Designstudien für akustische Module für ANTARES

Christopher Naumann,

Uni Erlangen-Nürnberg

Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels, 2004

gefördert durch das BMBF

•Ziele

•1: Hydrophone

•2: ANTARES-Kugeln

•Messungen

•Zusammenfassung

Wiederholung: ANTARES

Christopher Naumann

Aber: ANTARES auch Prototyp für akustische Teilchendetektion !

Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004

Antares-Design =

12 Strings

x 25 Stockwerke

x 3 optische Module

zur optischen Detektion von Neutrinos von ca. 100GeV bis ca. 1 PeV

Eigenständiges Neutrino-teleskop und Prototyp für Kubikkilometer-Array.

• Modifiziere mehrere ANTARES-Stockwerke zur akustischen Detektion…

Ziel: akustische Stockwerke

Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004 Christopher Naumann

…sieht nach einer echten Herausforderung aus !

?

1.) entferne optische Komponenten

(Photomultiplier, etc.)

2.) ersetze durch akustische Sensoren

Bedingungen:• möglichst wenig Änderungen am ANTARES-Design:

(mechanische Eigenschaften, Auftrieb…)

• Rest des Strings/Detektors darf NICHT gestört werden ! (Druckdichtigkeit, Stromverbrauch, etc.)

Konzept Eins: Einzelhydrophone

Christopher Naumann

hierfür werden mehrere Möglichkeiten untersucht…

Lösung 1:•benutze ein oder mehrere Einzelhydrophone, die außen an der Trägerstruktur befestigt werden.

•behalte vielleicht leere Kugeln für Auftrieb?

Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004

• Könnte kommerzielle Hydrophone (z.B. von High Tech, Inc.) benutzen…

Vorteile:

– Druckstabilität und Wasserfestigkeitgarantiert

– bekannte Eigenschaften (Datenblätter !) nur wenig Entwicklungsarbeit nötig…

Nachteile:

– hohe Kosten (etwa 1000€ pro Hydrophon)

– nicht speziell auf unsere Bedürfnissezugeschnitten (U-Boote, nicht Neutrinos !)

1A: Kommerzielle Hydrophone

Christopher Naumann

könnte also Hydrophone kaufen. Aber können wir das nicht besser ?

Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004

• versuche, sensitives Hydrophon aus Piezokristallen in Polyurethan zu bauen(neuerdings OHNE Überraschungseier )

Vorteile:

– (potentiell) viel billiger (Material < 100€)

– kann Hydrophone auf unsere Bedürfnissehin optimieren(z.B. Frequenz- und Winkelcharakteristik)

Nachteile:– sehr viel Entwicklungsarbeit nötig !

(aber wofür haben wir Diplomaden/Doktoranden ?)

• erste funktionierende Prototypen bereits fertig.

1B: selbstgebaute Hydrophone

Christopher Naumann

sehr vielversprechende Resultate… aber noch viel zu tun !

Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004

Eindrücke vom Hydrophonbau

man nehme:

1 Piezo

+ 1 Vorverstärker

+ 1 Kabel

+ Polyurethan

+ Abschirmung

= Hydrophon

Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004

• Selbstgebaute Hydrophone müssen Wasserdruck in 2000m Tiefe standhalten

Teste kleine Hydrophone in "Drucktank" bei 200 bar

Drucktests

Christopher Naumann

Druckflasche, 200bar Ar+Wasser

nicht bestanden…

Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004

• Idee: Bestücke Glaskugeln der optischen Module (OM) mit Akustik-Hardware

Konzept Zwei: "Akustische Module"

Christopher Naumann

Photomultiplier Piezo-Elemente + Vorverstärker

OM

"AM"

Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004

17"

(42c

m)

• Grundkonzept:

– Piezoelemente und einige Elektronik (Vorverstärker, Logik ?) in ANTARES-Kugeln, anstelle der üblichen Photomultiplier

• Vorteile:

– Integration sehr leicht, da ANTARES-Kugeln und –Kabel benutzt würden brauche keine Drucktests, Auftrieb unverändert…

– könnte zusätzliche Elektronik außerhalb der Local Control Modules des Stockwerkes haben

muß keine strengen Spezifikationen einhalten (Abmessungen, etc)

• Nachteile:

– Glaskugel beeinflußt Signalform, muß simuliert und getestet werden

Akustische Module (2)

Christopher Naumann

brauche eine Möglichkeit, unterschiedliche Setups zu vergleichen…

Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004

Teste verschiedene Sensoren in unserem Aquarium:• sende "Rampensignal" (simuliertes bipolares Signal,

zweimal integriert) an kalibrierten Sende-Hydrophon

• befestige Empfänger in festem Abstand… und

• empfange Signal

Signalmessungen

Christopher Naumann

2-Stufen Vorverstärker(max. Gain 83 dB)

"Rampensignal"(5 V Stufenhöhe)

erwartetes bipolares Signal

Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004

gemessenes Signal – kommerzielle Hydrophone

Christopher Naumann

gute Signalform, aber etwas schwach…

2.0 V

gute Signalform !

Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004

Reflektionen

(zeitlich gut zu trennen)

Messung – Eigenbau-Hydrophone

Christopher Naumann

stärkeres Signal, jedoch mit Nachschwingern…

15.2 V

Nachschwinger ?starkes Signal !

Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004

gemessenes Signal – ANTARES-Kugel

Christopher Naumann

veränderte Signalform – aber verstanden und vielleicht besser ?

16.6 V

klares Signal, aber nicht mehr bipolar…

Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004

Vergleich der Signale

Christopher Naumann

…Bisher keines deutlich überlegen…

LowTech®

ANTARES-Kugel

HighTech

nun noch nötig: Versuche, auf diese Signalformen zu triggern…

Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004

Signalstärke nicht alles. Wichtiger: Signal zu Untergrund

Untergrund und Empfindlichkeit

Christopher NaumannSchule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004

äquivalenter Rauschdruck: 10mPa

erwartete Signalstärke in 400m Abstand: 10Pa / PeV

S/N1 für O(1018) eV(auf 1-Hydrophon-Level)

Kugel mit Verstärker:

•Empfindlichkeit: 4V/Pa

•Rauschen: 40mV

verbessere Empfindlichkeit durch Triggern auf mehrere Kanäle

Zusammenfassung

Christopher Naumann

Vorteile Nachteile

kommerzielle Hydrophone

• nicht viel R&D nötig

• druckstabil, usw.

• gute, definierte Signalform

• teuer !

• brauche externes mechanisches "Array"

selbstgebaute Hydrophone

• billiger

• speziell für Neutrinos !

• höhere Sensitivität

• noch VIEL Arbeit • brauche auch nicht-ANTARES-

Strukturen…

ANTARES-Kugeln

• Integration sehr einfach !

• keine Probleme mit "Tiefseephysik" (Druck, usw.)

• kann mir Material und Geometrie nicht aussuchen, muß ANTARES-Kugeln nehmen

• mögliche Signalverzerrung…

Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004

Christopher Naumann

THE END

kaufen ?selber bauen ?KUGEL ???

Verwende doch einfach alle für

Detektor-Prototyp !