Пристрій і спосіб для вимірювання гравітаційних полів

1 Устройство для измерения квазистатических гравитационных полей, содержащее струну, удерживаемую под натяжением, и выходные средства для формирования выходного сигнала, зависящего от гравитационного поля, отличающееся тем, что струна зафиксирована обоими концами, устройство, кроме того, содержит чувствительное средство для обнаружения поперечного смещения струны из невозмущенного состояния под действием гравитационного поля, а выходные средства выполнены с возможностью реагирования на обнаруженное смещение для формирования выходного сигнала 2 Устройство по п 1, отличающееся тем, что чувствительное средство содержит по меньшей мере два чувствительных элемента, расположенных по длине струны симметрично по отношению к средней ее части 3 Устройство по п 1 или 2, отличающееся тем, что струна выполнена из проводящего материала для пропускания тока l 0 4 Устройство по п 3, отличающееся тем, что содержит проводящее средство для пропускания тока ly, величина которого зависит от выходного сигнала чувствительного средства, расположенное вблизи струны для взаимодействия магнитных полей, создаваемых током Іу в проводящем средстве и током 10 в струне, посредством чего по цепи обратной связи возникает воздействие на струну, усиливающее ее поперечное смещение из невозмущенного состояния под действием гравитационного ПОЛЯ 5 Устройство по п 4, отличающееся тем, что проводящее средство содержит по меньшей мере два проводника, расположенных по длине струны симметрично по отношению к средней ее части, причем каждый - для пропускания по существу равной части тока l y 6 Устройство по п 4 или 5, отличающееся тем, что содержит средство для периодического возбуждения в проводящем средстве тока l y 7 Устройство по любому из пп 3-6, отличающееся тем, что чувствительное средство содержит по меньшей мере одну измерительную катушку для индуктирования током l 0 тока Ір в струне, зависящего от ее смещения 8 Устройство по любому из пп 3-7, отличающееся тем, что содержит средство для подачи переменного тока 10 на струну 9 Устройство по любому из пп 3-7, отличающееся тем, что содержит средство для индуктирования тока 10 в струне 10 Устройство по п 9, отличающееся тем, что средство для индуктирования тока содержит два соленоида, расположенных по длине струны симметрично по отношению к средней ее части 11 Устройство по любому из пп с 3 по 10, отличающееся тем, что струна выполнена из сверхпроводящего материала 12 Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что чувствительное средство содержит средство для обнаружения поперечного смещения струны в двух непараллельных плоскостях 13 Устройство по п 1, отличающееся тем, что содержит средство для воздействия на единицу длины струны и для вызова под действием абсолютных значений поперечных струне составляющих этого воздействия отклонения струны в виде комбинации ее собственных колебаний, где только абсолютные значения составляющих градиента гравитации вызывают четные моды, а суммарное ускорение в поперечной струне плоскости - нечетные моды 14 Способ измерения кваз и статических гравитационных полей, заключающийся в том, что используют струну, удерживаемую под натяжением и смещающуюся из невозмущенного состояния под действием гравитационного поля, и формируют выходной сигнал, который зависит от гравитационного поля, отличающийся тем, что струну удерживают под натяжением, фиксируя оба ее конца, смещение струны обнаруживают в поперечной струне плоскости и выходной сигнал формируют в ответ на обнаруженное смещение О го (О го ю 15 Способ по п 14, отличающийся тем, что выходной сигнал формируют, определяя пространственное положение по меньшей мере одной точки на струне относительно ее невозмущенного состояния 16 Способ по п 15, отличающийся тем, что определяют пространственное положение четного количества точек, расположенных попарно по длине струны и симметрично по отношению к ее средней части 17 Способ по п 16, отличающийся тем, что указанные точки соответствуют положениям пучностей антисимметричных собственных колебаний струны 18 Способ по любому из пп 14-17, отличающийся тем, что смещение струны увеличивают, воздействуя на нее в цепи обратной связи, причем величина такого воздействия зависит от гравитационного поля, действующего на струну 19 Способ по п 18, отличающийся тем, что воздействие в цепи обратной связи непосредственно зависит от выхода Настоящее изобретение относится к измерению гравитационных полей, в частности, к градиометрии гравитации, и более детально к способу измерения абсолютных значений недиагональных составляющих тензора градиента гравитации Тензор градиента гравитации представляет собой двухразмерную матрицу вторичных частичных производных гравитационного потенциала V относительно Декартовых координат х, у, z некоторой произвольно выбранной эталонной системы координат Он показывает, как изменяется сам вектор гравитации в каждом из этих направлений по осям Точные измерения абсолютных значений составляющих тензора градиента гравитации fij = fl2ijV(ij = x,y,z), проведенные на некоторой локальной системе координат О X Y Z, очень важны для прогресса в областях геологического прогнозирования, составления карт гравитационного поля Земли, а также для космической, морской и подводной навигации Способ абсолютного измерения составляющих тензора градиента гравитации, использующий баланс деформации кручения с известными массами, свисающими на разной высоте с горизонтальной траверсы, подвешенной на тонкой нити, был впервые изобретен бароном Роландом фон Этвешем в 1890г Градиенты гравитации вызывают появление дифференциальных усилий, воздействующих на массы) что в результате приводит к деформированию крутящего момента на траверсе и в результате к угловому отклонению масс, которое может быть детектировано с помощью соответствующего сенсора Полученная чувствительность может составить порядка 1Е (1Е = 1 этвеш = 10 9 с 2 ), но для измерения только в одном положении необходимы несколько часов вследствие необходимости перерасчетов составляющих градиента гравитации на основании по 45363 20 Способ по п 19, отличающийся тем, что воздействуя на струну в цепи обратной связи усиливают составляющие пространственной конфигурации струны, соответствующие собственным антисимметричным колебаниям струны, отдавая предпочтение составляющим пространственной конфигурации струны, соответствующим собственным симметричным колебаниям струны 21 Способ по любому из пп 14-19, отличающийся тем, что смещение струны, определяют в двух непараллельных плоскостях 22 Способ по п 14, отличающийся тем, что на единицу длины струны прикладывают силу для вызова под действием абсолютных значений поперечных струне составляющих этой силы отклонения струны в виде комбинации ее собственных колебаний, где только абсолютные значения составляющих градиента гравитации в направлении струны вызывают четные моды, а суммарное ускорение в поперечной струне плоскости - нечетные моды меньшей мере 5 независимых измерений углового отклонения, каждая с другим углом азимута Созданные на практике устройства в соответствии с этим основным принципом имеют большие размеры и низкий уровень защиты от шума окружающей среды, таким образом, требуя специально подготовленных условий для измерений, что исключает любую возможность использования этих устройств на подвижном носителе Способ измерения абсолютных величин составляющих тензора градиента гравитации, который улучшает вышеописанный метод, был изобретен Форуардом в середине шестидесятых [(см патенты США 3 722 284 (Форуард и др) и 3 769 840 (Хансен)] Способ включает установку как балансного генератора, так и сенсора смещения на платформе, которая равномерно вращается по горизонтали с некоторой частотой Q относительно оси крутящейся нити Генератор затем работает в режиме вынужденных колебаний на удвоенной частоте вращения, в то время, как многочисленные источники шума и источники помех модулируются на частоте вращения или не модулируются (в частности, шум l/f) Амплитуда вынужденного колебания имеет максимальное значение, когда частота вращения удовлетворяет условию резонанса 2Q = соо, где соо есть угловая резонансная частота, а добротность генератора Q стремится к бесконечности В отличие от метода, где используется вращение, данный метод позволяет быстро определять величины Гуу - Гхх и Гху путем выделения квадратурных составляющих характеристики, используя синхронное детектирование с этапным сигналом частоты 2Q Такой же принцип может непосредственно использоваться, как это предлагается Метцгером (см патент США 3 564 921), если заменить гене 45363 ратор двумя или более отдельными акселерометтоком Іо в струне, посредством чего по цепи обрами, расположенными соответствующим обраратной связи возникает воздействие на струну, зом на такой подвижной платформе Данный усиливающее ее поперечное смещение из невозпринцип не имеет каких-либо новых особенностей мущенного состояния под действием гравитацив своем решении по сравнению с известным за онного ПОЛЯ исключением того, что необходимо дополнительВ устройстве для измерения кваз и статических ное симметрирование выходов пары акселерогравитационных полей, что проводящее средство метров может содержать по меньшей мере два проводника, расположенных по длине струны симметрично Устройства, выполненные в соответствии с по отношению к средней ее части, причем каждый этим методом, имели больше недостатков, чем для пропускания по существу равной части тока l v преимуществ, в основном вследствие необходимости сохранять положение контрольной массы Предпочтительно, чтобы устройство для изакселерометров, на которые не воздействуют камерения кваз и статических гравитационных полей кие либо силы Поэтому могут измеряться только содержало средство для периодического возбужотносительные смещения контрольных масс дения в проводящем средстве тока l v Вращающиеся конструкции таких сверх проводяЧувствительное средство должно содержать щих градиометров гравитации неизвестны по меньшей мере одну измерительную катушку для индуктирования током lo тока Ір в струне, заВ реферате из сборника рефератов патентов висящего от ее смещения Японии том 009№ 117 (Р-375) и JP-60 050476 описано устройство для измерения ускорения вследЦелесообразно, чтобы устройство для измествие гравитации, в котором вес подвешен на рения кваз и статических гравитационных полей струне и которое является наиболее близким анасодержало средство для подачи переменного тока логом Ток, проходящий через струну, заставляет lo на струну ее вибрировать в магнитном поле постоянного Возможно, чтобы устройство для измерения магнита Усиленный электрический сигнал, сооткваз и статических гравитационных полей содержаветствующий этой вибрации, подается на струну, ло средство для индуктирования тока Іо в струне и струна колеблется в режиме самовозбуждения Средство для индуктирования тока должно на определенной частоте Ускорение вследствие содержать два соленоида, расположенных по гравитации измеряется на этой частоте длине струны симметрично по отношению к средней ее части Струна может быть выполнена из Задачей настоящего изобретения является сверхпроводящего материала Возможно, чтобы в создание такого устройства и способа для измеустройстве для измерения кваз и статических грарения кваз и статических гравитационных полей, витационных полей, чувствительное средство сокоторые обеспечивали бы повышение точности держало средство для обнаружения поперечного измерения кваз и статических гравитационных посмещения струны в двух непараллельных плосколей, путем повышения чувствительности и снижестях Устройство для измерения кваз и статических ния восприимчивости к шуму гравитационных полей может содержать средство Поставленная задача решается тем, что в издля воздействия на единицу длины струны и для вестном устройстве для измерения квазистатичевызывания под действием абсолютных значений ских гравитационных полей, содержащее струну, поперечных струне составляющих этого воздейстудерживаемую под натяжением, и выходные вия отклонения струны в виде комбинации ее собсредства для формирования выходного сигнала, ственных колебаний, где только абсолютные зназависящего от гравитационного поля, согласно чения составляющих градиента гравитации изобретению, струна зафиксирована обоими конвызывают четные моды, а суммарное ускорение в цами, устройство кроме того содержит чувствипоперечной струне плоскости - нечетные моды тельное средство для обнаружения поперечного смещения струны из невозмущенного состояния Задача изобретения решается также тем, что под действием гравитационного поля, а выходные в известном способе измерения кваз и статических средства выполнены с возможностью реагировагравитационных полей, заключающемся втом, что ния на обнаруженное смещение для формироваиспользуют струну, удерживаемую под натяжениния выходного сигнала ем и смещающуюся из невозмущенного состояния под действием гравитационного поля, и формиВ устройстве для измерения кваз и статических руют выходной сигнал, который зависит от гравигравитационных полей чувствительное средство тационного поля, согласно изобретению, струну может содержать по меньшей мере два чувствиудерживают под натяжением, фиксируя оба ее тельных элемента, расположенных по длине струконца, смещение струны обнаруживают в попены симметрично по отношению к средней ее речной струне плоскости и выходной сигнал форчасти мируют в ответ на обнаруженное смещение Рекомендуется, чтобы струна была выполнена из проводящего материала для пропускания Рекомендуется выходной сигнал формиротока lo вать, определяя пространственное положение по меньшей мере одной точки на струне относительНеобходимо, чтобы устройство для измерения но ее невозмущенного состояния кваз и статических гравитационных полей содержало проводящее средство для пропускания тока ly, Возможно определять пространственное повеличина которого зависит от выходного сигнала ложение четного количества точек, расположенчувствительного средства, расположенное вблизи ных попарно на длине струны и симметрично по струны для взаимодействия магнитных полей, отношению к ее средней части создаваемых током Іу в проводящем средстве и Указанные точки соответствуют положениям 8 45363 пучностей антисимметричных собственных коледетектирование поперечного смещения струбаний струны ны из состояния покоя вследствие гравитационноЦелесообразно увеличивать смещение струго поля, воздействующего на струну, и ны воздействуя на нее в цепи обратной связи, формирование выходного сигнала в отрет на причем величина такого воздействия зависит от детектируемое Смещение, причем данный выходгравитационного поля, действующего на струну ной сигнал представляет собой функцию гравитационного поля Воздействие в цепи обратной связи непосредственно зависит от выхода Отклонение струны из ее состояния покоя может легко детектироваться с помощью любого Целесообразно, воздействуя на струну в цепи подходящего сенсорного устройства смещения обратной связи усиливать составляющие пространственной конфигурации струны, соответстЖелательно, чтобы струна была выполнена вующие собственным антисимметричным колебаиз проводящего материала, но наиболее желаниям струны, отдавая предпочтение тельным является сверхпроводящий материал В составляющим пространственной конфигурации этом случае, если через струну протекает элекструны, соответствующим собственным симметтрический ток, в поперечной плоскости и вдоль ричным колебаниям струны направления струны формируется распределенное магнитное поле Если струна выполнена из Смещение струны возможно определять в материала, имеющего свойства сверхпроводимодвух непараллельных плоскостях сти, то может пропускаться максимальный ток и Предпочтительно, на единицу длины струны может достигаться последующая максимальная прикладывать силу для вызывания под действием чувствительность к отклонению Постоянный или абсолютных значений поперечных струне составпеременный ток может формироваться в струне ляющих этой силы отклонения струны в виде компосредством включения струны втокопроводящую бинации ее собственных колебаний, где только схему или напрямую или через индуктивную связь абсолютные значения составляющих градиента со схемой (ами) подкачки при условии, что струна гравитации в направлении струны вызывают четобразует часть замкнутого проводящего или ные моды, а суммарное ускорение в поперечной сверхпроводящего контура Переменный ток моструне плоскости - нечетные моды жет индуцироваться в струне, например, посредДля достижения этих целей настоящее изоством одной или более предпочтительно пробретение представляет собой устройство для издольно расположенных симметричных катушек, мерения кваз и статических гравитационных полей, которые могут иметь свойства сверхпроводимовключающее сти Использование переменного тока имеет преструну, фиксированную с обеих концов и имущества в том смысле, что он позволяет выудерживаемую под натяжением, сенсорное устполнять синхронное детектирование выходного ройство для детектирования поперечного смещесигнала ния струны из состояния покоя вследствие гравитационного поля, воздействующего на струну, а Когда струна переносит ток, поперечное магтакже средство, реагирующее на детектируемое нитное поле вокруг струны может взаимодействосмещение для формирования выходного сигнала, вать с другими проводниками или сверхпроводникоторый является функцией гравитационного ками посредством индуктивной связи Амплитуда поля тока, индуцируемого в проводнике в непосредственной близости от струны, может напрямую соПонятие "струна" не предполагает какого-либо относиться с расстоянием струны от проводника ограничения с точки зрения материала или констТаким образом, в предпочтительном варианте рукции Используется любой продольный элемент изобретения одна или несколько фиксированных натяжения, который может отклоняться в попеизмерительных катушек размещаются по всей речном направлении под воздействием гравитадлине струны, чтобы действовать как сенсорное ционного поля и обеспечивать усилия восстановсредство смещения, причем ток, индуцируемый в ления каждой катушке непосредственно соотносится со Находящаяся в состоянии покоя растянутая смещением струны относительно позиции покоя гибкая струна с фиксированными концами образует абсолютно прямую линию в пространстве, проВ предпочтительном варианте изобретения ходящую через точки, где фиксируются концы сенсорное средство содержит по меньшей мере струны Эта линия может быть определена как два сенсора, возможно измерительные катушки, одна из осей локальной системы координат, скарасположенные симметрично в продольном нажем Z, а две другие оси, X и Y, выбираются так, правлении относительно средней точки струны чтобы располагаться в поперечных к струне плосВ особенно преимущественном варианте изокостях бретения сенсоры смещения, например, измерительные катушки, расположены в непосредственЛюбое отклонение струны от этой линии выной близости от струны в двух непараллельных зывается абсолютными величинами поперечных предпочтительно перпендикулярных плоскостях с составляющих усилия на единицу длины, которое тем, чтобы представлять возможность одновреприкладывается к каждому единичному отрезку менного смещения струны в двух поперечных надлины струны правления одновременно При рассмотрении с другого аспекта изобретение обеспечивает способ измерения квазистаСледует понимать, что смещение струны длитических гравитационных полей, включающий ной I из своего положения покоя, например, в у направлении вышеописанной локальной системы наличие струны с фиксированными концами и координат как функция положения по оси z едиудерживаемой под натяжением, 45363 ничного отрезка длины и времени, у (z, t), может быть описано следующим дифференциальным уравнением ДІ Y(z,t) с предельными условиями, соответствующими фиксированным концом струны, т е у (0, t) = у (I, t) - 0 В этом уравнении п обозначает массу струны на единицу длины, h - коэффициент трения на единицу длины, параметры У, А и &г\\/\ - модуль Янга струны, площадь поперечного сечения и натяжение струны соответственно Величины ду (0, t) и fyz (0, t) являются абсолютными величинами составляющей суммарного ускорения и соответствующей составляющей тензора градиента гравитации вдоль струны, причем обе были измерены в центре выбранной локальной системы координат Функция L (z, t) произвольное усилие Лангевина на единицу длины, воздействующее на струну вследствие ее взаимодействия с термостатом, имеющим абсолютную температуру Т, со следующей функцией корреляции {f L (z,t)f L (z',t')) = 4k B Th5(z-z')5(t-t') 23 (2) 1 где кв = 1,4 10 JK постоянная Больцмана, а 5 (х - х') - дельта-функция В этом описании унаправление было выбрано как произвольный пример для того, чтобы упростить объяснение принципов настоящего изобретения Однако, вышеописанный и нижеследующий анализ в равной степени применим к любому направлению, поперечному к струне или любому количеству направлений При использовании анализа Фурье для сложной формы струны, вызванной ее взаимодействием с гравитационным полем, функция у (z, t) может быть описана в пределах z = 0 до z = I бесконечной суммой синусоидальных функций с периодом 21 с соответствующими коэффициентами Су (n, t) Таким образом, решение уравнения (1), которое удовлетворяет приведенным выше предельным условиям, может быть представлено следующей суммой, в которой каждый член в п соответствует одной из собственных вибрационных мод струны y(z,t)= пп (3) п=1 При подстановке уравнения (3) в уравнение (1) и при умножении его левосторонней и правосторонней частей на sin (nn' z/l) и затем при интегрировании обеих частей через z от 0 до I, можно получить дифференциальное уравнение для Су Сп, t) 2 ^-C y (n,t) + - — C y (n,t) + G^Cy(n,t) = df 2 Г „ 1 „ 21 r — И ) -ibv(O,t) + (-1)n — vz(o,t) (4) y nn. ^ nn yy z nn -JdzfL(z,t) sml — z •n'o где величины т 10 (5) воспроизводят собственные частоты струны, тир- время релаксации и объемная плотность массы струны соответственно Когда п принимает четную величину, т е для тех членов бесконечной суммы в уравнении (3), которые соответствуют вибрационным модам струны, имеющим узел при z = I/2 (не симметричные моды), член, включающий gy (0,t) равняется нулю Таким образом, для п четного Су зависит только от f y z (и теплового шума) На практике это означает, что амплитуда Су несимметричных синусоидальных составляющих отклонения струны в у-направлении, (у (z, t), зависит только от величины составляющей тензора градиента гравитации f y z Средняя точка струны z = I/2 находится в положении узла во всех несимметричных вибрационных модах струны Если сенсоры располагаются симметрично в продольном направлении относительно этой точки, то появляется возможность идентификации смещений струны, соответствующих собственным несимметричным вибрационным модам струны за вычетом смещений, соответствующих симметричным модам, на величину которых оказывает влияние не только составляющая тензора градиента гравитации f y z но также абсолютное ускорение вследствие гравитации в у-направлении, ду Особые преимущества дает размещение сенсоров смещения в z - I/4 и z - З І/4, позициях, соответствующих пучности первой несимметричной вибрационной моды струны п = 2 В этих точках смещение струны, соответствующее моде п = 2 находится на максимуме и таким образом, сенсорный сигнал также будет на максимуме, давая оптимальную чувствительность В соответствии с дальнейшим развитием изобретения в непосредственной близости от струны может располагаться проводник Проводник может пропускать ток, непосредственно связанный с выходным сигналом сенсорного устройства благодаря использованию цепи положительной обратной связи Ток может возбуждаться непрерывно или периодически, например, в режиме "Выключено-Включено" В этом случае небольшое смещение струны под воздействием гравитационного поля будет усиливаться магнитным взаимодействием струны и проводника Иными словами, проводник будет "толкать" (или "тянуть") струну, смещая ее еще больше, непосредственно в ответ на небольшое смещение, вызываемое воздействием гравитационного поля на струну Это имеет четкие преимущества в том смысле, что смещение струны становится больше благодаря магнитному взаимодействию с проводником и поэтому его легче измерить, что улучшает чувствительность устройства В особо преимущественном варианте данной разработки два или более проводника, возможно сверхпроводника, располагаются в продольном направлении симметрично относительно центра струны так что они усиливают несимметричные моды струны 11 45363 12 В итоге предпочтительный вариант изобрететельным вариантом изобретения ния предлагает новое устройство для одновреОдноканальный опытный образец устройства менных измерений абсолютных величин пары в соответствии с изобретением (см фиг 2) имеет недиагональных составляющий тензора градиента гибкую струну 1 Струна предпочтительно выполгравитации посредством гибкой сверхпроводящей няется из сверхпроводящего материала, как натокопроводящей струны с фиксированными конпример, ниобий (Nb) Проволока из ниобия являцами, содержащей активные подключения парается наилучшим выбором, поскольку она имеет метрической обратной связи Струна представляоптимальные характеристики эластичности, котоет собой конкретный чувствительный элемент, рые были проверены на рабочие свойства при симметричные собственные поперечные моды в 4,2К Струна формирует низкоиндуктивную часть котором вызываются общим ускорением в попеl_o сверхпроводящей замкнутой цепи, которая речной плоскости, вто время как несимметричные имеет индуктивную связь на высокоиндуктивный моды вызываются только абсолютными величивозбуждающий соленоид (ы) Ld, переносящий нами составляющих градиента гравитации вдоль переменный эталонный ток Ld (t) с внешнего иснаправления струны точника подкачки с некоторой частотой Q Остальная часть цепи закрыта кожухом устройства 2, В этом варианте струна образует низкоиндук1 2 , 3, 4, 5 тивную часть замкнутой сверхпроводящей цепи, которая индуктивно связана с высокоиндуктивным В этом варианте струна имеет длину I = 24см, возбуждающим соленоидом (ами), проводящим 1мм в диаметре и фиксируется на концах двумя переменный эталонный ток с внешнего источника колпачками 2, 2' из Nb, имеющими цилиндричеподкачки с некоторой частотой Q Струна также скую форму и каждый колпачок - отверстие в цениндуктивно связана с двумя сверхпроводящими тре диаметром 1мм Колпачки 2,2' плотно закрыпреобразователями магнитного потока, каждый из вают концы Nb цилиндра, содержащего три части которых содержит катушку сигнала и две измери3, 4, 5, соединенные вместе двумя Nb цилиндрительные катушки, причем пары измерительных ческими кольцами 6, 6', имеющими тонкую резьбу катушек располагаются в двух перпендикулярных Части 3 и 5 также имеют резьбу для того, чтобы плоскостях, линия пересечения которых совпадаобеспечивать механическое соединение других ет со струной в состоянии покоя, таким образом элементов конструкции Натяжение струны форобразуя два независимых канала измерений Два мируется двумя Nb гайками 7, 7', имеющими тонплеча каждого сверхпроводящего преобразоватекую резьбу 1мм ля потока балансируются, чтобы выполнять преКонструкция в целом формирует закрытый образование только несимметричных собственных сверхпроводящий цилиндрический резонатор с мод струны в ток сигнала в катушке сигнала для аксиально расположенной струной Внутри этого измерения электронными устройствами на СКВИобъема имеются три зоны 10, 11, 12 с как можно Дах (сверхпроводящие квантовые интерференциболее полной электромагнитной изоляцией отноонные датчики) Выходное напряжение каждого сительно друг друга вставками 9 из Nb В двух из канала, глубоко модулированное с частотой Q них 10, 12 размещаются возбуждающие тороистановится затем пропорциональным амплитудам дальные соленоиды Ldi и Ld2, намотанные Nb несимметричных собственных мод струны Это проволокой диаметром 0,01мм и подключенные натяжение пропускается дифференцирующий и последовательно, формируя таким образом суммирующий усилитель и затем используется в большую общую индуктивность Md между Ld = Ldi качестве нагрузки цепи обратной связи для фор+ Ld2 и индуктивность цилиндрического резонатомирования внутри цепи распределения тока обра Lo, которая составляет порядка 10 7 Гн (генри) ратной связи в непосредственной близости от для выбранных размеров Соотношение Md/Lo струны и параллельно ей Посредством регулиро2 составляет порядка 5 х 10 , так что если переменвания тока обратной связи можно соответственно ный ток подкачки Id (+) в возбуждающих соленоиувеличивать и уменьшать эффективное время дах имеет амплитуду порядка ЮОмА, то индуктирелаксации и резонансную частоту первой несимруемый переменный сверхток lo, проходящий метричной собственной моды струны (амплитуда через струну, имеет максимальный размах ампликоторого зависит только от градиента гравитации туды 50 А вдоль направления струны), в то время как аналогичные параметры для симметричных собственВ этом случае соответствующая круговая соных мод (амплитуда которых зависит от общего ставляющая магнитной индукции В на поверхноускорения в поперечной к пружине плоскости) оссти струны составляет почти 200Гаусс, что притаются неизменными близительно в четыре раза меньше, чем первое критическое поле ниобия ВС1 Две измерительные катушки прямоугольного На практике схема обратной связи сдвигает типа Lpi и LP2 сверхпроводящего преобразователя Броуновский уровень и уровень вибрационного потока и активная схема обратной связи устанавшума значительно ниже чувствительности, необливаются вместе на титановой трубе 8, располоходимой для промышленного применения женной внутри центральной части конструкции, Далее будет описан предпочтительный варипоказанной на фиг 2 Титан выбран потому, что ант изобретения только на примере и со ссылкой его коэффициент теплового расширения согласуна следующие чертежи, в которых ется с аналогичным параметром ниобия Активная Фиг 1 - общее схематичное представление схема обратной связи содержит два плеча из изопредпочтительного варианта и лированной медной проволоки диаметром 0,5мм, Фиг 2 - схема устройства в поперечном сеченатянутой параллельно струне и проводящей ток нии по вертикали в соответствии с предпочти 45363 14 13 обратной связи Іу = Іуі + Іуг вается следующим дифференциальным уравнеЭта конструкция имеет особые преимущества, нием например, замкнутая сверхпроводящая конфигу^ ^ y ( z , t ) + h|-y(z,t)-Y N b A^ l ^y(z,t) рация обеспечивает оптимальное экранирование ск at I fa от изменяющихся внешних электромагнитных полей Кроме того, цилиндрически симметричная ^gy(O,t)^ryz(O,t)z±|oly(t)sm(Qt) конфигурация имеет малый радиальный размер, + f L (z,t) который составляет не более 3,8см в диаметре, которое будет соответствовать уравнению (1) включая все составные части опытного образца с добавлением члена уравнения (6) Как следстТаким образом, можно использовать стандартный вие уравнение (7) также имеет решение формы промышленный сосуд жидкого гелия на 100 литуравнения (3) Таким образом, выполняя такую же ров, имеющий входное отверстие около 4см в алгебраическую манипуляцию, как для равнения диаметре для охлаждения конструкции с помощью (1), для этого варианта может быть получено стандартного зонда Специальные гелиевые криодифференциальное уравнение для Су (п, t) Это статы, которые использовались для известных уравнение (8), которое соответствует уравнению устройств, исключают возможность удаления уст(4), но с добавлением члена обратной связи ройства из внутреннего объема криостата, например, если что-то случается, для перерегулировки устройства в полевых условиях Удаление устрой- — x dt ства из криостата требует длительного периода dt времени, порядка, например, нескольких часов для того, чтобы внутреннее содержимое криостата nn (8) прогрелось до атмосферной температуры, в про1 Ho e n l o l y (z,t)sin(Qt) 2 тивном случае под влиянием резкого теплового Л 2n d расширения может произойти взрыв Это - один из nn jdzfL(z,t) основных недостатков известных конструкций sml — z ЛI Однако, небольшое входное отверстие стандартных промышленных сосудов на 100 литров жидкоВеличина sn соотносится с характеристиками го гелия предотвращает возможность такого системы преобразователя цепи обратной связи, взрыва, а это означает, что устройство, соответчем больше длина плеч схемы обратной связи, ствующее настоящему изобретению, можно достем больше величины sn Если плечи схемы обтать из сосуда и отрегулировать в полевых услоратной абсолютно одинаковы, то величины sn виях Струна отклоняется неоднородным равны нулю для всех нечетны п - 1, 3, 5 Их осоквазистатическим гравитационным полем и взаибые значения для размеров, показанных на фиг 2, модействует с переменным током обратной связи, определяются распределяемым в непосредственной близости от 5пп струны и практически параллельно ей Распреде-2со COS + COS (9) ление является оптимальным, когда ток обратной связи инжектируется в точке или снимается с точТаким образом, для правильно отрегулироки в схеме обратной связи, противоположной ванной схемы обратной связи только несимметсредней точке струны (см фиг 1) На выбранной ричные собственные моды струны взаимодейстлокальной системе координат эта точка составлявуют с током обратной связи Однако, как видно из ет z = 1/2 Другим требованием, удовлетворяюуравнений (4) и (7) только несимметричные собстщим оптимальные рабочие характеристики являвенные моды струны оказываются чувствительется то, что два плеча схемы обратной связи ными к абсолютной величине измеряемой составпрактически равны и заземлены на концах В этом ляющей тензора градиента гравитации случае между током обратной связи и замкнутым Сверхпроводящие измерительные катушки в сверхпроводящим контуром, в котором находится непосредственной близости от Lpi и I_p2 разместруна, не образуется электромагнитной связи щаются в непосредственной близости от струны и при условии отличной балансировки выводят два Ток lo (t), протекающий через струну и взаиплеча сверхпроводящего преобразователя магмодействующий с распределенным током обратнитного потока на режим преобразования только ной связи ly (z, t) вызывает появление следующей несимметричных собственных мод в ток сигнала її, поперечной составляющей усилия на единицу который детектируется электронными сенсорами длины fy (z, t), воздействующего на струну 3 на СКВИДах (см фиг 1) Используются именно СКВИДы 13 (сверхпроводящие квантовые интеf л , +-\ _ 4. М-0 | o l y (z,t)sm(Qt) (6) грационные устройства), т к они на сегодняшний 2nd день являются наиболее чувствительными из где [Jo = 4П 10 7 Гн м 1 есть магнитная прониимеющихся сенсорами магнитного потока и перецаемость в вакууме, d - расстояние между ценменного тока В образце, показанном на фиг 2, тром струны в состоянии покоя и центром провоизмерительные катушки выполнены в форме двух локи, проводящей ток обратной связи, а фаза отдельных контуров прямоугольного типа из Nb источника 15 тока подкачки выбирается равной проволоки, размещенных симметрично относинулю Знак "+" или "-" определяется выходным тельно средней точки струны и подключенных буферным каскадом дифференцирующего и сумпараллельно катушке сигнала Li При идеальной мирующего усилителя 16, показанного на фиг 1 симметрии и абсолютно одинаковых площадях Поперечное перемещение отрезка единицы дликонтуров симметричные собственные моды не ны струны в плоскости OYZ в том случае описы 15 45363 16 формируют какой-либо ток сигнала h или ток об(7), постоянное уравнение для чувствительной ратной связи ly Такой же эффект может быть помоды градиента гравитации п = 2 Включая неизлучен для несколько неидентичных измерительбежные источники шума основной гармоники, ных катушек с необходимой точностью, если можно в свою очередь записать в форме использовать дополнительную индуктивность (и) 2 1 1 d' Lb, подключенную параллельно и/или последова(2,t) — - — а + — а cos(2Qt) тельно с одной или обеими измерительными ках 2 2 2 тушками Индуктивность (и) Lb может подстраиc v (2,t) С О ? - —СО -co cos(2Qt)X 2 ваться для обеспечения симметрии двух плеч 2 dt сверхпроводящего преобразователя потока Оста(12) 1 1 точный ток "нулевой моды" в катушке сигнала Ц - - a s m ( 2 Q t ) c y (2,t) = соответствующий состоянию покоя струны может пп компенсироваться непосредственно внутри СКВИДа за счет дополнительной связи (не пока(шум обратного действия)эт(СЯ) занной) на источник тока подкачки Если режимы симметрии удовлетворяются, то выходное напрягде жение электронной схемы 13 СКВИДа определя1 Ыо ется со2 = G 2 p 2 qK 2 Л 2n d V y (t) = KI 0 L s sm(Qt) +KO N (t) (10) где К есть передающая функция потока к напряжению, a Ls - индуктивность СКВИДа Величины рп зависят от физической конструкции и местоположения измерительных катушек и равны нулю, если п = 1, 3, 5 Функция Фи (со) является эквивалентным шуму хаотическим магнитным потоком внутри контура СКВИД, спектральная плотность Эф (со) которого определяет внутренний предел прибора с точки зрения точности измерений Ток обратной связи ly (t) формируется из выходного напряжения Vy (t) путем пропускания его через дифференцирующий и суммирующий усилитель, который нагружается сопротивлением Ry В этом случае ток обратной связи ly (t) может быть представлен следующим R V v (t) (11) где р, q, и х являются постоянными параметрами, которые зависят от конструкции дифференцирующего и суммирующего усилителя 16 Следует отметить, что между двумя плечами схемы обратной связи всегда существует определенное рассогласование Конструкция, показанная на фиг 2, использует два одинаковых сопротивления обратной связи Ryi и Ry2, по одному для каждого плеча В этом случае рассогласование может легко компенсироваться путем подстройки одного из сопротивлений, скажем Ry для получения оптимального режима Уравнения (7) и (11) воспроизводят замкнутую бесконечную группу дифференциальных уравнений параметрического типа Тщательный анализ показал, что члены, содержащие величины Су (п, t) с п > 2 в правосторонней части уравнения (11), можно не принимать во внимание Причина этого состоит в том, что именно одна мода может делаться "мягкой", т е наиболее чувствительной к градиенту гравитации, а именно Су (2, t) В случае, если собственные частоты струны имеют достаточно высокие значения и разделяются отдельными октавными промежутками, то необходимы только коррекции второго порядка, которые легко учитывать наряду с анализом других приборных погрешностей Затем, как следует из уравнения a = со2 X (13) * q и предполагается, что для тока обратной связи был выбран реальный знак Если удовлетворяются некоторые легко выполняемый условия, которыми являются 1 df СОо Г dt 8Q 2 »со 2 . 1 —СО 2 (14) Qt тогда можно показать, что постоянное выходное напряжение составляет, Tvz(O,t) V y (t) = p 2 K I 0 L s ( 3 n СОо 1-2 (15) СО " 2 _ '2. + шум Броуна) sm(Qt) + KOfjft) где под "шумом Броуна" понимается комбинация теплового шума и шума обратного действия Интересно оценить предельную точность измерения этого варианта изобретения, которая может быть представлена величиной минимального детектируемого градиента гравитации 2 Гг п 16к в Т ~\\ mxeff со4 2РІ Eotvos (16) где Xeff = х/(1 - ax/4) есть эффективное время релаксации, т - суммарная масса струны, Еф(О) энергетическая разрешающая способность СКВИДа Используя следующие рабочие параметры = 0,24м, m = 1,6 10 кг, xeff - 10 сек , р 2 = 4 2 2 х 10 3 м 1 Ls = 5 х 10 и, "Гн lo = 50А, (со2 - со /2)/2 = 2Гц, со2/2л = 40Гц, П/2л > 2 х 10 2 Гц, Е Ф (О) = 2 x 1 0 31 Дж/Гц (СКВИД, смещаемый режиме постоянного тока) можно получить из уравнения (16) Eotvos (17) Hz Можно показать, что диапазоны параметров х, со2, со, а и Q имеют место, когда характеристика струны, описываемая уравнением (12) является стабильной Например, для кваз и статических градиентов гравитации и достаточно высокой частоты подкачки Q можно игнорировать колеблющиеся члены, содержащие Cos(2Qt) и Sm(2Qt) в правой 17 45363 18 части уравнения (12) который неизвестного ранее "Включено", в который струна достигает термодиустройства для измерения абсолютных значений намического равновесия Например, теория раснедиагональных составляющих тензора градиента сеяния колебании более неприменима к струне на гравитации, в котором эффект вращения заменяпериод измерений, и изменяется ее реакция на ется параметрическим взаимодействием между все внешние источники шума (см В Б Брагинский чувствительным элементом и активными соедии А Б Манукин - Измерение слабых усилий в финениями обратной связи, благодаря чему достизических экспериментах, издано Д Х Дугласом, гаются улучшенная чувствительность к вибрациУниверситетская Пресса Чикаго, 1977) онному шуму Можно показать, что в этом случае наименьший градиент гравитации, детектируемый данным Еще одной целью настоящего изобретения вариантом изобретения, может быть представлен является простое техническое воплощение вышеописанного устройства, использующего преиму4 16квТ со E O (Q) щества стандартной технологии сверхпроводимо(20) сти, которые показали способность достижения mxx m 2p| максимальной чувствительности для измерений а ;10 Eotvos механической деформации, а также сохранения где внутреннего шума на минимальном уровне Имеются целый ряд методик детектирования, (21) которые могут быть использованы настоящим изобретением на этой стадии и которые зависят т т есть время измерений (период "Включено"), от первоначальных механических параметров т - общая масса струны, Еф(О) - разрешающая струны, а также области применения, для которой способность энергии СКВИДа на частоте Q, а 5 предназначено устройство Предпочтительно исстатическая погрешность первого типа Величина пользовать струну с высокой механической жест5 - это вероятность того, что эквивалентный шум костью и малым временем релаксации для того, градиента гравитации будет превышать величину, чтобы увеличить невосприимчивость к вибраципредставленную левой частью уравнения (20) для онному шуму, являющемуся основным источником периода измерений При использовании следуюшума в условиях промышленного использования щих рабочих параметров I = 0,24м, т = 1,6 х 10 кг, устройства, в частности, в мобильной градиомет4 3 рии гравитации С другой стороны, чем жестче х = 0,5сек, т т = 1сек, Teff = 104сек, Р2 - 4 х 103 \ Ls 11 струна, тем сильнее усилие обратной связи, кото= 5 х 10 Гн, lo = 50А, coeff/27i = 3Гц, ш/2л = 80Гц, рое должно быть приложено к струне для смягчеQ/2TI > 104Гц, ЕФ(П) = 5 х 10 32ДжІГц (500А СКВИД, ния моды сигнала и тем больше шум обратного смещаемый в режиме постоянного тока) можно действия, ассоциируемый стоком сигнала получить из уравнения (20) Кроме того, чем короче время релаксации Гщщ = 0,02 Этвеш струны, тем сильнее влияние тепловых колебаний В обоих вышеописанных вариантах полезный струны на точность измерений, поскольку масса сигнал получается из выходного напряжения синна единицу из длины струны будет как правило хронным детектированием с эталонным сигналом, довольно малой снимаемым с источника 15 подкачки, и изобретение позволяет выполнять калибровку полезного Для решения обеих из вышеназванных просигнала в абсолютных единицах градиента гравиблем наилучший способ разрешения проблем тации без вращения, как предлагалось для изизмерения градиента гравитации в соответствии с вестных вращающихся градиометров гравитации другим вариантом настоящего изобретения исЧто касается вращающихся конструкций, то изопользует переменную обратную связь в режиме бретение позволяет выполнять перемещение "Выключено-Включено" В этом случае усилие спектра шума в частотный диапазон, в котором переменной обратной связи первоначально не вклад i/t является достаточно малым Собственприкладывается к струне на период "Выключено", ные вибрации струны, которые имеют место во во время которого струна достигает термодинавремя измерений (период "Включено"), не создают мического равновесия Усилие обратной связи проблем поскольку они могут отфильтровываться затем быстро активизируется на период "Включеиз полезного сигнала при условии, что период но", во время которого эффективная собственная "Включено" выбирается значительно длительнее, частота чем период (27i/coeff) таких вибраций 2 1 —2 (18) и эффективное время релаксации c eff = 1 (19) становятся существенно меньше и длительнее соответственно по сравнению с соответствующими исходными параметрами струны Обратная связь подстраивается таким образом, что эффективное время релаксации становится значительно более длительным, чем период "Включено" Измерения выполняются только в период Невосприимчивость к вибрационному шуму может улучшаться на коэффициент (GWCO), который может быть установлен на малой величине порядка 10 2 Необходимо учитывать индуктивную перекрестную связь между токами обратной связи и каждой парой измерительных катушек, а также перекрестную связь между самими измерительными катушками, обе из которых действуют как цепи отрицательной обратной связи С другой стороны, это приводит к ненужной перенормировке амплитуд выходных сигналов до тех пор, пока усиление электронных схем на СКВИДах не превышает не 20 19 45363 которую критическую величину С другой стороны, бретение улучшает прогнозирование и другие нав случае измерений по двум каналам выходной правления сбора данных, где необходимы точные сигнал по каждому каналу содержит линейную измерения гравитационных полей Использование комбинацию каждой измеряемой составляющей абсолютных величин улучшает информацию, коградиента гравитации Можно показать, что кажторая может быть получена по данным измередая такая составляющая может, тем не менее, ний Градиометр в соответствии с изобретением измеряться отдельно и одновременно, если исможет использоваться в подвижном состоянии, пользуется соответствующая система опроса данчто позволяет устанавливать его на движущихся ных Этого можно легко избежать путем обеспечесредствах, будь то земных, морских иди воздушния дополнительной положительной обратной ных Например, устройство может подвешиваться связи для противодействия этой отрицательной на вертолете и использоваться во время пересеобратной связи, например, путем подключения чения вертолетом выбранного участка, который через слабую индуктивную связь каждого тока неизвестного ранее устройства для измерения обратной связи с каждым СКВИДом абсолютных значений недиагональных составляющих тензора градиента гравитации, в котором На практике устройство в соответствии с изоэффект вращения заменяется параметрическим бретением может использоваться для определевзаимодействием между чувствительным элеменния абсолютных значений недиагональных сотом и активными соединениями обратной связи, ставляющих градиента гравитации Просмотрев благодаря чему достигаются улучшенная чувствигравитацию по всей площади) можно обнаружить тельность к вибрационному шуму небольшие изменения абсолютного значения гра диента гравитации Такие небольшие изменения могут быть показателем изменений местных геологических особенностей, например, наличия минералов, газа или нефти Повторные показания через некоторое время в одной местности могли бы указывать на изменения геологического состояния района, например, подъем магмы Совершенно очевидно, что изо Еще одной целью настоящего изобретения является простое техническое воплощение вышеописанного устройства, использующего преимущества стандартной технологии сверхпроводимости, которые показали способность достижения максимальной чувствительности для измерений механической деформации, а также сохранения внутреннего шума на минимальном уровне 21 45363 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044)456-20- 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71 22