Разработка и исследование оптической системы лазерного баллистического гравиметра

• Автор: Стусь, Юрий Федорович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 111 с. : ил

Введение
Известно, что тело, лишенное опоры, падает на землю с возрастающей скоростью. Быстрота увеличения скорости падающего тела называется ускорением силы тяжести - g. Как доказал Галилей, в данной точке Земли g одинаково для всех тел. Силовое поле, созданное притяжением земных масс, складывается с силовым полем центробежных сил, возникающим вследствие суточного вращения Земли, и образует поле силы тяжести. Вращение Земли, ее неоднородность и несферичность приводят к тому, что в разных точках поверхности величина ускорения изменяется в пределах от 9,78 до 9,85 м/с2. За единицу измерения g в гравиметрии в честь Галилея принята величина 1 Гал = 10'2 м/с2.
Измерения ускорения силы тяжести на земной поверхности начались более двухсот лет назад. В настоящее время ежегодно проводятся миллионы новых определений g. Основная масса этих определений осуществляется относительными гравиметрами, измеряющими приращения ускорения силы тяжести Лg относительно исходных пунктов гравиметрических сетей. С начала двадцатого столетия и вплоть до семидесятых годов за исходное значение мировой и национальных гравиметрических сетей была принята величина ускорения силы тяжести, полученная Кюненом и Фуртвенглером [1] в их классических опытах с маятниками, выполненных в Потсдаме в 1903-1905 годах (Потсдамская гравиметрическая система). На протяжении всего этого времени продолжались неоднократные попытки повысить точность определения абсолютного значения g и тем самым всей системы в целом. В 1970-1973 годах группа специалистов под руководством проф. К. Морелли выполнила обработку (уравнивание) новых абсолютных и большого числа относительных определений силы тяжести, практически охватывающих все континенты [2]. Это дало возможность взамен Потсдамской гравиметрической системы создать новую сеть опорных пунктов, получившую название "Международная стандартизированная

гравиметрическая сеть 1971" (Ю8№71). За исходные были приняты абсолютные значения ускорения силы тяжести, полученные в конце шестидесятых годов проф. А. Сакумой [3] в Международном бюро мер и весов (МБМВ, Севр, Париж, Франция) и проф. Дж. Фаллером [4] в МБМВ и в Национальной физической лаборатории (Теддингтон, Англия) в Европе, а также на ряде пунктов Северной и Южной Америк. При этом значение g, полученное профессором А. Сакумой, при уравнивании было взято (как наиболее точное) с весом более чем на два порядка превышающим веса остальных значений. Привязка всей сети практически к единственному, хотя по тем временам и наиболее достоверному значению, привела к смещению нуля новой системы (более чем на 50 мкГал), значительно превышающему приписанную ей погрешность измерений [5].
Актуальность. Наиболее широко результаты высокоточных определений ускорения силы тяжести используются в геофизике, геодезии, геологии, метрологии и астрономии. Так, результаты измерений и анализ вариаций силы тяжести во времени имеют принципиальное значение для решения фундаментальных проблем геодинамики. Вариации g, связанные с отклонением формы Земли от сферической, относятся к области интересов геодезии и астрономии. Изменения ускорения силы тяжести, отражающие неравномерное распределение плотности Земли, используются для выявления структуры пород, залегающих под земной поверхностью, т.е. больше всего интересуют геологов. Использование гравитационного ускорения как основы лабораторного стандарта силы в метрологии требует знания абсолютного значения g в данной точке.
Особенно высоки требования к точности измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести при исследовании неприливных вариаций гравитационного поля Земли: погрешность измерений не должна превышать единиц девятого знака. Эти вариации могут быть обусловлены различными причинами:

1. перераспределением масс как внутри Земли, так и на ее поверхности, вызванных горообразованием, дрейфом континентов, перемещением ядра земли относительно мантии и т.п.;

2. изменением скорости вращения Земли;

3. перемещением полюсов Земли;
4. изменением гравитационной постоянной;
5. гипотетическими эффектами неньютоновской и постэйнштейновской гравитации.
Для решения перечисленных выше задач возникла необходимость в разработке аппаратуры для измерений абсолютного значения ускорения силы тяжести с погрешностью, не превышающей единицы восьмого и даже первых единиц девятого знака. Особенно очевидной становится актуальность разработки такой аппаратуры, если учесть, что на территории нашей страны последние и наиболее точные определения абсолютной величины g были выполнены П.Н. Агалецким, К.Н. Егоровым и А.М. Марциняком в 1953-1957 г.г. во Всесоюзном государственном научно исследовательском институте метрологии им. Менделеева в Ленинграде [6]. Измерения проводились несколькими независимыми способами, в том числе маятниками и способом свободного падения. Погрешность измерений в этих экспериментах составила несколько единиц шестого знака, что на три порядка превышает величины необходимые для решения перечисленных ранее задач.
С появлением высокостабильных источников когерентного излучения (лазеров) баллистический метод измерения абсолютного значения УСТ стал наиболее точным и перспективным для дальнейшего развития. В схеме этих измерений непосредственно используются естественные единицы длины и времени: измерение пути, пройденного пробной массой, осуществляется лазерным интерферометром (мерой пути служит длина волны излучения лазера, стабилизированного по атомному реперу в спектре его излучения), а мерой интервалов времени являются сигналы прецизионного (например,
При 5в = 0,1 м3/с и отсутствии газовыделения для снижения давления в камере (V =0,02 м3) с уровня 10'2 до 10'4 Па требовалось бы / = (0,02/0,1)-1п102- 0,92 с.
Определить скорость газового потока для произвольного сечения камеры затруднительно. Однако существует способ, позволяющий оценить ее максимальное значение по величине натекания газа в откачиваемый объем (метод накопления [28]). Для этого камеру перекрывают от насоса на фиксированное время Л1. В отсоединенной части с известным объемом V вследствие газовыделения или притока газа извне давление увеличится на величину АР, а количество газа возрастет на АРУ. Тогда максимальная
величина газового потока составит <2 = . Максимальное значение

скорости газа внутри камеры при давлении Р будет
у < О-тах
Г тах — „г. >
где 5т/„ - площадь минимального сечения камеры. Так, например, для камеры с постоянным сечением по всей длине площадью 5 = 0,01 м2 и объемом )^ = 0,01 м3 при натекании АР / /1/ = 5 • 10~5 Па/с и Р = 2-10~4 Па скорость газового потока может достигать величины УГтах = 0,25 м/с.
Средняя скорость движения пробной массы на интервале падения около метра примерно на порядок больше, и, следовательно, погрешность определения поправки к g' при этих условиях не будет превышать 10 % от ее полной величины, что соответствует погрешности измерений при разрежении на порядок выше. В то же время при увеличении АР возрастает погрешность определения поправки. Следовательно, для определения границ применимости изложенных выше методов уменьшения влияния силы сопротивления на точность определения абсолютной величины ускорения