<<
>>

Баллистические гравиметры

Г.Г. де Метц в 1892-1893 гг. осуществил в Киевском университете метод несвободного падения, а А.А. Иванов в 1903-1905 гг. по инициативе Д.И. Менделеева — в Главной палате мер и весов в Петербурге.

В этих экспериментах использовалась машина Атвуда. Погрешность каждого из этих измерений превышала 100 мГал [Юзефович, Огородова 1980].

В последующие годы, вплоть до середины XX века, не имеется сведений о проведении измерения УСТ методом свободного падения. В начале XX века зародилась электроника; это позволило выполнять измерения (с определенной точностью) интервалов времени свободно падающего тела. В середине XX века почти одновременно в нескольких странах началась разработка аппаратуры и измерение абсолютного значения УСТ методом свободного падения: В 40-60-х годах было создано несколько стационарных абсолютных гравиметров. Эти гравиметры основывались на наблюдении падения жезла или линейки. Были выполнены наблюдения в СССР, Франции, Канаде, ФРГ и др. [Труды ХГНИИМ 1972], Труды ВНИИМ, 1958 г.

С появлением лазеров началась разработка и изготовление транспортабельных абсолютных гравиметров, которые к концу XX века стали широко применяться при построении мировой и национальных гравиметрических сетей.

В качестве падающего тела применялись различные устройства. Форма и устройство падающего тела определялись исходя из методов измерения пути—времени и состояния технических средств измерения. Падающее тело, содержащее уголковый светоотражатель, начали применять в 60-х годах, а с появлением стабилизированных лазеров — во всех абсолютных гравиметрах. Уголковые светоотража- тели по конструкции разделяются на две группы: а) выполненные в виде призмы и б) выполненные в виде системы трех взаимно перпендикулярных зеркал. />Падающее тело гравиметра ИФЗ АН СССР содержит два симметрично расположенных относительно горизонтальной плоскости уголковых светоотражателя.

Тело состоит из трех стеклянных параллелепипедов размером 2x2x4 см, соединенных оптическим контактом. Наружные поверхности тела алюминированы. [Романюк и др. 1970]. Все описанные выше методы в основном сводятся к двум, отличающимся заданием начального импульса пробному телу: так называемые «симметричный» и «несимметричный» методы.

При симметричном методе пробное тело подбрасывается вверх устройством, называемым обычно ¦катапультой», с определенной силой на некоторую, заранее заданную высоту. Регистрация элементов движения в этом случае проводится при движении пробного тела как вверх, так и вниз. При несимметричном методе пробное тело в исходном состоянии находится в верхней точке траектории

движения. Перед началом измерений пробное тело отпускается из фиксированного положения удерживающим механизмом и совершает свободное падение. Регистрация элементов движения при этом методе производится только при движении пробного тела вниз.

Регистрация элементов движения пробного тела как при симметричном, так и при несимметричном методах возможна путем измерения интервалов времени, за которое пробное тело проходит фиксированные отрезки пути, или путем измерения отрезков пути, которые пробное тело проходит за наперед заданные интервалы времени.

Несимметричный метод измерений

Установка Ш. Воле, Севр. Падающее тело выполнено в виде линейки с делениями, которая свободно падала в вакууме и фотографировалась в моменты кратковременных вспышек света лампы, управляемых периодическими электрическими импульсами с известной частотой следования. После проявления фотопленки визуально снимались отсчеты шкалы. Эту схему предложил в 1946 г. Ш. Воле, Севр (Франция) [Груилинский, Сажина 1959; Огородова и др. 1978].

Установка А. Тулина в Севре. В 1957-1959 гг. А. Тулин в международном бюро мер и весов в Севре (Париж) выполнил измерения УСТ, применив свободное падение градуированной шкалы (платино-иридиевая метровая линейка весом 3,5 кг). Расстояние, пройденное пробным телом за известные промежутки времени, фиксировалось на кинопленку [Труды ХГНИИМ 1972].

Установка не транспортабельна. Инструментальная погрешность 1,0 мГал.

Канадский прибор для абсолютных измерений ускорения силы тяжести. В 1957-1959 гг. Престон-Томас в Оттаве выполнил абсолютные измерения УСТ [Preston-Thomas 1960, Труды ХГНИИМ 1972].

Эталоном времени в приборе является 100-килогерцевый генератор, обеспечивающий стабильность 210”10 с. Расстояния, пройденные пробным телом за известные интервалы времени, фиксируются на фотопластинке.

Пробным телом в приборе служит двухметровая линейка из нержавеющей стали весом 7 кг. В теле линейки установлены три полупрозрачные стеклянные шкалы длиною около 20 мм. Расстояние между шкалами сверялось по международному метру в бюро мер и весов с точностью до 0,5 мкм. На шкалах нанесены деления через 0,1 мм. При свободном падении линейки ее шкалы пересекают горизонтальный индекс регистратора, представляющего собой неподвижную сетку нитей. Посредством вспышек света длительностью 0,5 мкс через 0,1 с на фотопластинке фиксируется взаимное расположение шкал линейки и регистратора. Свободное падение линейки длится около 0,7 с. Погрешность измерения времени равна 2-10"8 с.

Термостатированная рабочая камера выполнена из металлической трубы длиною 5,2 м со степенью вакуумирования около 710"5 мм рт. ст. Линейка с помощью специального устройства поднимается вверх для очередного броска без нарушения вакуума в рабочей камере. Влияние вибраций и микро- сейсм фиксируется посредством трех сейсмографов. Установка не транспортабельна. Инструментальная погрешность определения УСТ равна 0,9 мГал.

Японские баллистические гравиметры. Принцип работы установки института мер и весов, Япония, Токио, 1971 г., основан на баллистическом несимметричном многоточечном методе одной станции [Cook 1965а, b; Inouye et al. 1971). Эталоном времени в установке является высокостабильный генератор частоты, обеспечивающий точность измерения отрезков времени порядка МО-7 с.

Пробным телом в установке служат инварная и кварцевая линейки.

На линейках длиной около 1 м нанесены деления через 1 см с точностью 0,1 мкм. Эталонирование шкал линеек выполняют с помощью интерферометра. Движение тела происходит в цилиндрической камере диаметром 30 см и высотой 3,5 м, вакуумированной до МО-5 мм рт. ст. Перед падением линейка подвешивается на нейлоновой нити, которая затем расплавляется с помощью электрического нагревателя.

Принцип измерения УСТ сводится к определению времени, необходимого для прохождения наперед заданных отрезков пути пробным телом. При падении линейки деления, нанесенные на ее поверхности, ослабляют световой поток, поступающий на фотоумножитель, импульсы с которого совместно с временными отметками поступают на осциллограф и фотографируются с помощью фотокамеры. Момент прохождения каждого деления падающего тела через опорную метку определяется с точностью ±110~7 с. Влияние микросейсм и вибраций регистрируется при помощи сейсмографа. Обработку наблюдений проводят по способу наименьших квадратов, что также уменьшает влияние вибраций и микросейсм. Точность определения УСТ ±1 мГал. Установка не транспортабельна.

В 1980-х годах в Японии продолжали совершенствовать баллистический метод измерения УСТ. В национальной астрономической обсерватории Мидзусава (NAOM) установлен прибор, изготовленный по типу прибора А. Сакумы. Дальнейшие разработки вели независимо две организации: NAOM и Институт географической съемки Японии (GS1). Разработаны отдельные узлы баллистического гравиметра: устройство вакуумной камеры, пробное тело типа «кошачий глаз*, конструкция отпускания пробного тела, устройство виброзащиты и др. Применены также уже известные узлы: гелий-неоновый лазер, интерферометр Майкельсона, рубидиевый стандарт частоты, лавинный фотодиод, для виброзащиты применен сейсмометр. Однако в целом приборы имели недостаточно высокую точность измерений.

Аппаратура А.И. Марциняка. В 1954-55 гг. А.И. Марциняк во ВНИИМ (Ленинград) выполнил абсолютное измерение УСТ, что отмечено в Трудах ВНИИМ 1958 г.

Падающее тело выполнено в виде длинного стержня (жезла), жезл свободно падает в вакууме. Во время падения на светочувствительный слой проектируется изображение реперного штриха, освещаемого кратковременными периодическими вспышками газосветной лампы (строботрона), управляемой импульсами частотой 125 или 250 Гц от кварцевого эталона частоты через равные известные промежутки времени. После проявления изображения на жезле выполняют измерения расстояний между изображениями реперного штриха; интервалы времени определяют по частоте периодических импульсов газосветной лампы. Измерение расстояний между штрихами жезла производилось в лаборатории эталонов длины на линейной измерительной машине.

Жезл аппаратуры ВНИИМ состоит из латунного корпуса длиной 105 см, в который с двух противоположных сторон вставлены и закреплены эластичным веществом цилиндрические стержни из плавленого кварца (горного хрусталя). На стержнях имеются точно отшлифованные грани, на которые нанесена светочувствительная фотоэмульсия. Головка жезла имеет дужку для подвешивания на игле сбрасывающего механизма. Цилиндрическая камера, в которой падает жезл, имеет размеры: высота — м и диаметр — 70 мм. Камера вакуумирована до 0,2 мм рт. ст. Гравиметр не транспортабелен. Погрешность измерения УСТ 2,0 мГал.

Установка физико-технического государственного института ФРГ. Принцип работы установки физико-технического государственного института ФРГ (Враунгшвейг, 1969 г.) основан на баллистическом несимметричном многоточечном методе одной станции [Труды ХГНИИМ 1972]. Эталоном времени в приборе является генератор частоты, обеспечивающий точность МО"8 с. Пробным телом в приборе служит жезл длиною 2 м, диаметром 75 мм и весом около 5 кг. Жезл покрыт эмульсионным слоем. Для определения УСТ на всем протяжении пути свободного падения жезла измеряются пути за известные интервалы времени. Интервалы времени задаются импульсами света длительностью 10“7 с. и частотою 130 Гц, образуемыми посредством вращающегося диска синхронного мотора.

На одном жезле можно получить большое число отметок времени при свободном падении его под разными азимутами. Камера прибора вакуумирована до давления 210“5 мм рт. ст. Инструментальная погрешность прибора ±2 мГал. Установка не транспортабельна.

Установка национальной службы метрологии ГДР. Принцип работы установки национальной службы метрологии (ГДР, Берлин, 1970 г.) основан на свободном падении тела методом трех станций [Cook 1965а, Ь]. Эталоном времени в приборе является генератор частоты, обеспечивающий точность 1-10"8 с. Пробным телом в установке служит латунный цилиндр диаметром 15 мм и длиною 100 мм. В центре тяжести пробное тело имеет щель шириною 1,5 мкм. Определение УСТ проводят по двум постоянным интервалам пути, определяемым посредством инварной линейки длиной 1035 мм. При свободном падении пробное тело в вакуумированной до 1-5-10"5 мм рт. ст. стальной камере длиною 1400 мм и диаметром 117 мм проходит три световых барьера (реперные точки). Импульсы с фотоумножителя, получаемые при пересечении щелью пробного тела светового барьера, управляют двумя электронными счетчиками частоты, рассчитанными на работу от 10 МГц эталонного генератора. Интервалы времени


регистрируются с точностью до МО-7 с. Влияние вибраций и микросейсм на камеру регистрируются сейсмографом. Инструментальная погрешность прибора — 0,5 мГал. Установка не транспортабельна.

Абсолютные лазерные баллистические гравиметры типа ГАБЛ. С начала 70-х годов в Институте автоматики и электрометрии (ИАиЭ) СО РАН ведется разработка баллистических гравиметров по несимметричному методу измерений типа ГАБЛ [Арнаутов и др. 1972, 1982а, б, 19S4] (Сборник статей, Новосибирск: ИАиЭ, 1972 г.). Для измерения пути, пройденного свободно падающим телом (СПТ), используется счет интерференционных полос лазерного интерферометра. Мерой длины служит длина волны лазера, стабилизированного по атомному реперу в спектре излучения, а мерой интервалов времени являются сигналы прецизионного (например рубидиевого) стандарта частоты. Лазерный гравиметр можно представить б виде четырех отдельных блоков: 1) баллистического блока, в котором осуществляется свободное падение пробного тела; 2) лазерного интерферометра, дающего информацию о перемещении свободно падающего тела; 3) измерительно-вычислительной системы, с помощью которой производится измерение интервалов времени свободного падения и обработка результатов измерений и электронного блока, предназначенного для автоматического управления работой гравиметра.

Падающее тело в гравиметре содержит уголковый светоотражатель, выполненный в виде призмы, помещенной в корпус. В верхней части корпуса укреплена ферритовая пластинка, служащая для удержания тела в верхнем положении, а также три подпятника, изготовленные из твердого сплава ВКУ-1, служащие для ориентировки падающего тела. Вакуумный ввод служит для передачи вращательного движения от шагового электродвигателя, находящегося вне вакуумной камеры, подъемному тросовому механизму, расположенному внутри этой камеры, с помощью эксцентрика.

На рис. 5.6.1 представлена функциональная схема лазерного гравиметра ГАБЛ. В вакуумированной камере 1 (труба из нержавеющей немагнитной стали) находится СПТ 2, с которым жестко связан оптический уголковый отражатель 3. СПТ содержит ферритовый элемент 4, который в стартовой позиции притягивается удерживающим электромагнитом 5 к верхней части трубы. Постоянство исходного положения СПТ обеспечивается трех конических штырьков (игл) 6, которые в стартовом положении входят в полусферические углубления (подпятники) 7, закрепленные на верхнем фланце вакуумной камеры. Ферритовый сердечник 8 удерживающего электромагнита 5 может смещаться в горизонтальной плоскости в двух взаимноперпендикулярных направлениях с помощью винтов 9. СПТ поднимается кареткой 10 через вакуумный ввод движения 11 с помощью электромотора 12. Для улавливания СПТ в конце его падения служит пружинная ловушка. Движением каретки, включением и выключением электромагнитов управляет электронная схема 22. Лучи лазера проходят через стеклянное окно 13 камеры 1. Вакуумирование камеры осуществляется через патрубок 14 с помощью вакуумной системы, содержащей механический форвакуумный насос, диффузионный высоковакуумный насос и систему вакуумных затворов. Оптический уголковый отражатель 3 включен в измерительное плечо интерферометра. Луч лазера 15 делится пластинкой 16 на два. Измерительный пучок направлен вертикально вверх к отражателю 3. Опорный луч идет к референтному уголковому отражателю 17 и после отражения рекомбинирует с измерительным пучком, образуя интерференционное поле в плоскости фотоприемника 18.

Уголковый отражатель 17 закреплен в центре качаний низкочастотного сейсмометра (период собственных колебаний ~10 с), благодаря чему влияние случайной погрешности измерения, вызванной микросейсмическими колебаниями фундамента, удается снизить более чем на порядок. Схема формирователя интервалов времени задает интервалы, соответствующие времени прохождения падающим телом расстояний, равных целому числу интерференционных полос. Длительность интервалов измеряется специальной электронной схемой с разрешением в 100 пикосекунд. Меру времени задает рубидиевый стандарт частоты 20. Результаты измерений вводятся непосредственно со счетного блока 19 через интерфейсное устройство в память ЭВМ 21, которая в темпе с экспериментом производит вычисления д, статистическую обработку результатов повторных измерений, представляет графическую информацию о влиянии внешних воздействий и вносит необходимые поправки в полученный результат.

В каждую серию измерений вносится поправка, учитывающая влияние сопротивления остаточного газа в баллистической камере, и поправка за прилив, приводящая измеренное значение д к уровню невозмущенного геопотенциала, учитывается притяжение атмосферных масс и изменение широты, обусловленное движением полюса Земли. О других инструментальных поправках подробно изложено в [Арнаутов и др. 1982а, б, 1994].

Было создано несколько моделей, каждая из них была более совершенной по сравнению с предыдущей, повышалась и точность измерений.

Первоначально использовался лазер, частота которого стабилизировалась по провалу Лэмба, затем был введен контрольный гелий-неоновый лазер с йодной ячейкой поглощения. Вместо измерений двух отрезков пути стал применяться метод многих станций; повышена точность измерений интервалов времени до 0,2 наносекунды; введены и другие изменения.

Дальнейшим совершенствованием гравиметра ГАБЛ является разработка гравиметра ГАБЛ-М (1985 г.).

Суммарная среднеквадратическая ошибка определения абсолютного значения g гравиметром ГАБЛ- М составляет около 5 мкГал и определяется в основном инструментальными погрешностями. На рис. 5.6.2 показан внешний вид одной из последних модификаций гравиметра — ГАБЛ-Э (1996 г.). Составляющие инструментальной погрешности приведены в табл. 5.4. Там же даны оценки их влияния на точность определения абсолютного значения УСТ, а технические характеристики следующие: Средняя квадратическая погрешность измерения

абсолютного значения УСТ               не более ±410~8 м/с2

Число отсчетов за время свободного падения               500

Цикл одного измерения               10 с

Габариты: оптико-механический блок               1200x700x700

электронный блок               620x560x660

Общий вес установки               180 кг

Потребляемая мощность              2 кВт (220 В, 50 Гц)

Создателями приборов типа ГАБЛ были: Г.П. Арнаутов, Е.Н. Калиш, В.П. Коронкевич, А.И. Лох- матов, М.Г. Смирнов, Ю.Ф. Стусь, В.Г. Тарасюк. />Параллельно с разработкой приборов типа ГАБЛ совместными усилиями ИАиЭ СО РАН и Центрального научно-исследовательского института геодезии, аэросъемки и картографии были созданы приборы типа ГБЛ (1989 г.) и его облегченный вариант — гравиметр ГБЛ-П (1995 г.).

Абсолютный гравиметр ВНИИМ. Метод, предложенный П.Н. Агалецким в 1947 г., основан на совмещении свободного и несвободного падения тел. Свободно падающее тело находится внутри

№ п/п

Источники

погрешности

Величина погрешности, КГ8 м/с2

1

Сила сопротивления остаточного газа

±2

2

Электромагнитные силы

±1

3

Определение длины волны лазерного излучения

±1

4

Ошибка измерения интервалов пути

±2

5

Ошибка измерения интервалов времени

±0.5

6

Отклонение от вертикали измерительного луча

±1

7

Вращение уголкового отражателя

±0.5

Суммарная среднеквадратическая погрешность

3,4

несвободно падающей вакуумированной камеры. Задача сводится к регистрации пути и времени движения свободно падающего тела [Юзефович, Огородова 1980], (Труды ВНИИМ, 1958 г.). Измерения абсолютного УСТ выполнены в Ленинграде в 1954-55 гг.

Свободно падающее тело состоит из латунной рамки длиной 15 см и вложенной в рамку полоски стеклянной фотопластинки. Масса тела — 70 г. Несвободно падающая камера аппаратуры ВНИИМ оснащена электромагнитными рекордерами для нанесения магнитных отметок на двух вертикально установленных стальных проволоках; аппаратурой для нанесения фотографических отметок на шкале свободно падающего тела и электромагнитным устройством для дистанционного освобождения свободно падающего тела внутри камеры во время ее падения. Вдоль пути падения камеры были натянуты два токоподводящих проводника и две стальные проволоки; падающая камера имела снаружи в верхней своей части две контактные щетки, скользящие по токоподводящим проводникам, и два электромагнитных рекордера, скользящих по стальным проволокам; наружный диаметр камеры 4,5 см, длина 80 см, масса 4,875 кг. Весь путь, проходимый падающей камерой, был равен 14 м. Длина пути, на котором регистрировалось совмещенное падение тел, составляла 10,2 м. Электрические импульсы длительностью 3-5 мкс с частотой повторения 62,5 Гц управляли газосветной лампой и уже световые сигналы регистрировались на фотопластинке СВП.

Для измерения длины отрезков между фотографическими отметками на фотопластинке и для измерения длины отрезков между магнитными отметками на проволоке имелись соответствующие компараторы. Установка не транспортабельна. Инструментальная погрешность составляла 1,6 мГал.

Установка национального бюро стандартов (США, Гейзесберг). В 1966-1967 гг. Дуглас П. Тейт, наблюдал падение жезла (плавленый кварц, длина 1 м) внутри несвободно движущейся вакуумной камеры [Труды ХГНИИМ 1972, Tate 1967]. Принцип работы установки основан на баллистическом методе совместного падения двух тел: свободного падения пробного тела относительно несвободно падающей камеры. Эталоном времени в приборе является кварцевый генератор с частотой 1 МГц и стабильностью 10“7 с.

Пробное тело — труба из плавленого кварца диаметром 15 мм, длиною 107 см при толщине стенок 1 мм, размещается внутри, вакуумированной камеры диаметром 48 мм и длиною несколько больше пробного тела.

Определение УСТ производят по двум заданным постоянным интервалам пути и измеряемым отрезкам времени, необходимым для прохождения этих интервалов.

Для получения импульсов, управляющих счетчиком времени, на пробном теле нанесены три щели. При падении пробного тела щели пересекают реперную точку, выполненную в виде щели, за которой находится длиннофокусный микроскоп и фотоумножитель. При прохождении щелями пробного тела реперной щели фотоумножитель выдает электрические импульсы, которые и управляют счетчиками времени с разрешающей способностью 10 МГц. Первый импульс открывает оба счетчика, второй импульс закрывает первый счетчик, а третий — второй счетчик.

Расстояние между щелями измеряется эталонной линейкой с точностью порядка 0,2-10_6 м с помощью микроскоп-микрометра с отсчетной точностью 0,1 мкм.

Камера термостатирована, температуру измеряют ртутными термометрами. Камера вакуумирована, остаточное давление не менее ЫО-3 мм рт. ст. Эффект влияния электрических зарядов исключается путем серебрения трубы с такой плотностью, чтобы ее сопротивление было ^10 Ом. Ошибки в измерении длины и времени приводят к ошибке не более 0,21 мГал, но погрешность эталона длины может приводить к ошибке 0,39 мГал. Одним из главных источников ошибок является влияние микросейсм и вибраций. Суммарное действие ошибок приводит к инструментальной погрешности установки, равной ±0,45 мгал. Установка не транспортабельна.

Баллистические гравиметры Фаллера. Первоначально приборы, созданные под руководством Д. Фаллера (США), были основаны на простом падении пробного тела (уголкового отражателя). В 1963 г. Фаллер и Хаммонд в Принстоне (США) применили интерференционный метод измерения расстояний и лазер как источник света [Юзефович, Огородова 1980; Гусев, Славин 1973а, б; Falter 1963, 1967; Falter, Marson 1988].

Принцип работы установки основан на баллистическом несимметричном методе. Эталоном времени в приборе является генератор частоты со стабильностью 110“9 с. Для измерения отрезков пути, пройденного свободно падающим телом, применен интерферометр Майкельсона, где в качестве пробного тела применен уголковый отражатель (трипельпризма). Источником света служит гелий-неоновый лазер, длина волны которого определяется по отношению к эталону длины. Рабочая камера, выполненная из стеклянной трубы диаметром 18 см, вакуумирована до 5* 10“7 мм рт. ст. Для устранения влияния статического электричества внутренняя поверхность камеры покрыта специальным составом. Для установки луча лазера в вертикальное положение применяется ртутный горизонт. С целью компенсации влияния вибраций и микросейм неподвижная призма интерферометра крепится на инерционной массе длиннопериодного сейсмографа. Подъем подвижного тела осуществляется с помощью механической тележки, а юстировка его перед отпусканием проводится посредством трех «пальцев» со сферическими головками.

Определение УСТ производят по двум заданным интервалам времени и пройденному расстоянию при падении уголкового отражателя с высоты около 1 м. Отрезки пути падения тела измеряют подсчетом интерференционных полос. Для снижения требований к отпускающему устройству измерение начинается спустя некоторый промежуток времени после начала падения тела. Задающее устройство через промежуток времени выдает три последовательных импульса, соответствующих наперед заданным моментам времени. />Результаты измерений исправляются поправками за остаточное давление, влияние магнитного поля, за скорость света и отклонение направления падения от вертикали. Инструментальная точность прибора лежит в интервале от 0,041 до 0,087 мГал (получено по результатам наблюдений на 8 пунктах в 1971 г.). Прибор транспортабельный, весит комплект 900 кг, продолжительность измерений на пункте, включая установку и разборку комплекта, составляет 5 суток.

В дальнейшем приборы Фаллера постоянно модернизировались и обновлялись. Так, был переход от простого падения тела к свободному падению тела внутри несвободно падающей камеры. Было разработано ряд моделей: 15, А-10,

JILA, FG5. Наиболее совершенна последняя модель.

Принцип действия гравиметра FG5 состоит в измерении интервалов времени, за которые свободно падающее тело (СПТ) проходит заданные интервалы пути. Результаты из-

мерении получают из многих измерений интервалов пути и времени. Измерение пути, пройденного СПТ, осуществляется лазерным интерферометром.

Мерой пути служит длина волны излучения стабилизированного лазера, мерой интервалов времени являются сигналы рубидиевого стандарта частоты. Прибор работает автоматически. Измерительный путь у FG5 равен 20 см. СПТ свободно падает вместе с небольшой по размерам камерой, которая несвободно падает в большой вакуумированной камере. Такое падение происходит под управлением специальной следящей системы. Это позволяет несколько снизить требования к вакуумированию неподвижной баллистической камеры и уменьшает влияние сопротивления остаточного газа движению СПТ. В FG5 применяется стабилизированный гелий-неоновый лазер с йодной ячейкой поглощения, связанный с интерферометром оптико-волоконной связью. Для уменьшения влияния микросейсм и вибраций на результаты измерений в референтном плече интерферометра применена суперпружина с периодом колебаний подвешенной на ней СПТ около 60 с. Баллистический гравиметр FG5 выпускается малой серией фирмой Micro-g Solutions, Inc. США. Погрешность измерений с ним — 2-4 мкГал. Общий вид прибора FG5 показан на рис. 5.6.3.

Китайский баллистический гравиметр. В 1982 г. в национальном институте метрологии Китая разработан баллистический гравиметр, работающий по трехточечному несимметричному методу [Feng Yong-yuan et al. 1982]. Пробное тело — угол куба — свободно падает в вакуумированной камере.

Путь измеряется с помощью интерферометра Майкельсона, источником света служит стабилизированный гелий-неоновый лазер. Эталоном времени служит рубидиевый стандарт частоты с относительной погрешностью МО-10. Имеется антивибрационное устройство. Принцип работы гравиметра аналогичен известному прибору Хамонда, Фаллера [Hammond, Falter 1971].

При измерении УСТ производится 50 бросков в час. Вес прибора 700 кг, высота около 2 м. Погрешность измерений одной серии составляет 70 мкГал, общая погрешность измерений на пункте около 20 мкГал.

Симметричный метод измерений

Установка международного бюро мер и весов. Принцип работы установки основан на баллистическом симметричном методе двух станций.

А. Сакума (Франция, Севр) интерференционным методом задавал две станции, расстояние между которыми 40 см, с помощью кварцевого эталона длины, равного 80 см [Гусев 1975; Юзефович, Ого- родова 1980]. Эталоном времени в установке служит генератор частоты, обеспечивающий точность Ю“10с, с выходами частот от 1 до 100 МГц.

Падающее тело гравиметра А. Сакумы содержит два симметрично расположенных относительно горизонтальной плоскости уголковых светоотражателя. Каждый уголковый светоотражатель образован тремя зеркалами, укрепленными с помощью винтов на дюралюминиевом основании. Положение зеркал юстируется с точностью 1". Оптический центр уголкового светоотражателя и центр тяжести падающего тела совмещены с точностью 10 мкм. Вес тела 430 г, из них 240 г — вес зеркал.

Вся аппаратура для измерения УСТ смонтирована в специальном помещении на бетонном фундаменте весом около 50 тонн. Основание фундамента размещено на глубине более двух метров от поверхности земли и покоится на подушке из песка.

Установка состоит из двух камер, изготовленных из сплава меди и железа, соединенных между собой Т-образно. В вертикальной камере высотой 2,8 м, весом около 850 кг происходит подбрасывание пробного тела катапультой, а в горизонтальной камере длиною 1,3 м, весом около 350 кг находятся оптические элементы горизонтального плеча интерферометра. Остаточное давление в вертикальной камере поддерживается на уровне 10”7 мм рт. ст., а в горизонтальной — 10”3. Камеры имеют теплоизолирующий слой пенопласта толщиной около 30 см, что позволяет поддерживать без наличия термостата (обогревателя) температуру внутри камер с ошибкой ±0,001°С, при этом температура помещения, где находится аппаратура, поддерживается при помощи кондиционера на уровне +20,0±0,2°С.

Источником белого света является лампа-вспышка мощностью 35 мегаватт. Длительность вспышки лампы около 8 мс, а световой поток — 109 люмен. Вспомогательным управляющим источником служит ртутная лампа сверхвысокого давления, излучающая световые волны длиной 546 нм. Эталон длины, установленный в горизонтальной камере, представляет собой трубку из плавленого кварца с притертыми к торцам и посаженными на оптический контакт зеркалами. Точность определения длины эталонов ±510“9 м, а стабильность лучше, чем 1 нм.

Генератор частоты прибора контролируется сравнением с образцовой частотой 200 кГц с точностью до 10~и. Запись результатов сравнения ведется на самописце.

Большое внимание уделено в приборе борьбе с влиянием микросейсм и вибраций. Устранение их влияния ведется двумя путями: компенсацией индустриальных короткопериодных вибраций с помощью пьезодатчиков и регистрацией микросейсм синхронно с измерением УСТ посредством сейсмоприемника с последующим введением поправки в измеренный результат УСТ. Кроме того, измерения проводятся только ночью.

Нивелирование эталонов, размещенных в горизонтальной камере пробного тела, перед броском и проверку вертикальности нити, подбрасывающей пробное тело, производят автоколлимационным способом по ртутному горизонту. Точность нивелирования ±5".

Принцип измерения УСТ сводится к определению времени, необходимого для прохождения пробным телом отрезков пути при движении вверх и вниз. Интервалы времени прохождения пробным телом реперных станций приблизительно равны 0,2 и 0,6 с и определяются с точностью выше 10-9 с. Расстояние между реперными станциями определяется с точностью 10“9 м при помощи высокочувствительного оптического интерферометра.

Для получения одного результата силы тяжести проводят от 5 до 50 измерений. В полученные значения вводят поправки за ход эталона времени, за температуру эталона длины, за влияние вибраций и микросейсм и за лунно-солнечное притяжение.

Инструментальная погрешность прибора составляет 3-5 мкГал.

Установка национальной лаборатории стандартов (Австралия). Принцип работы установки национальной лаборатории стандартов (г. Сидней) основан на баллистическом симметричном методе двух станций [Gibbings et al. 1971].

Эталоном времени в установке служит генератор частоты, обеспечивающий точность измерения промежутков времени 10“8 с. Пробным телом служит уголковый отражатель (система из трех зеркал, смонтированных на дюралюминиевом основании). Вес тела 1,16 кг. Пробное тело является отражателем интерферометра Майкельсона и подбрасывается вверх посредством катапульты.

Принцип работы аналогичен принципиальной схеме установки А. Сакумы в Севре.

Положения плоскостей станций задаются эталоном длины, представляющим собой трубу из плавленого кварца диаметром 29 мм, длиной 41 см, которая вынимается из установки и контролируется с помощью интерферометра по отношению к длине волны излучения криптона. Погрешность в определении расстояния между станциями характеризуется величиной 10-7.

Интервалы времени между последовательным прохождением отражателя через станции измеряются фотоэлектронным способом посредством импульсов, получаемых с фотодиодов. Импульсы и временные отметки генератора поступают на осциллограф, на экране которого они могут быть сфотографированы. Ошибка измерения силы тяжести из-за погрешности в измерении промежутков времени равна ±0,07 мГал.

Источником света служит циркониевая дуга. Давление в рабочей камере не превышает 1СГ3 мм рт. ст. Нивелирование выполняется с помощью ртутного горизонта.

Погрешность измерения УСТ из 190 определений оценивается ±0,2 мГал. По мнению авторов, наибольшее влияние на результаты измерения оказывают вибрации и микросейсмы, несмотря на то, что учет их ведется при помощи сейсмографа.

Баллистический гравиметр Института метрологии «Д. Колоннетти». Баллистический гравиметр Института метрологии «Д. Колоннетти» (Италия) разработан на базе установки А. Сакумы. Применен симметричный метод измерений, использованы аналогичные пробное тело и катапульта. Но измерение пути движения пробного тела ведется путем счета интерференционных полос лазера. Камера вакуумирована до 10"3 мм рт. ст. Эталоном времени является рубидиевый стандарт частоты со стабильностью Ю“10. Для ослабления влияния микросейсм и вибраций применен сейсмометр с периодом колебаний маятника 20 с. Прибор транспортабелен. Погрешность измерений с ним около 10 мкГал [Юзефович, Огородова 1980].

Приборы ХГНИИМ. В Харьковском государственном научно-исследовательском институте метрологии (ХГНИИМ) в семидесятых годах разработано несколько устройств абсолютных гравиметров, основанных на несимметричном и симметричном методе. В симметричном методе (В.Н. Бренер и др.) наблюдения с 1969 г. ведутся по методу трех станций [Труды ХГНИИМ 1972]. Тело подбрасывается катапультой с применением соленоида. Пробным телом в приборах является уголковый отражатель — трипельпризма, закрепленная в металлической оправе.

Стационарный интерференционный гравиметр ИФЗ АН СССР. Гравиметр включает: подбрасываемое тело, составленное из трех параллелепипедов, соединенных оптическим контактом и образующих два симметрично расположенных уголковых светоотражателя [Романюк и др. ; катапульту для подбрасывания, устройство для торможения и поимки свободно падающего тела; вакуумную трубу со штативом; лазерный интерферометр; длиннопериодный сейсмометр, на маятнике которого укреплен референтный уголкозый светоот- ражатель, его оптический центр совмещен с центром качания маятника; электронное устройство измерения пути и времени; пульт автоматики.

Интерферометр и сейсмометр установлены на массивном бетонном фундаменте, а вакуумная труба с катапультой — на штативе, опирающемся на основание, механически развязанное относительного бетонного фундамента.

Аппаратура Кембриджской исследовательской лаборатории ВВС. В аппаратуре Кембриджской исследовательской лаборатории ВВС, (США) для абсолютного измерения УСТ в качестве подбрасываемого объекта применена электрически заряженная стеклянная частица диаметром 100 мкм, покрытая тонким слоем алюминия (The Military Engineer, vol. 62, №406, 1970). При измерениях указанная частица совершает подъем и падение по траектории с амплитудой около 15 см. Моменты прохождения частицы относительно двух уровней регистрируются при помощи счетного устройства, управляемого импульсами с фотоумножителя. Эти уровни зафиксированы на кварцевом стержне в виде меток, расстояние между которыми измеряется с точностью 0,01-0,02 мкм с помощью интерферометра. Прибор работает автоматически, все управление и вычисления выполняет электронно-счетное устройство. При испытаниях прибора в течение одного часа выполняли около 10000 измерений при точности среднего результата ±0,1 мГал.

Прибор национальной физической лаборатории, Теддингтон. Принцип работы прибора национальной физической лаборатории, Теддингтон (Англия), основан на баллистическом симметричном методе двух станций [Cook 1965а, Ь]. Эталоном времени в приборе является 100-килогерцевый генератор со стабильностью 10~10 с. Пробным телом в приборе является стеклянный шар диаметром 2 см, который используется как линза, фокусирующая луч света, выходящего из одной щели на другую, за которой расположен фотоэлектронный умножитель.

Работа прибора сводится к определению времени, необходимого для прохождения пробным телом отрезков пути при движении вверх и вниз между постоянными станциями, расположенными на расстоянии в 1 м. В момент нахождения пробного тела между щелями станции на анодной нагрузке фотоумножителя возникает электрический импульс, управляющий счетным устройством. Импульсы от щелей верхней станции управляют одним счетчиком, а от нижней — другим. Управляющие импульсы совместно с импульсами времени, интервал следования которых 1 мкс, фотографируются. В дальнейшем при обработке материалов наблюдения интервал времени между станциями определяется с точностью до 0,2 мкс.

Расстояние между щелями станций (ширина щели 5 мкм на алюминированной поверхности стекла) измеряется при помощи интерферометра. Ошибка измерения расстояния ~2-10“7 м.

Камера вакуумирована, остаточное давление не более 710“3 мм рт. ст. При этом давлении влияние электростатических зарядов пробного тела незначительно, поскольку оно (пробное тело) покрыто токопроводящим слоем (окись индия). Вибрации и микросейсмы регистрировались во время измерений УСТ сейсмографом. Средняя квадратическая ошибка определения УСТ на пункте составляет ±0,{3 мГал. Прибор не транспортабелен. 

<< | >>
Источник: Бровар B.В.. ГРАВИМЕТРИЯ И ГЕОДЕЗИЯ. 2010

Еще по теме Баллистические гравиметры:

  1. Введение
  2. Гравиметрическая аппаратура, используемая для решения задач геодезии
  3. Абсолютные измерения маятниковым методом
  4. Приливные вариации силы тяжести: приборы, методы обработки данных, интерпретация
  5. Баллистические гравиметры
  6. Возмущающие явления, учет или исключение их влияния
  7. Метрологическое обеспечение гравиметрических работ
  8. Зарубежные работы ИФЗ АН и ЦНИИГАиК
  9. Создание сети 1979-1986 годов
  10. Национальные и мировые гравиметрические сети
  11. Требования прикладных задач к геодезическим и гравиметрическим данным
  12. Анализ абсолютных определений силы тяжести
  13. 9.1 О развитии гравиметрических работ в интересах геодезии
  14. О создании новой высокоэффективной государственной системы геодезического обеспечения
  15. К обоснованию необходимости развития гравиметрической сети 1 класса
  16. О методах решения некорректных задач
  17. Определение вектора ускорения силы притяжения, ориентации и координат движущегося объекта каскадным методом
  18. Послесловие