Acoustic System Development for Neutrino Underwater Detectors

Abstract

The main objective of this research is the design and development of two different underwater acoustic emitters aimed to the deep-sea KM3NeT neutrino telescope, more specifically for the Acoustic Positioning System (APS) and for the calibration of the acoustic neutrino detection technique. The KM3NeT project is a new optical-based deep-sea neutrino telescope, currently under construction. The main objectives of the KM3NeT telescope are the discovery and observation of high-energy neutrino sources in the Universe and the determination of the mass hierarchy of neutrinos. The KM3NeT detectors consist of three-dimensional arrays of light sensor modules distributed over large volumes of the transparent water in the deep Mediterranean Sea. The sensor modules register the time of arrival of the light and the brightness of the light to reconstruct the direction and energy of the neutrino. In order to achieve an accurate deployment of the mechanical structures and a precise reconstruction of neutrino induced events, the telescope includes an APS as mandatory sub-system that provides an accurate position of the mechanical structures in real time. Additionally, the APS could also be an excellent tool to study the feasibility of an acoustic neutrino detector and a possible correlation between acoustic and optical signals. The new detector KM3NeT is an excellent opportunity to continue with the study of the acoustic neutrino detection. The acoustic detection would allow the combination of the two neutrino detection techniques for a hybrid underwater neutrino telescope, especially considering that the optical based telescope needs acoustic sensors to monitor the position of the sensors.

An Acoustic Beacon (AB) as part of the APS of KM3NeT has been developed in this thesis. Previously, the first emitter prototype was developed and it was installed in previous neutrino telescopes, such as ANTARES and NEMO, in order to be tested in situ. The analyses of the in situ test with the prototypes were performed as part of this thesis. The results obtained from the tests showed that the requirements for the positioning system are accomplished, just needing few improvements for the final version. The final version of the AB is composed by a piezo-ceramic transducer and an electronic board integrated in a single piece in a cylindrical hard-anodized aluminium vessel. The design and the work done for a precise laboratory test was performed achieving optimal results in all aspects

As second main work performed in this thesis, a parametric transducer array able to mimic the acoustic signal generated by Ultra-High Energy (UHE) neutrino interaction in water was designed and developed. The first part was designing a single transducer able to emit parametrically the acoustic neutrino signal. Afterwards, the design of the complete array system composed of few units was performed in order to achieve a more energetic and directional bipolar pulse.

El objetivo principal de esta investigación es el diseño y desarrollo de dos tipos de emisores acústicos diferentes para ser utilizados en el telescopio submarino de neutrinos KM3NeT, en concreto, uno como emisor en el sistema de posicionamiento acústico (APS) y otro para la calibración de la detección acústica de neutrinos. El proyecto KM3NeT es un telescopio óptico de neutrinos, que actualmente está en fase de construcción, y está ubicado en las profundidades del mar. Los objetivos principales del telescopio son el descubrimiento y la observación de las fuentes que originan los neutrinos de alta energía en el universo y la determinación de la jerarquía de masas de los neutrinos. Los detectores de KM3NeT consisten en conjuntos tridimensionales de módulos de sensores de luz distribuidos en grandes volúmenes de agua en las profundidades del mar Mediterráneo. Los módulos de sensores ópticos registran el tiempo de llegada de la luz y el brillo de la luz para reconstruir la dirección y la energía del neutrino. Con objeto de lograr una implementación correcta de las estructuras mecánicas y una reconstrucción precisa de los eventos del neutrino, el telescopio incluye el APS como subsistema necesario para proporcionar la posición exacta de las estructuras mecánicas en tiempo real. Además, el APS puede ser una herramienta excelente para estudiar la viabilidad de un detector de neutrinos acústico y de una posible correlación entre la señal acústica y óptica. El nuevo detector KM3NeT es una oportunidad para continuar con el estudio de detección acústica de neutrinos. La detección acústica permitiría la combinación de las dos técnicas de detección de neutrinos para un telescopio submarino de neutrinos híbrido, y más aún, teniendo en cuenta que el telescopio óptico necesita de sensores acústicos para monitorizar la posición de los sensores.

En esta tesis, por un lado, se ha desarrollado un emisor acústico (AB) como parte del APS de KM3NeT. Previamente, se desarrolló el primer prototipo del emisor acústico, el cual se instaló en anteriores telescopios de neutrinos, concretamente en ANTARES y NEMO, con el fin de comprobar su funcionamiento in situ. Como parte de la tesis, se realizaron los análisis de las pruebas in situ y los resultados obtenidos mostraron que cumplía los requisitos del sistema de posicionamiento, únicamente se necesitaron algunas mejoras para la versión final. La versión final del AB está compuesta por un transductor piezo-cerámico y una placa electrónica integrado en una sola pieza en un recipiente cilíndrico de aluminio anodizado. El diseño y el trabajo realizado para una calibración precisa de laboratorio se llevó a cabo, logrando resultados óptimos en todos los aspectos requeridos.

El segundo trabajo principal desarrollado en esta tesis consistió en el diseño de un array paramétrico de transductores capaz de imitar la señal acústica generada por la interacción del neutrino de ultra-alta energía (UHE) en el agua. La primera parte de su diseño se centró en el desarrollo de un transductor individual capaz de emitir paramétricamente la señal acústica del neutrino. Posteriormente, se realizó el diseño del array completo compuesto por varias unidades del transductor diseñado, con el objeto de lograr un pulso bipolar más enérgico y directivo.

L'objectiu principal d'esta investigació és el disseny i desenvolupament de dos tipus d'emissors acústics diferents per a ser utilitzats en el telescopi submarí de neutrins KM3NET, en concret, ú com emissor en el sistema de posicionament acústic (APS) i altre per a la calibració de la detecció acústica de neutrins. El projecte KM3NET és un telescopi òptic de neutrins, que actualment està en fase de construcció, i està ubicat en les profunditats del mar. Els objectius principals del telescopi són el descobriment i l'observació de les fonts que originen els neutrins d'alta energia en l'univers i la determinació de la jerarquia de masses dels neutrins. Els detectors de KM3NET consisteixen en conjunts tridimensionals de mòduls de sensors de llum distribuïts en gran volums d'aigua en el Mediterrani. Els mòduls de sensors òptics registren el temps d'aplegada de la llum i la intensitat de la llum per a reconstruir la direcció i l'energia del neutrí. Com objectiu d'aconseguir una implementació correcta de les estructures mecàniques i una reconstrucció precisa dels events del neutrí, el telescopi inclou l'APS com subsistema necessari per a proporcionar la posició exacta de les estructures mecàniques en temps real. A mes, l'APS pot ser una ferramenta excel¿lent per a estudiar la viabilitat d'un detector de neutrins acústic i d'una possible correlació entre el senyal acústic i òptic. El nou detector KM3NET és una oportunitat per a continuar en l'estudi de detecció acústica del neutrí. La detecció acústica permetria la combinació de les dos tècniques de detecció de neutrins per a un telescopi submarí de neutrins híbrid, i més encara, tenint en compte que el telescopi òptic necessita de sensors acústics per a monitoritzar la posició dels sensors.

En aquesta tesis, per un costat, s'ha dissenyat un emissor acústic (AB) com part de l'APS de KM3NET. Prèviament, se desenvolupà el primer prototip de l'emissor acústic, el qual s'instal¿là en anteriors telescopis de neutrins, concretament en ANTARES i NEMO, amb el fi de comprovar-se el seu funcionament in situ. Com part de la tesis, es realitzaren els anàlisis de les proves in situ i els resultats obtinguts mostraren que complia els requisits del sistema de posicionament, únicament necessitant-se d'algunes millores per a la versió final. La versió final de l'AB està composta per un transductor piezo-ceràmic i una placa electrònica integrats en una sola peça en un recipient cilíndric d'alumini anoditzat. El disseny i el treball realitzat per a una calibració precisa de laboratori es va dur a terme, aconseguint resultats òptims en tots els aspectes requerits.

Com segon treball principal desenvolupat en esta tesis, s'ha dissenyat un array paramètric de transductors capaç d'imitar el senyal acústic generat per l'interacció del neutrí d'ultra-alta energia (UHE) en l'aigua. La primera part de disseny es centrà en el desenvolupament d'un transductor individual capaç d'emetre paramètricament el senyal acústic del neutrí. Posteriorment, es va realitzar el disseny de l'array complet compost per varies unitats del transductor dissenyat, amb l'objectiu d'aconseguir un pols bipolar més energètic i directiu.