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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

…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

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

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

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