Исследование акустических эффектов при взаимодействии частиц с веществом Дипломная работа студентки 6 курса Ершовой Ольги Дмитриевны Научный руководитель: к.ф.-м.н. Широков Е.В. Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова Физический факультет Кафедра общей ядерной физики Москва, 2007 г.

2 Цель работы Явление возникновения акустического излучения при прохождении заряженных частиц в веществе Детектирование по акустическим сигналам каскадов частиц, инициированных космическими нейтрино в воде Целью работы являлось: Экспериментальное исследование акустического поля, возникающего при прохождении заряженных частиц в веществе (НИИЯФ МГУ). Экспериментальное исследование акустического поля, возникающего при прохождении заряженных частиц в веществе (НИИЯФ МГУ). Создание действующего прототипа гидрофона, который предполагается использовать для глубоководного детектирования нейтрино сверхвысоких энергий акустическим методом (проект NEMO, INFN Sezione di Genova, Italy). Создание действующего прототипа гидрофона, который предполагается использовать для глубоководного детектирования нейтрино сверхвысоких энергий акустическим методом (проект NEMO, INFN Sezione di Genova, Italy). Оглавление

3 Актуальность работы Потоки нейтрино высоких энергий очень малы. Необходимы большие объемы детекторов. Потоки нейтрино высоких энергий очень малы. Необходимы большие объемы детекторов. Возможности черенковского метода детектирования ограничены энергией E < эВ: Возможности черенковского метода детектирования ограничены энергией E < эВ: длина затухания света ~ 70 мдлина затухания света ~ 70 м объем детектора ~ 1 км 3объем детектора ~ 1 км 3 Акустический метод эффективен для нейтрино с энергией Е > эВ: Акустический метод эффективен для нейтрино с энергией Е > эВ: длина затухания звука в воде ~ 1 км на 10 кГцдлина затухания звука в воде ~ 1 км на 10 кГц возможность достижения объема >> 1 км 3возможность достижения объема >> 1 км 3 Оглавление

4 Механизм генерации звука 1. Ионизация и возбуждение атомов среды 2. Мгновенное выделение теплоты в ограниченной области пространства 3. Импульсное тепловое расширение 4. Акустическая волна При аппроксимации области энерговыделения цилиндром длиной L и диаметром d, в ближней волновой зоне (R < L 2 /λ L 2 /2d) фронт волны является цилиндрическим. В дальней – сферическим с малой угловой апертурой. L d Оглавление

5 Эксперимент в НИИЯФ МГУ Гидрофон перемещался вдоль линейных трасс с шагом 4.5 мм. Измерены две трассы на расстояниях X = 6 см и X = 4.5 см от оси пучка, каждая трасса содержала 70 точек. 1 м пучок гидрофон Y Z ЭМ ливень 0.5 м Z X 4.5 cм 6 cм6 cм6 cм6 cм Оглавление

6 Параметры пучка в эксперименте Энергия электронов 50 и 70 МэВ 50 и 70 МэВ Длительность импульса 7-9 мкс 7-9 мкс Частота повторения импульсов 10 Гц 10 Гц Пространственная форма поперечного сечения пучка Средний ток пучка мА мА Суммарное энерговыделение в импульсе ~ эВ ~ эВ 1 cм1 cм1 cм1 cм 1.5 cм Оглавление

7Моделирование МэВ/см 3 E = 70 МэВ Z, см R, см R, см Пространственное распределение средних потерь энергии пучком электронов в воде: В соответствии с терморадиационной моделью дает плотность мощности тепловых источников звука и форму излучающей акустической антенны.

8Моделирование Распределение проанализировано в различных ракурсах, построены продольные и поперечные профили энерговыделения. Из моделирования определены поперечные размеры области энерговыделения пучка электронов: Полуширина поперечного профиля на полувысоте Радиус области 50% энерговыделения E = 70 МэВ Оглавление

9 Результаты эксперимента: акустическое поле Расстояние вдоль трассы, см Время, мкс D C B A AB: сигнал от ближайшей точки излучающей акустической антенны CD: источник – область заглушки, через которую пучок входит в воду Время, мкс Давление, мПа Время, мкс Напряжение, В пучок Оглавление

10 Результаты эксперимента: границы излучающей антенны По времени прихода сигнала к гидрофону можно определить границы излучающей акустической антенны. Радиус области 50% энерговыделения Радиус излучающей акустической антенны (x i ) Локация области интенсивного энерговыделения ливня по акустическим сигналам Область выделения энергии x i = X - vt i Гидрофон 12 i vt i X Оглавление

11 Результаты эксперимента: продольный профиль энерговыделения Продольное распределение амплитуды давления Продольный профиль энерговыделения Согласие амплитудных профилей с профилями энерговыделения 15 см E = 70 МэВ Оглавление

12 Взаимодействие нейтрино в воде l ν В результате взаимодействия нейтрино с нуклонами ядер образуются электромагнитно-адронные ливни. Для нейтрино с энергией эВ 90% энергии ливня заключено в цилиндре длиной 20 м и диаметром 20 см. В соответствии с терморадиационной моделью, в результате поглощения энергии ливня возникает акустический сигнал, который распространяется в цилиндрической области перпендикулярно оси каскада. Сигнал имеет биполярную форму. Для ливня с энергией10 20 эВ амплитуда давления составляет несколько десятков мПа, максимум спектра сигнала приходится на кГц. 20 м ливень 20 см Оглавление

13 Оптоволоконный гидрофон Главное преимущество – удобство объединения в большие массивы. Мы изучили возможность создания гидрофона, обладающего достаточной чувствительностью и плоской частотной характеристикой в диапазоне до 20 кГц. Принцип работы состоит в наблюдении интерференционной картины от двух импульсов лазерного излучения, испытывающих отражения до и после прохождения гидрофона. Под действием акустического давления Δp гидрофон деформируется, в результате происходит удлинение оптоволокна ΔL и проходящий в гидрофоне импульс приобретает дополнительный фазовый сдвиг: Δφ ~ ΔL ~ Δp. ΔLΔLΔLΔL ΔpΔpΔpΔp Зеркала Оглавление

14 Моделирование свойств гидрофона 5 слоев оптоволокна эластичное основание t = 1 мм воздушный зазор 1 мм Поддерживающие основание кольца L = 20 мм Ø = 17 мм пассивное основание из алюминия Исходя из линейной теории упругости смоделировали свойства гидрофона и подобрали оптимальную геометрию, чтобы достичь компромисса между высокой чувствительностью и отсутствием механических резонансов в пределах рабочей полосы частот. Разработанный прототип гидрофона: Теоретические ожидания: плоская характеристика до 20 кГц и чувствительность -142 дБ отн рад/мкПа Частота (кГц) в воздухе в воде Отклик гидрофона (дБ отн. рад/мкПа) Оглавление

15 Тестирование гидрофона Гидрофон на станке в процессе намотки Проведены испытания гидрофона в воздухе в диапазоне частот до 10 кГц. Гидрофон откалиброван при помощи микрофона с известной частотной характеристикой. Результаты: плоская частотная характеристика в пределах 6 дБ. Чувствительность -139 Дб отн рад/мкПа, в пределах 3 дБ совпадает с рассчитанной теоретически. Частотная характеристика гидрофона Частота (кГц) Отклик гидрофона (дБ отн. рад/мкПа) Оглавление

16 Результаты работы Впервые получена детальная пространственно-временная зависимость акустического поля, создаваемого в воде пучком электронов с энергией 50 и 70 МэВ. Впервые получена детальная пространственно-временная зависимость акустического поля, создаваемого в воде пучком электронов с энергией 50 и 70 МэВ. Получено согласие результатов эксперимента с компьютерным моделированием, подтверждающее терморадиационную природу изучаемых процессов. Получено согласие результатов эксперимента с компьютерным моделированием, подтверждающее терморадиационную природу изучаемых процессов. Показано, что по акустическим сигналам можно восстановить продольный профиль энерговыделения ливня, инициированного пучком, и определить границы области развития ливня. Показано, что по акустическим сигналам можно восстановить продольный профиль энерговыделения ливня, инициированного пучком, и определить границы области развития ливня. Разработан и создан прототип оптоволоконного гидрофона, обладающий высокой чувствительностью и линейной частотной характеристикой в полосе частот, соответствующей ожидаемому максимуму спектра сигнала от адронных ливней. Разработан и создан прототип оптоволоконного гидрофона, обладающий высокой чувствительностью и линейной частотной характеристикой в полосе частот, соответствующей ожидаемому максимуму спектра сигнала от адронных ливней. Оглавление

17 Спасибо за внимание! Оглавление

18 Цель работы Цель работы Актуальность работы Актуальность работы Механизм генерации звука Механизм генерации звука Эксперимент в НИИЯФ (постановка) Эксперимент в НИИЯФ (постановка) Параметры пучка Параметры пучка Моделирование Моделирование: поперечные размеры области энерговыделения Моделирование: поперечные размеры области энерговыделения Результаты: акустическое поле Результаты: акустическое поле Результаты: границы области энерговыделения Результаты: границы области энерговыделения Результаты: продольный профиль Результаты: продольный профиль Взаимодействие нейтрино Взаимодействие нейтрино Оптоволоконный гидрофон Оптоволоконный гидрофон Моделирование свойств гидрофона Моделирование свойств гидрофона Тестирование гидрофона Тестирование гидрофона Результаты работы Результаты работыОглавление

19 Свойства акустического сигнала Возникающее поле давления описывается волновым уравнением: Возникающее поле давления описывается волновым уравнением: Время (мкс) Давление (мПа) Плотность энергии, выделившаяся в воде в результате поглощения излучения Сигнал имеет биполярную форму: Сигнал имеет биполярную форму: Спектр сигнала лежит в диапазоне от 1 до 100 кГц, максимум спектра для адронных ливней с энергией >10 18 эВ приходится на кГц Спектр сигнала лежит в диапазоне от 1 до 100 кГц, максимум спектра для адронных ливней с энергией >10 18 эВ приходится на кГц

20Моделирование Поперечные профили энерговыделения в разных сечениях пучка (распределение с большой точностью остается гауссовым) Продольные профили энерговыделения 70 МэВ 50 МэВ