Simulation von Piezos zur akustischen Teilchendetektion

1. Astroteilchenschule Obertrubach der Universität Erlangen Oktober 2004 Simulation von Piezos zur akustischen Teilchendetektion Karsten Salomon Universität Erlangen-Nürnberg

2. Das thermoakustische Modell  • Neutrino tritt mit Nukleon in Materie (=Wasser) in Wechselwirkung • Hadronische und/oder elektromagnetische Kaskade • Energie wird entlang der Kaskade im Wasser deponiert • Energiedeposition --> Wasser wird erhitzt • Wasser dehnt sich aus --> Bipolares Schallsignal K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

3. Anforderung an Hydrophone zur akustischen Detektion • Hohe Empfindlichkeit für das erwartete Signal (~ 10-50 kHz) • Rauscharm, um kleine Signale zu beobachten • Richtungssensitivität, um Information über den Ort zu erhalten • Druckresistenz in der Tiefsee • Geringe Kosten K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

4. Piezoelektrischer Effekt • Bewegungsgleichungen von Piezos sind kompliziert (gekoppelte DGL eines anisotropen Materials): • Hook´sches Gesetz +elektr. Kopplung • Gauß´sches Gesetz +mechanische Kopplung • Wahl der Finiten Elemente Methode, um diese partiellen DGL zu lösen. K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

5. Die Finite Elemente Methode • Numerisches Verfahren zur Lösung von DGL mit Randwertproblem • Gebiete werden in Finite Elemente aufgeteilt • Innerhalb des Finiten Elementes werden Ansatzfunktionen definiert • Linearkombination dieser Ansatzfunktion liefert mögliche Lösungen innerhalb eines Elementes K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

6. Mechanische Schwingung • Wie verhält sich der Piezo bei Anlegen einer Sinusspannung? • Beispiel: Eine Scheibe bei Anlegen einer 20kHz Spannung • Nutze Symmetrie der Scheibe K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

7. Mechanische Schwingung • Am Beispiel einer Scheibe mit r=7.5mm, d=5mm Polarisation des Piezos z=2.5mm r=7.5mm K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

8. Analyse der mechanischen Schwingung • Betrachte den obersten Punkt auf der z-Achse Simulation Messung K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

9. Direkte Messung der Auslenkung eines Piezos mit und ohne Hülle • Fabry Perot, um die Auslenkung zu messen • Verständnis, wie die Hülle das Hydrophon beeinflusst • Messung wurde mit und ohne Hülle durchgeführt K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

10. Aufbau des Fabry Perot Interferometers • Mehrfachreflexionen zwischen Messobjekt und Faserende K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

11. Aufbau des Fabry Perot Interferometers K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

12. Auslenkung eines Piezos K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

13. Auslenkung desselben Piezos mit Hülle K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

14. Auslenkung desselben Piezos mit Hülle • Unterschiede wegen Unsicherheit in der Materialdicke • Die Absolutposition des Piezos in der Hülle ist unbekannt • Keine Axialsymmetrie - schief eingegossener Piezo? K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

15. Piezo mit verschiedenen Hüllendicken • Kleine Änderungen in der Materialdicke führt zu großen Änderungen der Resonanzfrequenz • einige mm Unterschied resultiert in einigen kHz Frequenzverschiebung a b c K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

16. Variation der Materialdicke • kleine Variation macht relativ große Effekte K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

17. Simulation und Messung der Impedanz von Piezos • Motivation: Test der Simulation und Verständnis der elektrischen Eigenschaften der Piezos • Simulation • Gebe Ladungspuls auf Piezo. • Berechne Spannungsantwort. • Impedanz ergibt sich im Fourierraum zu: K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

18. Simulation und Messung der Impedanz ~1/f K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

19. Simulation und Messung der Richtcharakterisitik • Ankopplung der Piezoschwingungen an Wasser • Schallfeld bei Senden von 20kHz Sinus Nach 20µs Signal: K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

20. Simulation und Messung der Richtcharakteristik Simulation beim Senden Messung bei Empfang (Asymmetrie wegen Verstärker) K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

21. Zusammenfassung • Zusammenfassung: • Simulation von Piezos und Bestätigung anhand von Messungen • Einfluss der Hülle auf das System wurde gezeigt • Signalausbreitung in Wasser K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

22. Danke für Ihre Aufmerksamkeit K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

23. Interessante Hydrophon Layouts für ANTARES • Glass Kugel • Piezos mit Hülle K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

24. Signalnachweis mit der Glaskugel • Geschwindigkeitspotential vorgeben K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

25. Ergebnisse mit der Glaskugel • Das integrierte Signal wird gesendet damit das erwartete bipolare Drucksignal resultiert • Simulation des Spannungsabfalls am Piezo • gemessenes Signal (rot) Drucksignal (grün) K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004

26. Simulation und Messung der Impedanz • Verschiebung der Resonanzfrequenz durch dickere Piezoelemente K. Salomon, Universität Erlangen-Nürnberg Astroteilchenschule, Oktober 2004