainte à la rupture "hard glass" : 40 MPa 6 (3) MPa XP181 5mm 16,9 MPa Bulbe (pied) Des calculs précédents, on conclu: Pression limite 1" PMt optimisé épaisseur 5mm: 15 atm (soft glass) Pression limite 1" PMt optimisé épaisseur 3mm: 11,6 atm (soft glass) Pression limite 1" PMt optimisé épaisseur 5mm : 1 atm (hard glass) Pression limite 1" PMt optimisé épaisseur 3mm : 9,3 atm (hard glass) Jean Peyré P.41 Et maintenant? Equiper des PMt avec des jauges de contrainte pour realiser des tests Jean Peyré P.4 1
22 6) Mesures avec jauges de contraintes Jean Peyré P.43 Mesures avec jauges de contraintes PMt diam 38mm (1,5") Contrainte maximale sous 10 bars : calculs -> 34 MPa ép. 1,6mm Jauge D=Ref B centré C A ép.,55mm Jean Peyré P.44
23 Mesures avec jauges de contraintes PMt diam 38mm (1,5") B 17mm C 18mm A Th. 1,6mm Th.,55mm Jean Peyré P.45 Mesures avec jauges de contraintes PMt diam 38mm (1,5") 10 bars 8 bars A 4 bars 6 bars C bars B D 0 atm Jean Peyré P.46 3
24 Mesures avec Jauges à 90 Critère de Von Mises ( ) ( 3) ( 3 1) 0 Re 3 0 E ( 1 ) 1 E ( 1) R e Loi de Hooke généralisée État de contraintes quasi planes sur la périphérie du tube. module Young E MPa Coef poisson ν 0, Limite élastique R e σ 1 & σ sont sur les axes principaux 3 Jean Peyré P.47 Mesures avec jauges à 90 Mesures avec Jauges σ 1 & σ sont sur les axes principaux accès direct à ε 1 & ε Mesures avec 3 jauges Les axes principaux ne sont pas connus c c b c b a 1 a b a a b c 1 10 Angles quelconques Angles à 45 Angles à 60 ou a cos a d r d r 1 1 a c b a c a b c b cos d tg 3 c b b d tg a c 3 a b c 1 1 a b b c c cos r c r a b b c c a 3 Jean Peyré P.48 4
25 Comparaison Calculs - Mesures Contrainte calculée avec critère de Von Mises Mesures jauges B & C L L ; 53 L L σ 0 =11,5MPa 1 13,MPa; 6, 1MPa Calculs CATIA 3σ=-14,-7,-1MPa σ 0 =11,8MPa Mesure jauge A σ 0 =7,8MPa σ 0 =7,8MPa Calculs CATIA 3σ=-8,-8,-1MPa σ 0 =7,3MPa Jean Peyré P.49 PMt 8 pouces XP MPa 5MPa 3 19MPa 1 =-,8MPa =-1MPa 3 =-1 MPa Contrainte max sous 10 bars : 5 MPa renforcé Soft glass: limite ~ 53 MPa Rupture estiméer : 9,6 bars 41MPa 11,9MPa 1 =11MPa =-0,3MPa 3 =-1,1 MPa Renforcement 4mm Jean Peyré P.50 5
26 XP18060: position des jauges Jauges 101 & 10 Jauges 103 & 104 Jauges 105 & 106 Jean Peyré P.51 Mesures avec jauges de contraintes PMt diam 8 pouces (XP18060) Rupture estimée: 9,6 bars Rupture réelle: 9,5 bars 0 bars 0,5 bars 0, ,65 7,05 7,85 8,5 9,0 9,5 bars Jauge 104 HS Rupture Jean Peyré P.5 6
27 Comparaison Calculs - Mesures Contrainte calculée avec critère de Von Mises 9,5 bars Jauges 103/106 L L 1 8 ; 98 L L σ 0 =17,4MPa 1 0,1 MPa; 10, 3MPa Calculs CATIA 1 =-1,6MPa =-11,4MPa 3 =-1 MPa σ 0 =18MPa Jauges 101/10 L L 1 11,7MPa Calculs CATIA 0 1 =10,4MPa =-0,6MPa 3 =-1 MPa σ 0 =11,7MPa σ 0 =11,3MPa Jean Peyré P.53 PMm: APRES PMt tests 8 pouces XP18060 Jean Peyré P.54 7
28 PMt 10 pouces R7081 1: calibration : Estimation Simulation PMt équipé avec jauges de contrainte Ø 1,5" R7081 Ø 10" Contrainte max sous 10 bars: 34 MPa Rupture à 16 bars B C XP18060 Ø 8" Rupture Estimée 5,5 bars Réel 6 & 10 bars A C B A Contrainte max sous 10 bars : 5 MPa Rupture Estimée 9,6 bars Réel 9,5 bars Jean Peyré P.55 PMt after 10 tests pouces R7081 Jean Peyré P.56 8
29 XP181: PMt 1 pouces Ep. 3mm Ep. mm Rutpure estimée: 1, bars Contrainte Maximale sous 10 bars: 5 MPa Contrainte Maximale sous 10 bars: 41 MPa Jean Peyré P.57 Rupture >,5 bars XP181: PMt 1 pouces PMt 1" XP1807 Rupture ~ 3bars Jean Peyré P.58 9
30 7) Démonstrateur PMm Jean Peyré P.59 I Démonstrateur PMm Etude et tests Conception du démonstrateur PMM (Cuve 3,m3. 16 phototubes) Aurélien BOURY Jean Peyré P.60 30
31 Démonstrateur PMm Démonstrateur avec Pm Xp 1807 Arceaux en acier 50x50x3 1 mètre Cuve polyéthylène noir 8mm mètres Jean Peyré P.61 Démonstrateur PMm Masse = 59 kg Poussée d Archimède = 40 kg Plaque anti-retour en polyéthylène noir 8 mm Anneau de levage Boitier électronique Traverse en acier inox 5x5x avec Pm Xp1807 Lest 1Kg x 4 Tube en acier inox 60x60x3 Jean Peyré P.6 31
32 Etanchéité des embases Potting : essais sur tubes de 1 pouces, 1 câble signal + HT : économie, fiabilité Test sous 10 bars ajout fixation câble Le potting a tenu 5 jours sous pression (15 tubes 1 pouce) Jean Peyré P.63 Démonstrateur final Jean Peyré P.64 3
33 Démonstrateur final Jean Peyré P.65 Tubes : tests sous pression BNL tank (150b) 1 c b a Tests jusqu à 10 bars => enceinte spéciale Comparaison avec simulations (jauges de contrainte) => recommandations à Photonis 011/01/4 PMm Séminaire IPNO #66 B. Genolini 33
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