Designstudien für akustische Module für ANTARES

Präsentation zum Thema: "Designstudien für akustische Module für ANTARES"—  Präsentation transkript:

1 Designstudien für akustische Module für ANTARES
Christopher Naumann, Uni Erlangen-Nürnberg Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels, 2004 Ziele 1: Hydrophone 2: ANTARES-Kugeln Messungen Zusammenfassung gefördert durch das BMBF

2 Wiederholung: ANTARES
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. Aber: ANTARES auch Prototyp für akustische Teilchendetektion ! Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004 Christopher Naumann

3 Ziel: akustische Stockwerke
Modifiziere mehrere ANTARES-Stockwerke zur akustischen Detektion… 1.) entferne optische Komponenten (Photomultiplier, etc.) ? 2.) ersetze durch akustische Sensoren …sieht nach einer echten Herausforderung aus ! Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004 Christopher Naumann

4 Konzept Eins: Einzelhydrophone
Bedingungen: möglichst wenig Änderungen am ANTARES-Design: (mechanische Eigenschaften, Auftrieb…) Rest des Strings/Detektors darf NICHT gestört werden ! (Druckdichtigkeit, Stromverbrauch, etc.) Lösung 1: benutze ein oder mehrere Einzelhydrophone, die außen an der Trägerstruktur befestigt werden. behalte vielleicht leere Kugeln für Auftrieb? hierfür werden mehrere Möglichkeiten untersucht… Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004 Christopher Naumann

5 1A: Kommerzielle Hydrophone
Könnte kommerzielle Hydrophone (z.B. von High Tech, Inc.) benutzen… Vorteile: Druckstabilität und Wasserfestigkeit garantiert bekannte Eigenschaften (Datenblätter !) nur wenig Entwicklungsarbeit nötig… Nachteile: hohe Kosten (etwa 1000€ pro Hydrophon) nicht speziell auf unsere Bedürfnisse zugeschnitten (U-Boote, nicht Neutrinos !) könnte also Hydrophone kaufen. Aber können wir das nicht besser ? Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004 Christopher Naumann

6 1B: selbstgebaute Hydrophone
versuche, sensitives Hydrophon aus Piezokristallen in Polyurethan zu bauen (neuerdings OHNE Überraschungseier ) Vorteile: (potentiell) viel billiger (Material < 100€) kann Hydrophone auf unsere Bedürfnisse hin optimieren (z.B. Frequenz- und Winkelcharakteristik) Nachteile: sehr viel Entwicklungsarbeit nötig ! (aber wofür haben wir Diplomaden/Doktoranden ?) erste funktionierende Prototypen bereits fertig. sehr vielversprechende Resultate… aber noch viel zu tun ! Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004 Christopher Naumann

7 Eindrücke vom Hydrophonbau
man nehme: 1 Piezo + 1 Vorverstärker + 1 Kabel + Polyurethan + Abschirmung = Hydrophon Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004

8 Druckflasche, 200bar Ar+Wasser
Drucktests Selbstgebaute Hydrophone müssen Wasserdruck in 2000m Tiefe standhalten  Teste kleine Hydrophone in "Drucktank" bei 200 bar nicht bestanden… Druckflasche, 200bar Ar+Wasser Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004 Christopher Naumann

9 Konzept Zwei: "Akustische Module"
Idee: Bestücke Glaskugeln der optischen Module (OM) mit Akustik-Hardware OM 17" (42cm) "AM" Piezo-Elemente + Vorverstärker Photomultiplier Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004 Christopher Naumann

10 brauche eine Möglichkeit, unterschiedliche Setups zu vergleichen…
Akustische Module (2) 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 brauche eine Möglichkeit, unterschiedliche Setups zu vergleichen… Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004 Christopher Naumann

11 Teste verschiedene Sensoren in unserem Aquarium:
Signalmessungen 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 2-Stufen Vorverstärker (max. Gain 83 dB) "Rampensignal" (5 V Stufenhöhe) erwartetes bipolares Signal Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004 Christopher Naumann

12 gemessenes Signal – kommerzielle Hydrophone
2.0 V gute Signalform ! Reflektionen (zeitlich gut zu trennen) gute Signalform, aber etwas schwach… Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004 Christopher Naumann

13 Messung – Eigenbau-Hydrophone
15.2 V Nachschwinger ? starkes Signal ! stärkeres Signal, jedoch mit Nachschwingern… Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004 Christopher Naumann

14 gemessenes Signal – ANTARES-Kugel
16.6 V klares Signal, aber nicht mehr bipolar… veränderte Signalform – aber verstanden und vielleicht besser ? Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004 Christopher Naumann

15 …Bisher keines deutlich überlegen…
Vergleich der Signale HighTech LowTech® ANTARES-Kugel nun noch nötig: Versuche, auf diese Signalformen zu triggern… …Bisher keines deutlich überlegen… Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004 Christopher Naumann

16 Untergrund und Empfindlichkeit
Signalstärke nicht alles. Wichtiger: Signal zu Untergrund Kugel mit Verstärker: Empfindlichkeit: 4V/Pa Rauschen: 40mV äquivalenter Rauschdruck: 10mPa very preliminary ! erwartete Signalstärke in 400m Abstand: 10Pa / PeV S/N1 für O(1018) eV (auf 1-Hydrophon-Level) verbessere Empfindlichkeit durch Triggern auf mehrere Kanäle Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004 Christopher Naumann

17 Vorteile Nachteile Zusammenfassung 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

18 Verwende doch einfach alle für Detektor-Prototyp !
kaufen ? selber bauen ? KUGEL ??? THE END Verwende doch einfach alle für Detektor-Prototyp ! Christopher Naumann