Simulation und Messung verschiedener Hydrophonkomponenten zur akustischen Teilchendetektion
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A study of piezoceramics as sensitive elements for the use in acoustical astroparticle physics is presented in this work. This study aims to develop underwater microphones (hydrophones) in order to detect thermoacoustic sound pulses, which are produced in neutrino interactions. There are several theoretical models describing objects able to accelerate particles up to 10^{20} eV or even higher. The flux at this energies is very low, so only few particles have been detected so far. It is believed that this particles are protons. The acceleration of hadrons up to these energies is accompanied with the production of high energetic neutrinos. This neutrinos are produced by interactions of the protons with surrounding matter or radiation. The neutrinos only interact weakly so they reach the earth undisturbed. Compared to protons, which are deflected by intergalactic magnetic fields on one side and are scattered in residual gas on the other, the neutrinos bear the original information about direction and energy. Their detection gives deep insight in the mechanisms of cosmic accelerators. The property which characterise the neutrinos as information carrier, the small cross section of the weak interaction, makes their detection difficult. An enormous amount of detection material is necessary in order to be able to detect the neutrinos. Here one has natural huge media like sea water or antarctic ice at hand. Existing neutrino telescopes use this media to search for neutrinos using the cherenkov light of the secondary particles as a common approach for detection. With the spatial and temporal distribution of this cherenkov photons at hand the direction and energy of the incident neutrino can be calculated. The attenuation length for the blue cherenkov light in water of approximately 60 m sets the density for instrumantation of the detectors. Acoustic waves exhibit an attenuation length of approximately 1 km in the relevant frequency range. The acoustic detection is therefore able to instrument a larger volume with the same amount of sensors. In 1957 G. A. Askaryan described sound production of ionizing particles in fluid media and suggested to use this method for detection of particle cascades in 1972. An ultra high energy neutrino which interacts in a fluid produces a particle cascade which dissipates its energy in a narrow cylinder in the medium by heating this region. This leads to an expansion of the medium which propagates in an bipolar sonic shape perpendicular to the cascade. For the verification of this theory several experiments have been made since with the result, that the acoustical method can be used in astroparticle physics and offers a new method for detection. This result motivated several physicists to further advance this new method for searching neutrinoinduced cascades. As a contribution for this studies the sensitive elements of the acoustical detectors, the piezo ceramics, are under investigation in this work. Therefore the equations of a piezo are solved in simulations to derive its macroscopic properties. Especially the impedance and the displacement of the piezo as response to applied voltage are of interest. This is correlated with the electrical and mechanical answer of a piezo when sending. When receiving the resulting voltage or the electrical charge due to applied stress are of interest. In the present studies cylinder and hollow cylinder were analyzed. Insight of the interrelationship between the displacement and the impedance is given. The mean displacement of the piezo over the electrode can be derived from the knowledge of the impedance. Therefor the impedance is fitted with an equivalent circuit, to derive the mechanical analog properties. Furthermore the effect of the piezo geometry to the resonance frequencies is explored. For the cylinder a length expansional mode and a radial mode is found. In a hollow cylinder there is a length expansional mode, a wallthickness mode and a hoop mode. The calculation reveals at which sizes one mode changes to another. From the knowledge where these frequencies are located and the sensitivity for low frequencies implications for constructing hydrophones were derived. Further calculations were made to reveal the sound field produced by a piezo. This simulations were made to emulate neutrino signals in order to have an calibration source at hand. The coupling of a piezo to water allows one to extract the direction characteristics of a piezo. In the simulation a impuls balance at the boundaries of the water and the piezo is applied which leads to the correct description. Then the pressure gradient is proportional to the acceleration of the piezo. The simulations are verified in measurements. Therefore measurements of the impedance with a phase-gain-analyser are made. On the other side the displacement is measured using optical interferometry. For this measurement an optical fibre coupled interferometer was built and a calibration method for this interferometer was acquired. Furthermore a system to stabilize the measuring apparatus with a control circuit was developed. The measurement of the impedance on one side as well as the measurement of the displacement on the other are in good agreement with the simulation. Beside the simulation and measurements of the piezosensitive elements a study for a triggeralgorithm using the crosscorrelation is introduced. In this study in situ measurements with low signal amplitudes are used to describe noise. To this noise data signals were added and it was examined how well the signals can be reconstructed. For reconstruction the maximum of the correlation coefficient in seperate time windows of two local hydrophone channels is calculated. Is this coefficient good in both channels, the signal can be triggered. Based on the results of this work and taking commercial available piezoceramic materials into account, the optimal sensitive element of an acoustic neutrino detector is a PZT-5A disc with a diameter of 5 mm and a height of 10 mm. A single detector of this kind is able to detect neutrinos with energies more then one PeV as it is limited by self noise, but mainly by the noise of the sea.
Abstract
Die vorliegende Arbeit beschreibt das Studium von Piezokeramiken, welche als sensitive Elemente in der akustischen Astroteilchenphysik Verwendung finden sollen. Ziel ist dabei, anhand dieser Piezokeramiken Unterwassermikrophone, sogenannte Hydrophone, zu entwickeln. Diese sind zum Nachweis thermoakustischer Schallpulse optimiert. Die zu detektierenden Schallpulse werden dabei im Meer von neutrinoinduzierten Teilchenschauern erzeugt. Es gibt zahlreiche theoretische Modelle, um kosmische Objekte zu beschreiben, welche in der Lage sind, Teilchen auf Energien von 10^{20} eV oder höher zu beschleunigen. Der Teilchenfluss bei diesen Energien ist jedoch sehr gering, so dass bis heute nur einige wenige Teilchen nachgewiesen wurden. Bei diesen Teilchen geht man davon aus, dass es sich um Protonen handelt. Bei der Beschleunigung von Hadronen auf solch hohe Energien werden auch hochenergetischere Neutrinos erzeugt. Sie entstehen durch Wechselwirkung der Protonen mit der umgebenden Materie bzw. Strahlung. Diese Neutrinos machen sich nur über die schwache Wechselwirkung bemerkbar, so dass sie nach Verlassen des kosmischen Beschleunigers die Erde ungestört erreichen. Im Vergleich zu Protonen, die in intergalaktischen Magnetfeldern abgelenkt werden und mit Restgas streuen können, tragen die Neutrinos demnach die ursprüngliche Richtungs- und Energieinformation. Ihr Nachweis gewährt somit insbesondere tiefe Einblicke in die Mechanismen von kosmischen Beschleunigern. Die ausschlaggebende Eigenschaft, welche Neutrinos als Informationsträger auszeichnet, nämlich der geringe Wechselwirkungsquerschnitt, erschwert jedoch deren Nachweis ungemein. Es wird eine enorme Menge an Detektionsmaterial benötigt, um den Nachweis von Neutrinos überhaupt zu ermöglichen. Hierbei bieten sich natürliche Detektionsmedien an, wie das Eis der Antarktis oder Wasser der Ozeane. Bereits existierende Neutrinoteleskope verwenden diese Medien für den optischen Nachweis von Neutrinos. Hierbei wird das Cerenkovlicht der Sekundärteilchen nachgewiesen. Aus der Verteilung der Cerenkovphotonen können die Richtung und die Energie der Neutrinos bestimmt werden. Die Abschwächlänge des blauen Cerenkovlichts in Wasser beträgt etwa 60 m, so dass diese Länge die Instrumentierungsdichte bestimmt. Akustische Wellen dagegen besitzen in dem relevanten Frequenzbereich eine Abschwächlänge von etwa 1 km. Es lässt sich somit mit der akustischen Detektion bei gleicher Sensoranzahl ein wesentlich größeres Volumen instrumentieren. Den Grundstein für die erwähnte akustische Detektion legte G. A. Askaryan 1957. Er beschrieb die Schallerzeugung ionisierender Teilchen in einer Flüssigkeit und schlug deren Verwendung bei der Detektion von Teilchenschauern vor (1972). Die Energie des Teilchenschauers wird innerhalb eines schmalen Zylinders in Form von Wärme abgegeben. Dies führt zu einer plötzlichen Ausdehnung der Flüssigkeit und es breitet sich ein bipolares Signal senkrecht zur Schauerachse aus. Zur Verifikation dieser Theorie wurde seitdem eine Anzahl an Experimenten durchgeführt. Hierzu wurden aufgrund der bekannten Energiedeposition vorwiegend Protonenstrahlen sowie Laserstrahlen verwendet. Als Ergebnis dieser Studien läßt sich festhalten, dass die akustische Detektionsmethode in der Astroteilchenphysik angewendet werden kann und somit ein alternatives Nachweisverfahren zur Ergänzung bisheriger Methoden bereitstellt. Dies motivierte viele Physiker, diese neue Detektionsmethode zur Suche nach neutrinoinduzierten Schauern weiter voranzutreiben. Als Beitrag zu diesen Forschungen wurden in dieser Arbeit die sensitiven Elemente der Detektoren, die Piezokeramiken, näher beleuchtet. Dazu wurden in Simulationen die Gleichungen des Piezos gelöst, um dessen makroskopische Eigenschaften zu untersuchen. Von Interesse sind dabei die Impedanz und die Auslenkung des Piezos bei Spannungszufuhr. Dies entspricht der elektrischen und der mechanischen Antwort eines Piezos beim Senden. Beim Empfang mit einem Piezo sind die resultierende Spannung bzw. die elektrische Ladung unter Krafteinwirkung von Interesse. In den vorliegenden Studien wurden als Piezogeometrie sowohl Zylinder, als auch Hohlzylinder untersucht. Es konnte ein Zusammenhang zwischen der elektrischen und der mechanischen Antwort des Piezos hergestellt werden. Die gemittelte Auslenkung des Piezos über die Elektrode kann aus der Kenntnis der Impedanz berechnet werden. Hierzu wird die Impedanz durch einen elektrisch äquivalenten Schaltkreis gefittet, um daraus die mechanisch analogen Größen zu extrahieren. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Piezogeometrie auf die Resonanzstrukturen untersucht. Es stellte sich heraus, dass bei Zylindern sowohl Höhenmoden, als auch Radialmoden vorhanden sind. Bei Hohlzylindern existieren drei Schwingungsmoden: Neben der Wanddickenschwingung und der Höhenschwingung ist bei den Hohlzylindern auch eine Ringmode vorhanden, in der der Piezo in Radialrichtung schwingt. Aus der Kenntnis der Lage der Resonanzfrequenzen und der Sensitivität außerhalb dieser Frequenzen konnten Implikationen für den Bau von Hydrophonen zur akustischen Teilchendetektion gewonnen werden. In weiteren Simulationen wurde die Schallabstrahlung zur Emulation von Neutrinosignaturen untersucht. Bei Ankopplung eines Piezos an Wasser kann durch die Simulation die Richtungscharakteristik des Piezos extrahiert werden. In der Simulation wird dabei ein Kräftegleichgewicht an der Grenzfläche des Piezos angesetzt. Der Druckgradient ist dann proportional zur Beschleunigung des Piezos. Die durchgeführten Simulationen wurden in Messungen verifiziert. Hierzu wurden zum einen Messungen der Impedanz mit einem Impedanz-Phase-Gain Analysator durchgeführt. Zum anderen wurde die Auslenkung mittels optischer Interferometrie vermessen. Dafür wurde ein fasergekoppeltes Interferometer gebaut und eine Kallibrationsmethode dieses Interferometers wurde erarbeitet. Des Weiteren wurde ein System zur Stabilisierung der Messapparatur mittels eines Regelkreises entwickelt. Sowohl die Messungen der Impedanz, als auch der Auslenkung, sind in guter Übereinstimmung mit der Simulation. Neben den Simulationen und Messungen der piezoaktiven Elemente wurde eine Studie eines Triggeralgorithmus mittels Korrelationsmethoden durchgeführt. Hierbei wurden in-situ Messungen mit niedriger Signalamplitude verwendet, um das akustische Rauschen zu beschreiben. Zu diesen Daten wurden Signale addiert und es wurde untersucht, wie gut eine Rekonstruktion möglich ist. Hierzu wurde das Maximum des Korrelationskoeffizienten von verrauschten Signalen mit dem erwarteten Signal in Zeitfenstern für je zwei Hydrophonkanäle betrachtet. Ist dieser Korrelationskoeffizient in beiden Kanälen entsprechend gut, so kann auf das Signal getriggert werden. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit und unter Abwägung kommerziell verfügbarer Piezokeramiken ist das sensitive Element eines optimaler akustischer Neutrino-Detektors eine zylinderförmige PZT-5A Keramik mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Höhe von 10 mm. Die Ansprechschwelle eines einzelnen Detektors wird durch das Eigenrauschen, vor allem aber durch das Meeresrauschen, begrenzt und liegt bei einer Neutrinoenergie von einem PeV, wenn der korrespondierende Schauer in 400 m Abstand entstanden ist.