《Journal of Non-Crystalline Solids》：Processing and performance evaluation of 23-inch glass spheres for deep-sea optical modules
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摘要：高能水下中微子望远镜（High Energy Underwater Neutrino Telescope，HUNT）将在1000米至3000米深度部署约1200条水下中微子探测器串，承载约55000个光学模块（OM），构成有效探测体积超过30立方千米的三
摘要：高能水下中微子望远镜（High Energy Underwater Neutrino Telescope，HUNT）将在1000米至3000米深度部署约1200条水下中微子探测器串，承载约55000个光学模块（OM），构成有效探测体积超过30立方千米的三维观测阵列。每个光学模块主要由20英寸光电倍增管、相关电子学及电源系统组成。光学模块系统的长期稳定性关键取决于其耐压玻璃球的机械可靠性与光学性能。因此，HUNT要求采用外径23英寸、能够承受30兆帕深海静水压力，并在380纳米至780纳米波段维持至少85%光学透过率的玻璃球。上述综合要求对球体尺寸、结构强度、材料质量、制造精度及深海持续运行条件下的宽带透明性提出了极高要求。据研究人员所知，目前尚无商业产品完全满足上述全部指标。为满足这些要求，首先进行了应力模拟以确定最优壁厚；随后与一家玻璃仪器制造商合作开发了玻璃材料及制造工艺，并制备了23英寸耐压玻璃球原型。原型球通过了包括残余应力测量、尺寸检验、光学透过率测量和耐压试验在内的全面性能测试。结果表明，所研制的玻璃球具有高度稳定的机械与光学性能，满足当前2000米原型海试验证需求。其成功研制为HUNT提供了关键技术支持，并在海洋观测和深海工程领域具有潜在应用价值，包括用于深海精密仪器球形壳体及深海浮力模块。
23英寸深海光学模块玻璃球的研究背景、方法与结果解读
一、研究背景与科学意义
超高能宇宙射线（Ultra-High-Energy Cosmic Rays，UHECRs）是指能量超过1×101?eV的地外高能质子及原子核，其起源问题一直是高能天体物理与粒子天体物理的核心课题之一。尽管近年来皮埃尔·奥格天文台（Pierre Auger Observatory）和我国高海拔宇宙线观测站（LHAASO）等大型探测器显著推进了相关研究，但由于事件通量极低以及宇宙射线在传播过程中与宇宙微波背景辐射和磁场发生复杂相互作用，仍需通过对强子相互作用产生的次级粒子——中微子——的观测来获取起源信息。南极冰立方中微子天文台（IceCube）已探测到60 TeV至3 PeV能量范围内的54个中微子事件，开启了高能中微子天文学的新时代。除IceCube外，国际上的主要实验还包括地中海地区的KM3NeT和俄罗斯贝加尔湖的Baikal-GVD。然而，由于探测器设计及建造成本的限制，现有有效探测体积仍不足以灵敏地识别单个天体物理中微子源。
为提升对100 TeV以上中微子的有效探测能力，中国科学院高能物理研究所（IHEP）的LHAASO团队提出在中国南海建设大规模高能水下中微子望远镜（HUNT）。该阵列包括约1200条探测器串，覆盖20 km×20 km区域，每条串部署在1000 m至3000 m深度，总探测体积超过30 km3。为降低弱光探测灵敏度损失并控制成本，光学模块（OM）拟采用国产20英寸光电倍增管（PMT）。PMT及电子学与电源系统需在深海长期运行，因此必须配备可靠的保护壳体。考虑到内部组件的容纳需求，壳体直径必须不小于23英寸；综合光学透过率、耐压性和制造成本，耐压玻璃球被确定为最适方案。
目前国际上虽已有德国VITROVEX深海玻璃浮球（最大外径20英寸）和美国Teledyne Benthos深海浮球（最大外径17英寸）等产品，但它们均无法满足23英寸尺寸要求。因此，研制23英寸耐压玻璃球并系统表征其机械与光学性能具有重要的工程意义，论文发表于《Journal of Non-Crystalline Solids》。
二、研究内容与主要结论
研究人员采用有限元分析（FEA）确定最优壁厚，选用高硼硅玻璃作为材料，开发了基于压制成型的制造工艺，并对原型球进行了残余应力、尺寸、光学透过率及耐压性能的系统测试。主要结论包括：8 mm壁厚即可承受30 MPa静水压力，在1.5倍安全系数下将设计壁厚确定为12 mm；原型球残余应力最大仅0.12 MPa；外径在583 mm至584 mm范围；壁厚分布较均匀；端面粗糙度控制在Ra 0.3 μm以下；380～780 nm波段透过率普遍高于85%；30 MPa静水压试验后球体保持完整无泄漏。2025年1月，集成23英寸玻璃球的4个中微子探测器在南海2000米水深成功完成海试部署，所有玻璃球保持完好。
三、关键技术与方法
本研究主要采用了以下关键技术方法：第一，基于有限元分析的应力模拟，利用ANSYS Workbench对不同壁厚（5 mm至20 mm）玻璃球在30 MPa、37.5 MPa和45 MPa三种压力条件下进行应力分布与变形特征计算，以获得最优壁厚设计；第二，通过组分调控优化玻璃材料，以SiO?为主网络形成体，B?O?降低熔制温度，Al?O?抑制分相，NaCl作为澄清剂去除气泡，Er?O?与CoO用于改善380～780 nm波段光学透过率；第三，建立完整的压制成型与退火抛光工艺流程，包括液压机一步压制（30～32 t压力，7～10 s压制时间）、多温区隧道窑初退火、球面精密抛光、端面研磨及二次精密退火等步骤，其中二次退火后最大残余应力控制在1 MPa以下。
四、研究结果
1. 材料选择与压力性能研究
通过对比高硼硅玻璃、石英玻璃和高铝硅酸盐玻璃在光学透过率、耐压性、耐水腐蚀性与加工成型难度等指标后发现，石英玻璃综合性能最优但加工难度极大，高硼硅玻璃虽然理论性能略逊，却是唯一能被广泛大规模生产并用于深海玻璃球的候选材料。因此选择高硼硅玻璃作为23英寸耐压球材料。在允许应力确定方面，采用德国Nautilus公司17英寸高硼硅玻璃球（壁厚14 mm，额定耐压67 MPa）在相同载荷下产生的最大应力562.13 MPa作为本研究安全评价的参考允许应力。基于此，模拟确定8 mm壁厚即可承受30 MPa压力，但在1.5倍安全系数下确定设计壁厚为12 mm。形成工艺后实测表明球体并非均匀12 mm，部分区域超出设计值。研究人员将外径、壁厚分布和配合面状态列为独立质量控制指标，以限制几何偏差。
2. 原型玻璃球的制造
研究采用基于压制成型的工艺路线完成玻璃球制造。制造流程包括：原材料配制与高温熔制、手工取料、液压机压制成型（下凹模内径584.2 mm，上冲头外径560.2 mm，同轴度公差±0.5 mm，模具温度600～700 ℃）、32米长多温区退火隧道窑初退火、球面精密抛光、端面研磨（保证装配与密封所需的平面度和光滑度，表面粗糙度Ra<0.4 μm）以及二次精密退火。2023年以来已累计完成多个生产批次，最近一批150个球中因气泡或冷波纹不达标的单元被剔除，最终生产合格率为80%。整个工艺流程中，压制成型仅需1分钟，抛光和研磨需1小时，初退火与二次退火各需5小时，多条产线并行时约两周可完成120个球的生产。未来产线扩容升级后年产能可达12000个。
3. 残余应力测试
研究人员采用与Beikechuangzhan Technology Co., Ltd.合作开发的偏光应力分析仪，基于偏振光干涉和应力致双折射原理，对玻璃球进行残余应力检测。定性测量采用全波片（灵敏色片）比较干涉色，定量测量采用塞纳蒙特补偿法。测试结果显示，玻璃球的最大残余应力仅为0.12 MPa，远低于规定限值，满足深海高压运行要求。
4. 尺寸检验
使用钢卷尺、超声波测厚仪和表面粗糙度仪分别对玻璃半球进行了外径、壁厚与端面粗糙度测量。外径测量表明各方向直径均在583 mm至584 mm之间，对应约23英寸，仅存在微小偏差，可视为规则球形；上壁厚范围为11.99 mm至14.61 mm，下壁厚范围为12.81 mm至14.43 mm，整体较均匀；端面粗糙度低于Ra 0.3 μm，满足气囊式密封需求。
5. 光学透过率测试
由于中微子探测依赖海水中中微子相互作用产生的次级带电粒子的切伦科夫光，玻璃球必须在380 nm至780 nm波段具有高透过率。使用LS116透过率仪对球体进行了多点测量并绘制透过率等值线图。结果表明透过率普遍高于85%，满足切伦科夫光子传输的检测需求。
6. 压力测试
参照中国国家标准GB/T 32065.15-2019《海洋仪器环境试验方法 第15部分：水压试验》，在25 ℃淡水高压水密罐中对23英寸玻璃球进行恒压试验。测试压力按1.5倍安全系数设定为30 MPa（按2000 m海试深度20 MPa工况计算）。试验前将球体抽真空密封，内部安装数字压力表监测内压。试验后玻璃球保持完好无渗漏，验证了其在30 MPa静水压力下的密封与耐压性能。最新生产批次的112个球中，10个出现倒角崩边，整体通过率约90%。
五、总结与结论
本研究系统报道了一种可容纳深海微中子探测用探测器及电子系统的透明球形压力容器的研制过程。首先采用ANSYS Workbench评估不同壁厚玻璃球的压力响应，确定初步结构参数；选择高硼硅玻璃作为容器材料，通过组分改性和玻璃成型工艺优化其物理和光学性能；最终通过尺寸、光学、残余应力和静水压测试验证了原型球在极端运行条件下的性能。
测量结果表明，所研制的玻璃球几何尺寸稳定且偏差微小，满足装配要求；光学透过率保持在85%以上，足以确保切伦科夫光通过容器被后续探测器接收；在30 MPa静水压试验中，球体保持结构完整和水密密封，满足探测器在初步验证阶段的耐压需求。2025年1月，4个集成23英寸玻璃球的中微子探测器在中国南海2000米水深成功布放，所有玻璃球在整个布放期间保持完好。除中微子探测外，该容器还可作为其他深海精密仪器和电子系统的耐压壳体，支持深海探测的更广泛应用。此工作填补了国内大型玻璃耐压容器研发空白，并为未来深海科学和工程应用提供了实用技术基础。
