Designstudien für akustische Module für ANTARES Christopher Naumann, Uni Erlangen-Nürnberg Schule...
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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 !