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Designstudien für akustische Module für ANTARES Christopher Naumann, Uni Erlangen-Nürnberg Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels, 2004 gefördert durch.

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2 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

3 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.

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

5 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

6 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 !) 1A: Kommerzielle Hydrophone Christopher Naumann könnte also Hydrophone kaufen. Aber können wir das nicht besser ? Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004

7 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. 1B: selbstgebaute Hydrophone Christopher Naumann sehr vielversprechende Resultate… aber noch viel zu tun ! Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004

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

9 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

10 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 " (42cm)

11 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

12 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

13 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)

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

15 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

16 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

17 Signalstärke nicht alles. Wichtiger: Signal zu Untergrund Untergrund und Empfindlichkeit Christopher NaumannSchule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004 äquivalenter Rauschdruck: 10mPa erwartete Signalstärke in 400m Abstand: 10 Pa / PeV S/N 1 für O(10 18 ) eV (auf 1-Hydrophon-Level) Kugel mit Verstärker: Empfindlichkeit: 4V/Pa Rauschen: 40mV verbessere Empfindlichkeit durch Triggern auf mehrere Kanäle

18 Zusammenfassung Christopher Naumann VorteileNachteile 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

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


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