4. Прилади для абсолютних визначень балістичним методом

При абсолютних визначеннях сили ваги балістичним методом використовується нерівноплечий інтерферометр Майкельсона, в якому змінне плече визначається положенням падаючого тіла, а віддаль - різницею ходу інтерферуючих променів. За падаюче тіло як правило використовують кутову відбиваючу призму-скляний тетраедр або порожнистий триедр з дзеркальними поверхнями. Такі оптичні системи точно відбивають в зворотному напрямі промінь, який падає в середину тригранного кута. В залежності від способу вимірювання кутовий відбивач (пробна маса) або підкидається катапультою при симетричному русі, або звільнюється магнітним спусковим пристроєм при несиметричному русі. Внизу плавно кутовий відбивач гальмується пасткою. За еталон довжини інколи приймають кінцевий еталон, який знаходиться в нерухомому плечі інтерферометра, а спостерігають інтерференцію в білому світлі. Частіше джерелом світла служить газовий лазер, а еталоном довжини - довжина хвилі випромінюваного лазера. З допомогою лазера інтерференційний метод застосовують при значно більших різницях ходу променів, ніж з іншими джерелами світла. Довжина хвилі є малою в межах 10^-9 на протязі декількох сотень годин роботи. На рис. 7. показана схема лазерного інтерферометра і система реєстрації.

Світловий промінь від джерела випромінювання - лазера з електронною системою стабілізації частоти випромінювання падає на жорстке напівпрозоре дзеркало, яке встановлюють під кутом 45° до напряму променя. Це дзеркало розділяє падаючий промінь на два, один з яких воно відбиває, а другий пропускає. Відбитий промінь направляється на призму 2, яка падає в вакуумній камері 1. Відбившись від граней призми, промінь потрапляє на напівпрозоре дзеркало 6 і складається з другим опорним променем, який пройшов крізь дзеркала 5 і 6. В результаті в площині фотоприймача утворюється інтерфераційна картина у вигляді темних і світлих смуг, яке безперервно перемішується внаслідок падіння призми 2. Через діафрагму 7 поле інтерференції реєструє фотопомножувач 8. Після цього електричний сигнал підсилюється 9 і надходить у лічильний блок 10. Цей блок підсумовує кількість інтерфереційних смуг і кількість коливань генератора еталонної частоти 11. Через певні інтервали часу і віддалі лічильники за відповідно заданою програмою вмикаються і вимикаються. Крім інтерферометра, прилад для абсолютних вимірів балістичним методом включає:

1. пристрої, які забезпечують вільне падіння кутового відбивача і плавне його гальмування, 2)стандарт частоти, 3)лічильний блок для реєстрації інтервалів шляху і часу та для формування результатів вимірювань в цифровій або аналоговій формі,

4. пристрої автоматичного управління процесу вимірювань, обробки і видачі результатів.

5. пристрої для врахування або виключення впливу зовнішнього середовища.

В даний час розроблені прилади двох типів для абсолютних балістичних визначень сили ваги в залежності від симетричного і несиметричного руху тіла. Вони одержали назву балістичних гравіметрів як стаціонарного, так і транспортабельного типу.

В різних країнах світу розроблені і знайшли практичне застосування декілька типів балістичних гравіметрів. Спочатку ці прилади були в основному стаціонарними, маса яких складала декілька сотень кілограмів. Пізніше почали конструювати транспортабельні варіанти балістичних гравіметрів, точність вимірювання абсолютних визначень з якими могла порівнюватися зі стаціонарними.

У XX столітті вперше реалізував на практиці метод вільного падіння Воле в Міжнародному бюро мір і ваг (Севр, Франція) в 1946-1952 роках. Він запропонував метод симетричного руху і виконав вимірювання з падаючою лінійкою з похибкою ЮмГал. Найбільш відомими є конструкції приладів японського геофізика Сакуми (в Севрі під Парижем Міжнародного бюро мір і ваг), американські прилади Фаллера і Хемонда (університет в Колорадо), італійські інструменти (інститут метрології Д.Колонетті в Туріні). Крім цього, були розроблені прилади в Англії, Німеччині. Франції, Китаї, Канаді і в колишньому СРСР.

У 1966 році в Міжнародному бюро мір і ваг Сакума сконструював прилад, який грунтується на використанні симетричної схеми двох станцій. Рухомим тілом у цьому приладі є кутовий відбивач, який служить одним із дзеркал вертикального плеча інтерферомезра Майксльсона. Абсолютне значення прискорення сили ваги для Севра одержане Сакумою з високою точністю.

g =980929,949 ± 0,0054 мГал.

Рис. 7. Схема лазерного інтерферометра

Хемонд і Фаллер у 1963 році в Національному бюро стандартів США розробили транспортабельну установку для абсолютних визначень сили ваги. В цій установці застосовано несиметричний спосіб трьох станцій з використанням кутового відбивача і неон-геліевого лазерного інтерферометра. З цією установкою вони виконали визначення абсолютного значення сили ваги для ряду пунктів Америки, а також в Севрі і Тедінгтоні. їх результати узгоджуються з даними Сакуми і Кука (Англія) в межах 0,1* 10^-5мс^-2.

В приладі Кука (1967 р.) рухоме тіло являє собою скляну кульку, проходження якої через горизонтальні площини фіксується за спалахом світла, яке виникає при перетині кулькою горизонтальних щілин, які визначають ці площини. Віддаль між площинами вимірюється за допомогою інтерферометра. Значення сили ваги, одержане Куком в Національній фізичній лабораторії (Тедінгтон, Англія ) склало 981181.75 ±

0.13мГал. Для вимірювання симетричним способом призначений транспортабельний прилад інституту метрології Д.Колонетті (Італія ), в якому масштаб віддалей задається довжиною хвилі випромінювання лазера, який контролюється з точністю до 5 * 10^-9 У 1976-1977 роках з цим приладом виконані вимірювання на 17 пунктах Західної Європи в Діапазоні 2,6 Гал.Похибка середнього результату за внутрішньою збіжністю (2-4) мкГал, коли за 3-4 дні на кожному пункті проводили 40-140 незалежних вимірювань.

У колишньому СРСР (Інститут автоматики і електрометри Сибірського відділення АН СРСР) Арнаутовим, Гіком, Калішем і іншими був розроблений прилад ГАБЛ для абсолютних визначень несиметричними способами Результати роботи з цим приладом показали, що при вимірах на одному пункті декілька днів точність визначення можна оцінити до 0,02 мГала, виконавши при цьому не менше 2500 одиничних вимірів (1969р) На Україні в Харкові (Наукове виробниче обєднання "Метрологія") був розроблений варіант балістичного гравіметра, оснований на несиметричному способі трьох станцій з похибкою, яка не перевищує 15 мкГал при спостереженнях до трьох діб на одному пункті Фірмою “Белл” (США) був сконструйований гравіметр, з допомогою якого в 1969 р було виконано вимірювання абсолютного значення сили ваги в місці посадки космічного корабля на поверхні Місяця “Аполон-11” Для пункту спостережень

φ-0°4Ґ, λ = 23⁰26'Е) було отримано g =162852 + 30 мГал Абсолютні

визначення сили ваги були виконані також космічними кораблями “Аполлон-12” і “Аполлон-14”

Рис.8. Балістичний гравіметр ГАБЛ

1- оптичний блок (лазер, фотоприймач), 2 - вакуумна камера, 3 - електромотор для підняття пристрою відзеркалення, 4 - блок управління, лічильний блок, реєстратор

2. 6

   

   Рис 9 Загальний вигляд Франко-Італіиського балістичного гравіметра

   . Джерела похибок і точність абсолютного вимірювання прискорення сили ваги балістичним методом

При рол ляді теоретичних основ різних варіантів балістичного методу абсолютних визначень ми припускали_; що падіння тіла є вільним а елементи інтерферометра с нерухомими Розглянемо вплив докере т помилок, які можна розділити на дві головні групи враховуючи вплив зовнішніх факторів і похибок припаду, До першої групи можна віднести

вплив залишкового тиску в вакуумованій камері вплив електричного і магнітного полів

вплив мікросейсм на стабільність апаратури і стабільність падаючого кутового відбивача

Друга група похибок пов’язана з конструктивними особливостями при па ту а наиготовніше - способом вимірювання віддалі і часу До другої групи між іншими спд віднести такі джерела похибок

нестабільність руху падаючого тіла (обертання коливання)

запізнення світлового сигналу

відхилення світлового променя лазера від вері ихалі

В способі трьох станцій поправка яка враховує вплив залишкового тиску

виражається співідношення

(2.50)

де:

S - поверхня падаючого тіла,

V - теплова швидкість молекул (при 0° С і У₀=500м/с),

Р - залишковий тиск,

m - маса падаючого тіла,

Т₁ іТ₂-задані проміжки часу,

У симетричних методах вплив залишкового тиску повітря не відіграє суттєвої ролі. На рух намагнічених і наелектризованих тіл впливають електромагнітні сили. Якщо кутовий відбивач є носієм заряду, то в вимірюване значення сили ваги вноситься похибка, обумовлена взаємодією заряду з електромагнітними полями. З допомогою екранування від зовнішнього електромагнітного поля і вилучення електростатичних зарядів у самому приладі можна послабити цей вплив до 10мкГал. Важливим джерелом помилок у вимірюваннях вільного падіння тіла за допомогою балістичного гравіметра є мікросейсмічні коливання. Дослідження показали, що мікросейсми (хвилювання моря, вітер, землетруси, транспорт і промислові установки) з частотою від 1 до 100 Герц мають амплітуди від 0.3 до 1 мкм, тобто такого порядку, як довжина хвилі гелієво- неонового лазера, які найчастіше використовуються в сучасних балістичних гравіметрах. Частково вплив коливань мікросейсм на результати вимірювання можна виключити якщо:

1. збільшити кількість вимірювань,

2. встановити прилад на спеціальній підставці, яка має захист від мікроколивання фундамента,

3. підвісити нерухому призму на важелі довгоперіодного сейсмографа.

Обертання кутового відбивача відносно центра ваги виникає в момент його

звільнення через бічний імпульс сили, який створює катапульта або спусковий пристрій приладу. Якщо оптичний центр не збігається з центром ваги, тоді обертання відбивача приведе до додаткової різниці ходу інтерференційного пучка. При ретельному виготовленні відбивача добиваються невідповідності центрів < 10'⁴см, що дозволяє зменшити похибки до 10*⁴ мГал. В процесі вимірювання змінне плече інтерферометра безперервно зменшується або збільшується. Затримка світлового сигналу від падаючого відбивача, обумовлена кінцевою швидкістю розповсюдження світла, буде змінюватись, виміряний час падіння тіла в першому' випадку буде зменшеним, а в другому відповідно збільшеним. Для методу трьох станцій поправку, обумовлену кінцевою швидкістю розповсюдження світла можна обчислити за формулою

(2.51)

У симетричних методах (двох станцій) тіло рухається у двох напрямах, і середній зареєстрований час є вільним від впливу швидкості світла. Якщо пучок світла, який падає на кутовий відбивач, відхиляється від вертикалі на ісут а, то інтерфераційним

l

методом буде виміряна не віддаль l, а завищене значення l’=l/cos  Систематична похибка при цьому буде

(2.52)

Якщо допустима похибка бg= 1 мкГал, тоді можна одержати величину а.

α=9.22’’

За допомогою автоколімащйного рівня і штучного ртуогного горизонту' можна орієнтувати світловий промінь з похибкою 5^’’ Крім зазначених вище джерел, існу є ше ряд інших, які с характерними для конкретного типу приладу . Між іншим, тут можна зазначити помилки стабільності несучої хвилі лазера, помилки фазометра, помилки синхронізацій та інші.

Точність вимірювання часу і віддалі при застосуванні способів трьох і двох станцій можна розрахувати, якщо скористатись виразами (2.38) і (2.49). Так, при способі трьох станцій

(2.53)

де

або можна використати спрощенний вираз

(2.54)

Логарифмуючи і диференціюючи цей вираз. можна перейти до середньоквадратичних помилок

(2.55)

Якщо вважати однаковим вплив виміряного часу^т і віддалі і точність визначення сили вагиm =0.01 мГал, то одержимо

Підставимо замість Ь.2~ 1 м і відповідний час Т2—0 36 с, отримаємо точності вимірювання довжини шляху і час} ~0 71 10^-2 мкм,ш_т^ =0 13 10 ⁸ с У випадку методу двох станцій необхідно використати вираз

(2.56)

Діючи так само, як і при використанні способу трьох станцій для средньоквадратичних похибок, одержуєм

При

отримаємо

(2.57)

а звідси при Н =1 м, Т=1.01 с і τ=0.45 с

т_н - 0.71-10 ^-2мкм / т_Т = 2.2*10 ^-9с / т_г=5*10⁹с

Результати цих обчислень дають право зробити таю висновки, метод двох станцій дозволяє визначити інтервали часу з точністю в два рази меншою, ніж метод трьох станцій,

така точність вимірювання часу є можливою при використанні стабілізованих генераторів частоти, стабільність яких є не меншою від Ю'¹⁰, вимірювання шляху вільного падіння з точністю до сотої частини мікрометра є завданням дуже важким і можливим до виконання завдяки застосуванню штерфераційного методу при використанні лазерного еталону довжини Для використання абсолютних визначень у гравіметричним роботах необхідно у виміряне значення § ввести дві поправки

1. поправка за припливні зміни прискорення сили ваги,

2. поправка за приведення остаточного результату до фундаментальних пунктів Першою поправкою враховують короткоперіодичні варіації прискорення сили

ваги, обумовленої притяганням Місяця і Сонця Ця поправка може* досягати 0.3 мГал, а її зміна складає до одного мікрогала за хвилину. її необхідно враховувати для того, щоб порівнювати між собою виконані в різний час спостереження Друга поправка називається поправкою за висоту' з урахуванням вертикального градієнта прискорення сили ваги прій редукуванні виміряного прискорення сили ваги до поверхні основи, на якій встановлюється прилад