Designstudien fr akustische Module fr ANTARES Christopher Naumann

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. 100 Ge. V bis ca. 1 Pe. V Eigenständiges Neutrinoteleskop 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

1 A: 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

1 B: 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) K 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

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

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

Akustische Module (2) • Grundkonzept: – Piezoelemente und einige Elektronik (Vorverstärker, Logik ? ) in ANTARESKugeln, 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

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 d. B) "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 starkes Signal ! Nachschwinger ? 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

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

Untergrund Empfindlichkeit Signalstärke nicht alles. Wichtiger: Signal zu Untergrund Kugel mit Verstärker: • Empfindlichkeit: 4 V/Pa • Rauschen: 40 m. V erwartete Signalstärke in 400 m Abstand: 10 Pa / Pe. V äquivalenter Rauschdruck: 10 m. Pa S/N 1 für O(1018) e. V (auf 1 -Hydrophon-Level) verbessere Empfindlichkeit durch Triggern auf mehrere Kanäle Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004 Christopher Naumann

Zusammenfassung 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-ANTARESStrukturen… ANTARESKugeln • Integration sehr einfach ! • keine Probleme mit "Tiefseephysik" (Druck, usw. ) • kann mir Material und Geometrie nicht aussuchen, muß ANTARESKugeln nehmen • mögliche Signalverzerrung… Schule für Astroteilchenphysik, Bärnfels 2004 Christopher Naumann

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