Tesis por compendio / Neutrino telescopes are a new way of looking at the Universe. For more than a decade these structures are being designed to study the Universe from a new point of view, that is, from the particles generated in the cosmic accelerators of particles. These infrastructures are not only useful to study the Universe, but they can also be used in the field of Particle Physics and even in the study of underwater life.
Most of these telescopes are based on the detection of the so-called Cherenkov light using photomultipliers, the difference between them lies in the medium in which they are located (ice or water) and in the infrastructure used. Specifically, European telescopes mount these photomultipliers in an underwater vertical structure anchored at great depth, which is under the influence of sea currents. For this reason they suffer displacements that affect the location of the photomultipliers and it becomes necessary to implement a positioning system for the telescope to be functional. For this, an acoustic system consisting of emitters anchored to the sea floor and receivers located at the different levels of the vertical structure is used. One of the objectives of the present thesis is the development of these acoustic emitters.
For this purpose we have developed different laboratory prototypes with different features until obtaining an improved prototype that was installed and tested in ANTARES and NEMO telescopes. This showed that the prototype worked perfectly within the established requirements and then, we proceed to design a final version of the much more powerful and functional emitter, acoustic beacon, to be mounted inside aluminum vessels together with an omnidirectional acoustic transducer, which will be located in anchored positions of the new KM3NeT neutrino telescope. In collaboration with the MSM Company, 18 acoustic beacons were developed for KM3NeT-ARCA being two of them installed in the first marine campaign at the end of 2015, and being able then to verify their correct operation.
On the other hand, interaction of ultraenergetic neutrinos with matter also produces a thermoacoustic pulse with bipolar form, axial symmetry and highly directive. The feasibility of the acoustic detection technique and the possibility of implementing it in these telescopes have been under study for years. In order to test and calibrate this technique, it is necessary to have an acoustic emitter system able of generating a signal similar to the neutrino signature. This has been the second objective developed in this thesis.
To achieve this objective, a compact and versatile calibrator based on an array of acoustic transducers using parametric generation has been designed. Given the complexity of the pulse to emulate and the novelty of the technique to be used, it has been necessary to carry out different laboratory tests in order to obtain suitable transducers and electronics able of making them to work at the required power and efficiency. The positive results obtained in this line suggest that we will be able to obtain a full functional neutrino acoustic calibrator soon.
Finally, I would like to mention that I have participated in the different research and activities described in the thesis, putting especial emphasis in the development of the electronics and the software/firmware of the developed acoustic emitters. / Los telescopios de neutrinos son una nueva forma de observar el Universo. Desde hace más de una década se están diseñando este tipo de estructuras con el propósito de estudiar el Universo desde un nuevo punto de vista, el de las partículas que se generan en los aceleradores de partículas cósmicos. Estas infraestructuras no solo se limitan al estudio del Universo, sino que también pueden ser utilizadas en el campo de la Física de partículas e incluso en el estudio de la vida submarina.
La mayoría de estos telescopios se basan en la detección de la llamada luz de Cherenkov mediante fotomultiplicadores, la diferencia entre ellos radica en el medio en que se ubican (hielo o agua) y en la infraestructura utilizada. Concretamente, los telescopios europeos montan dichos fotomultiplicadores en una estructura vertical submarina anclada a gran profundidad, la cual está sometida a la influencia de las corrientes marinas. Por este motivo sufren desplazamientos que afectan a la localización de los fotomultiplicadores y se hace necesaria la implementación de un sistema de posicionamiento para que el telescopio sea funcional. Para ello se utiliza un sistema acústico consistente en unos emisores anclados al suelo marino y unos receptores situados en los diferentes niveles de la estructura vertical. Uno de los objetivos de la presente tesis es el desarrollo de estos emisores acústicos.
Con este fin se han desarrollado diferentes prototipos de laboratorio con los que se han ido escalando prestaciones hasta obtener un prototipo que ha sido instalado y testeado en los telescopios ANTARES y NEMO. Así se demostró que el prototipo funcionaba perfectamente dentro de los requisitos establecidos, pasándose a diseñar una versión final del emisor acústico mucho más potente y funcional para ser montada dentro de vasijas de aluminio junto con un traductor omnidireccional en las anclas del nuevo telescopio de neutrinos KM3NeT. Conjuntamente con la empresa MSM se elaboraron 18 equipos para KM3NeT-ARCA, dos de los cuales fueron instalados en la primera campaña marina a finales de 2015 comprobándose su correcto funcionamiento.
Por otro lado, la interacción de los neutrinos ultraenergéticos con la materia también produce un pulso termoacústico con forma bipolar, simetría axial y altamente directivo. Desde hace años se está estudiando la viabilidad de la técnica de detección acústica y la posibilidad de implementarla en dichos telescopios. Para poder poner a prueba y calibrar dicha técnica es necesario disponer de un sistema emisor acústico que sea capaz de generar una señal similar a la descrita. Este ha sido el segundo objetivo desarrollado en esta tesis.
Para ello se ha diseñado un calibrador compacto y versátil basado en un array de transductores acústicos usando generación paramétrica. Dada la complejidad del pulso a emular y lo novedoso de la técnica a utilizar, se ha requerido la realización de numerosas pruebas de laboratorio con el fin de conseguir unos transductores adecuados y la electrónica capaz de hacerlos funcionar a la potencia y eficiencia requerida. Los positivos resultados obtenidos en esta línea hacen prever que, en breve, podremos obtener un calibrador acústico de neutrinos funcional.
Finalmente, cabe reseñar que he participado en las diferentes investigaciones y actividades que se describen en la tesis, siendo mi cometido principal el desarrollo tanto de la electrónica como de los diferentes softwares/firmwares implicados en los emisores acústicos desarrollados. / Els telescopis de neutrins són una nova forma d'observar l'Univers. Des de fa més d'una dècada s'estan dissenyant aquest tipus d'estructures amb el propòsit d'estudiar l'Univers des d'un nou punt de vista, el de les partícules que es generen en els acceleradors de partícules còsmics. Estes infraestructures no sols es limiten a l'estudi de l'Univers, sinó que també poden ser utilitzades en el camp de la Física de partícules i fins i tot en l'estudi de la vida submarina.
La majoria d'aquests telescopis es basen en la detecció de l'anomenada llum de Cherenkov per mitjà de fotomultiplicadors, la diferència entre ells radica en el mig en què s'ubiquen (gel o aigua) i en la infraestructura utilitzada. Concretament, els telescopis europeus munten dits fotomultiplicadors en una estructura vertical submarina ancorada a gran profunditat, la qual està sotmesa a la influència dels corrents marins. Per este motiu pateixen desplaçaments que afecten a la localització dels fotomultiplicadors i es fa necessària la implementació d'un sistema de posicionament per a què el telescopi siga funcional. Per a això s'utilitza un sistema acústic consistent en uns emissors ancorats al sòl marí i uns receptors situats en els diferents nivells de l'estructura vertical. Un dels objectius de la present tesi és el desenvolupament d'aquests emissors acústics.
Amb este fi s'han desenvolupat diferents prototips de laboratori amb els quals s'han anat escalant prestacions fins a obtindre un prototip que ha sigut instal·lat i testeat en els telescopis ANTARES i NEMO. Així es va demostrar que el prototip funcionava perfectament dins dels requisits establerts, passant-se a dissenyar una versió final de l'emissor acústic molt més potent i funcional per a ser muntada dins d'atuells d'alumini junt amb un traductor omnidireccional en les àncores del nou telescopi de neutrins KM3NeT. Conjuntament amb l'empresa MSM es van elaborar 18 equips per a KM3NeT-ARCA, dos dels quals van ser instal·lats en la primera campanya marina a finals de 2015 comprovant-se el seu correcte funcionament.
D'altra banda, la interacció dels neutrins ultraenergètics amb la matèria també produeix un pols termoacústic amb forma bipolar, simetria axial i altament directiu. Des de fa anys s'està estudiant la viabilitat de la tècnica de detecció acústica i la possibilitat d'implementar-la en els esmentats telescopis. Per a poder posar a prova i calibrar esta tècnica és necessari disposar d'un sistema emissor acústic que siga capaç de generar un senyal semblant al descrit. Aquest ha sigut el segon objectiu desenvolupat en aquesta tesi.
Per a això s'ha dissenyat un calibrador compacte i versàtil basat en un array de transductores acústics utilitzant generació paramètrica. Donada la complexitat del pols a emular i la novetat de la tècnica a utilitzar, s'ha requerit la realització de nombroses proves de laboratori a fi d'aconseguir uns transductors adequats i l'electrònica capaç de fer-los funcionar a la potència i eficiència requerida. Els positius resultats obtinguts en esta línia fan preveure que, en breu, podrem obtindre un calibrador acústic de neutrins funcional.
Finalment, cal ressenyar que he participat en les diferents investigacions i activitats que es descriuen en la tesi, sent la meua comesa principal el desenvolupament tant de l'electrònica com dels diferents softwares/firmwares implicats en els emissors acústics desenvolupats. / Llorens Alvarez, CD. (2017). Diseño y desarrollo de la electrónica de los emisores acústicos para los sistemas de posicionamiento y calibración de telescopios submarinos de neutrinos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/88401 / Compendio
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upv.es/oai:riunet.upv.es:10251/88401 |
| Date | 02 October 2017 |
| Creators | Llorens Alvarez, Carlos David |
| Contributors | Ardid Ramírez, Miguel, Herrero Debón, Alicia, Sogorb Devesa, Tomás Carlos, Universitat Politècnica de València. Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño - Escola Tècnica Superior d'Enginyeria del Disseny |
| Publisher | Universitat Politècnica de València |
| Source Sets | Universitat Politècnica de València |
| Language | English |
| Detected Language | Spanish |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/acceptedVersion |
| Rights | http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/, info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0033 seconds