Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Вольфганг Торге - Гравиметрия - 1999.pdf
Скачиваний:
244
Добавлен:
06.06.2015
Размер:
30.51 Mб
Скачать

5.Абсолютные измерения силы тяжести

Абсолютные определения силы тяжести основаны на измерении фундаменталь­

ных величин - расстояния и времени, через которые выражается ускорение; при

этом наблюдают свободное движение пробной массы в гравитационном поле.

В настоящее время применяют только метод свободного падения и достигают

точности ± 107 - 10- 9 g (разд. 5.1). Дальнейшее совершенствование измеритель­

ной аппаратуры и методики наблюдений позволит выявить источники системати­

ческих ошибок и расширить возможности метода в полевых условиях (разд. 5.2).

Долгое время (около 300 лет) основным методом абсолютных измерений был

маятниковый метод, но сейчас его совершенствование и применение повсеместно сокращены (разд. 5.3).

Обзор абсолютной гравиметрии дан в работах [129, 235], современное состоя­ ние рассмотрено в [187, 587, 698].

5.1.Основ~а1 баллистических методов

5.1.1.Свободное падение

При описании свободного падения используют местную систему отсчета

(разд. 2.1.2), связанную с гравитационным полем (рис. 5.1). Уравнение движения

тела массой т, свободно падающего в гравитационном поле, имеет вид

mi = mg(z),

(5.1)

где i = d 2 zldt2 (t - время). Считая гравитационное поле в окрестности траекто­

рии падения однородным, выполним интегрирование (5.1) и получим скорость

иположение падающего тела:

z = Zo + gt,

.

g

2

 

z = zo + zot + 2 t

 

.

(5.2)

(5.3)

Постоянные интегрирования zo и .to представляют собой путь и скорость падаю­

щего тела в

момент t =

О. Поскольку величины

zo и zo точно

неизвестны

(разд. 5.1.5),

определить g

по формуле (5.3) можно,

наблюдая тело по крайней

мере в трех положениях (1 ,2,3), т. е. измеряя каждый раз пройденный путь и время. Исключив из уравнений величины Zo и .to, найдем ускорение силы тяжести

по приращениям пути и времени:

(5.4)

Абсолютные измерения силы тяжести

125

Z(М)

о

0.2

0,4

 

о

0.2

t(c)

 

Рис. 5.1

(левый). Несимметричное движение: зависимость пути от времени.

Рис. 5.2

(nравый). Несимметричное движение: зависимость скорости nадения от расстояния.

Из (5.2)

и (5.3) следует, что скорость падения -

это линейная функция времени.

Положив Zo = .to =

О,

имеем

 

 

 

 

.t(l) = gt = .../2gz(l).

(5.5)

Рисунок 5.2 иллюстрирует увеличение скорости с расстоянием, которое прошло

падающее тело.

В современных абсолютных гравиметрах обычно наблюдают не три, а боль­ шее число положений тела (метод многих станций), поэтому уравнение (5.3) игра­ ет роль уравнения связи при обработке по методу нанменьших квадратов.

5.1.2.Симметричное движение

В случае симметричного движения пробную массу подбрасывают вертикально

вверх (начальная скорость примерно 2-3 м/с), она достигает верхней точки тра­

ектории и падает вертикально вниз.

Считая гравитационное поле однородным и приняв положительным направле­ ние оси z в зенит, можно записать уравнение движения при подьеме в виде

(рис. 5.3)

 

mi = -mg.

(5.6)

Выполнив интегрирование, получим выражения для скорости и пройденного

пути:

 

 

 

z = Zo- gt,

(5.7а)

 

 

 

z = Zo + Zol - f 12 '

(5.8а)

где Zo =

z (t = 0), .to = z(1

= 0). В верхней точке (апексе) тра~ктории (1 =

la) имеем

Z.. = i(ta)

= О и

с учетом

(5.7а) получим

 

 

 

 

Zo = gla.

(5.9)

Подставив это

выражение в два предшествующих, получим

 

 

 

 

Z = g(la - 1),'

(5.7б)

 

 

 

Z = Zo + glal- f 12

(5.8б)

126

Глава 5

Рис. 5.3.

 

 

Симметричное движение: зависимость nути

от

0.2

0,4

0,8 t(c) времени.

 

 

 

При движении

вниз

на основании

(5.2)

и

(5.3) имеем

 

 

 

Z = g(l

- la),

 

 

(5.10)

 

 

Z = Za + ~ (l

-

la) 2

(5 .11)

Сравнение (5.10) с (5.7б) показывает, что пробное .тело проходит через измери­

тельные точки при подъеме и падении с одинаковой скоростью (симметричная схема измерений). Следовательно, разность моментов между прохождениями од­ ной и той же точки измерения i при подъеме и падении равна

 

bl; = 2(/;- la) =

Z;

 

 

(5.12)

 

2 g,

 

 

причем t; > la. На основании

(5 .1 О)

и

(5 .11) можно

образовать разности

zi -

zi

= g 2(ti

-

ti> -

2g2 la(t2 -

ft ),

Z2 -

Zt

= Дz = ~ (ti-

ti) -

gta(l2 -

lt).

Комбинируя эти равенства

и измеряя

величину

(5 .12),

получим

 

 

·2

. 2

g 2

2

 

2

 

2gдz = z2-

Zt

= -4- (дt2Ыt),

 

и

8дz

(5.13)

g = ЫiЫi.

 

Таким образом, для определения g достаточно двух точек измерения; измеряемы­

ми величинами являются расстояния между этими точками и разности моментов,

в которых пробное тело проходит данные положения при подъеме и падении.

5.1.3.Свободное падение в неоднородном

гравитационном поnе

Поскольку сила тяжести уменьшается с высотой примерно на 3 мкм ·с - 2 на метр

подъема (разд. 3.1.1 ), игнорирование неоднородности гравитационного поля в из­

мерительной системе длиной 0,1-1 м при желаемой точности ±0,01-

±0, 1 мкм·с- 2 приведет к значительным ошибкам. Считая, что сила тяжести с

Абсолютные измерения сиnы тяжести

127

высотой меняется линейно, получим уравнение движения при свободном падении

в виде

 

 

i

= g(z) = go

+ gzz,

(5.14)

 

 

 

где go = g

(z = 0), а gz -

вертикальная

составляющая градиента силы

тяжести

 

 

 

 

 

 

дg

 

 

(5.15)

 

 

 

 

 

gz = дz .

 

Выполнив

интегрирование при условии Zo = io = О, получим [129]

 

 

 

 

z = Ко (cosh ..Ji:t - 1).

(5.16а)

 

 

 

 

Kt

 

 

 

 

Разложив

cosh .Ji;1 в ряд Тейлора,

имеем

 

 

 

Z

=

2

12

(1 +

12

12

+ . . .) .

(5.16б)

 

 

go

 

..!!____

 

 

При заданном интервале 1 расстояние z получается больше, чем при падении в однородном поле. Решая уравнение (5.166) относительно 1, получим

1 = (~:У/2(1 - ;;-~: + о• . ) . (5.17)

При заданном расстоянии время падения уменьшается на величину поправочного

члена.

Таким образом, свободное падение в реальном гравитационном поле можно

свести к падению в однородном поле, если уменьшить измеренное расстояние

в соответствии с (5.16б) либо увеличить измеренное время в соответствии с (5.17); результатом будет величина силы тяжести g0 •

Если при .методе .многих станций начальное положение пробной массы (1 = О, g = go, Zo =О) будет одновременно и первым измерительным положением, сред­ нее значение определяемой величины из n измерений вычисляется по формуле

[793]

t

 

 

g = ti(go + ~zgo12) d1 = go (1 + ~z 1~).

(5.18)

о

Следовательно, полученное значение ускорения силы тяжести равно ускgрению

в момент нахождения пробноrо тела ниже начального положения Zo на отрезок zп/3, где Zn = z(1п). Последнее можно соотнести с Zo, использовав выражение

(5.18).

В случае си.м.метричного движения на основании (5.16б), полагая 12 = 2zlgo,

получим

12 = z ( 1 -

~z.: 0 )

 

 

(5.19)

Подставив в это выражение ZJ(1J) и z2(12) и считая, что t; = !:J;/2, см. (5.12), после

небольших преобразований получим

~о (А/~- д1:) = (Z2 - ZJ) ( 1 - :;о (ZJ + Z2)) •

128

Глава 5

 

или, обозначив Z2 -

Z1 = Дz,

 

 

Ко (дtiЫi) = Дz (1

- ~ (Дz + 2Z!)) .

(5.20)

8

 

бко

 

Сравнив последнее выражение с (5.13),

получим окончательно

 

 

К= Ко (1 + :;0

(Дz + 2Zl)).

(5.21)

Отсюда следует, что вычисленная величина к соответствует положению пробной

массы на расстоянии z1/3 + Дz/6 ниже вершины траектории Za. Эта величина связана с Ко соотношением (5.21).

Для определения окончательного значения ускорения силы тяжести из наблю­ дений по несимметричной или симметричной схеме в любом случае должна быть задана эффективная высота (например, 1 м над поверхностью основания).

Если точиоствые требования не слишком высоки, в приведеиных выше соотношениях

для g, можно использовать нормальное значение вертикального градиента 3,09 ·1 О- 6 с - 2

Однако из-за возмушаюшего влияния близких масс реальное значение g, может сушествен­

но отличаться от нормального, что может внести ошибку порядка 0,1 мкм·с- 2 (разд. 8.1.2). Чтобы избежать таких ошибок, нужно использовать величину g, именно для

данного места. Ее можно получить как дополнительный параметр из обработки абсолют­

ных измерений (метод многих станций) либо определить из отношения t:J.glt:J.z из измере­

ний с относительными гравиметрами. Подобные измерения всегда требуются для редуци­ рования величины силы тяжести, полученной на эффективной высоте, на любую высоту

вnлоть до уровня основания прибора. Это позволит выполнять гравиметрические связи

сnриборами, имеюшими другие эффективные высоты.

5.1.4.Измерения расстояний и времени

Точность измерения расстояний и времени должна быть согласована с желаемой

точностью ± 10 - ? -

± 10- 8 g. На основании (5.5) относительная ошибка ускоре­

ния силы тяжести

определяется соотношением

dg =

dz _ 2 dt.

(5.22)

g

z

t

 

Если она не превышает 10- 9 , при длине пути 0,5 м (время падения 0,3 с) ошибки

измерения расстояния и времени будут соответственно ±0,5 нм и ±0,2нс. Такая

точность может быть достигнута с использованием лазерных интерферометров

и электронных устройств для измерения времени; с основами электронных мето­

дов измерений можно ознакомиться, изучив работу [345].

Возможность использовать баллистический метод для прецизионных определений си­

лы тяжести появилась лишь после создания методов измерения коротких временных ин­

тервалов. К 1950-м rr. достигнута кратковременная стабильность кварцевых часов 1О- 9

Вплоть до 1965 г. в технике измерения расстояний использовались два основных принци­

па. Носителем эталонного расстояния было само падаюшее тело, или измерительные

плоскости задавали оптико-механическими методами. В качестве падающего тела чаше всего использовался жезл (стальной, инварный, кварцевый; обычная длина- 1 м). Длина

пути составляла около метра. На жезле либо имелась шкала, которую фотографировали

Абсолютные измерения силы тяжести

129

при падении, либо на его поверхность наносили светочувствительный слой и экспонирова­

ли его при падении короткими световыми вспышками заданной частоты. Обработка полу­

ченных временных меток позволяла получать соотношения между пройденным путем и

временем, используемые в формуле (5.3). Измерительные плоскости могут быть реализо­ ваны в виде оптических барьеров. В момент пересечения такого барьера падаюшее тело действует как оптический элемент и возбуждает световой сигнал. Импульсы, генерируе­ мые фотоумножителем, включают и выключают электронный счетчик временных интер­ валов, работой которого управляют кварцевые часы. Расстояние между измерительными плоскостями определяли интерференционным методом с источниками белого света (отно­

сительный интерференционный метод.- Прим. перев.). В первых такого рода баллисти­

ческих экспериментах расстояние и время измерялись с относительной ошибкой ± 10 _,.

Ошибка окончательного значения силы тяжести, полученного из большего числа (10-100)

баллистических пусков, из-за различных систематических влияний обычно была больше

1О мкм·с - 2 Суmественным источником ошибок были временные смешения интервалов

измерения времени и пройденного пути.

Примерно с 1960 г. благодаря развитию лазерной техники и разработке атом­

ных часов появилась возможность существенно повысить точность абсолютных измерений. Интерференционный метод измерения расстояний был усовершен­

ствован с применением когерентного и монохроматического излучения лазера.

Используются стабилизированные гелий-неоновые газовые лазеры (длина во­

лны Л = 632,8 им), кратковременная стабильность частоты которых 10- 10 -

10- 12 , а долговременная - 1О- 8 - 1О- 9 , так что сравнение с частотой стандар­

та необходимо делать лишь через сравнительно большие интервалы времени. Особенно стабильна по времени частота излучения лазера, стабилизированного

по йодной ячейке поглощения. Появилась возможность измерять время по атом­

ным стандартам частоты. Наиболее часто используются рубидиевые эталоны

с долговременной частотной стабильностью 1О- 10/год и выше. Электронные

счетчики временных интервалов имеют разрешающую способность ±О,1-1 не. В последних конструкциях полный путь падения составляет 0,2-1 м.

Путь и время измеряют одновременно. Для измерения пути используется ин­

терферометр Майкельеона с двумя уголковыми отражателями (триппель­ призмы). Один из них неподвижен и играет роль опорного, другой же может двигаться по вертикали. Таким образом, путь свободного паденияэто одно из плеч интерферометра (рис. 5.4). Светоделительный оптический элемент разде­ ляет пучок лазерного излучения на опорный и измерительный пучки. Триппель­

призмы отражают свет параллельно падающим пучкам. Отраженные пучки из

опорного и измерительного каналов вновь попадают на делитель, где они интер­

ферируют. Перемещение падающего тела на Л/2 каждый раз приводит к периоди­ ческому чередованию максимумов и минимумов света на фотодетекторе (интер­ ференционные полосы). Световой сигнал превращается в электрический, усилива­ ется и преобразуется в последовательность прямоугольных импульсо~. Электрон­ ный счетчик регистрирует число таких импульсов (по нулевому уровню). Если

сосчитано п импульсов, пройденное расстояние равно

(5.23)

130

Глава 5

Рис. 5.4. ПринuЮJ интерферометра Майкельсона, используемый nри несимметричном движении.

Частота интерференционных полос пропорциональна скорости падения пробной мас­

сы. На основе (5.5) и (5.23) эта частота определяется

соотношением

2 .

2 gt

(5.24)

!.полосы = };," z =

"};," .

В начальный момент наблюдений f = О, а спустя 0,3 с f

= 9 МГц. При длине пути свобод­

ного падения в 0,5 м и Л = 632,8 нм необходимо сосчитать примерно 1,6·106 полос. Поэто­

му, чтобы определить пройденный путь с ошибкой 0,5 нм, необходимо измерить фазу ин­

терференции с ошибкой 2·10- 3 полосы.

Счет интерференционных полос начинается почти сразу же после начала сво­ бодного падения, в момент начала счета времени. Время измеряется вплоть до

момента прохождения наперед заданного числа интерференционных полос. Рису­

нок 5.5 иллюстрирует принцип одновременного счета полос и измерения времени

при заданном числе полос [793].

Момент времени, в который регистрируется п-я интерференционная полоса,

равен

(5.25)

где тп - число временных импульсов, зарегистрированных электронным счетчи­

ком, т - временной интервал между импульсами. Временной интервал Otn от мо­

мента прохождения п-го интерференционного импульса до момента т-го импуль­

са от часов измеряется таймером с ошибкой ±О,1 не. Если, например, принять,

что путь равен 0,5 м, а измерения выполняются каждый раз после прохождения

1О 000 интерференционных полос, то получается примерно 160 значений измеряе­

мой величины, которые можно использовать в уравнивании на основе уравнения

связи (5.3). В некоторых абсолютных гравиметрах выполняется 1000 и более из­

мерений за один пуск. В самых современных приборах для обработки измерений

используется микрокомпьютер. С его помощью также осуществляются управле­

ние и мониторинг измерительного процесса.

При измерениях симметричным методом нужно различать подъем и падение

тела. Изменение направления движения можно проследить по характерному из-

Абсолютные измерения силы тяжести

131

Фотоумножитель

1

1

11

--tт-t-- 11 11

11

---s;;-

Компьютер

Рис. S.S. Временная nривязка интерференционного сигнала, nреобразованного в цифровую форму

[792].

менению фазы интерференционного сигнала. При падении тела показания счетчи­

ка интерференционных полос убывают до достижения соответствующей измери­ тельной точки (измерение времени). Если используется более двух измерительных

плоскостей, то величину силы тяжести можно получить и при подъеме, и при

падении (внутренний контроль). В этом методе исключаются ошибки измерения времени, пропорциональные скорости падения (разд. 5.1.5).

В настоящее время интервалы пути и времени измеряют с ошибками, меньшими на­ нометра и наносекуяды соответственно. Абсолютный эталон длины задан определением метра (XVII Генеральная конференция по весам и мерам, 1983): «Метрэто расстояние, которое свет проходит в вакууме за отрезок времени в 1/299792458 с». При таком опреде­

лении скорости света фиксация метра сводится к измерению временного интервала. С по­

мощью цезиевого стандарта возможно определение частоты излучения гелий-неонового

лазера, стабилизированного по поглощению в йоде (He-Ne/J~27) с относительной ошибкой

± 10- 9 , причем имеется возможность повыси:rь эту точность на несколько порядков. При недавнем сравнении различных лазеров He-Ne/J~27 получены средние квадратячеекие рас­ хождения всего лишь ± 5 х 10 - 11 [316].

5.1.5. Давление окружающей средь• и микросейсмы

При измерениях баллистическим методом наибоЛьшие внешние возмущающие

воздействия оказывают атмосферное торможение и микросейсмические движения

основания.

Из-за вязкого трения атмосферное давление можно рассматривать как проти­

водействующую силу; ее воздействие дополняется воздействием аэростатической

выталкивающей силы. Величина атмосферного торможения зависит от материа­ ла, из которого изготовлено пробное тело, формы тела и скорости его падения,

132 Глава 5

а также от плотности воздуха. Для отдельного эксперимента [129] можно счи­

тать, что

Fconp = F(z"), п = 1,

2, ....

(5.26)

При нормальном атмосферном давлении

ошибка измерений имеет

порядок

10- 3 g, при разрежении воздуха до 1 Па влияние уменьшается до 10- 4 g.

В вакуу­

ме при давлении :s;;; 10- 3 Па движение газа будет свободно-молекулярным и моле­

кулы газа будут взаимодействовать с падающим телом как отдельные частицы. В этом случае сила сопротивления будет линейной функцией скорости падения.

Приняв в (5.26) п = 1, получим уравнение движения (5.1)

в виде

mi + kz = mg,

(5.27)

где k - коэффициент трения. При Zo = zo =О путь падающего тела определяется

после двойного интегрирования выражением

 

z = I (t -i(1 -

е<-кr>)) '

(5.28а)

 

 

 

где k = klm. Разложив

в ряд Тейлора, получим

 

z = f t 2 -

~gt3 + . . . = f ! 2

( 1 - } kt + ... ) .

(5.28б)

Если решить (5.28б) относительно t, то временная задержка, вызванная торможе­

нием остаточного газа, пропорциональным скорости, при заданном пути выра-

зится поправочным членом:

1-z

 

2z)112

(5.29)

t= -

+ - k - .

(g

3

g

Чтобы уменьшить влияние газовой среды на результаты измерений до уровня

10- 8 - 10- 9 g, применяют различные методы. В глубоком вакууме (10- 5 Па) влияние торможения газа уменьшается до 1О- 9 g. Однако столь низкую величину

давления можно достигнуть лишь при значительных затратах, кроме того, аппа­

ратура при этом подвергается сильным напряжениям. При давлении 10- 3 -

10 - 4 Па торможение можно моделировать и учитывать его влияние поправкой,

зависящей от давления; в этом случае коэффициент трения определяют по пара­

метрам измерительной системы либо получают экспериментально. В зависимос­

ти от остаточного давления р величины поправок лежат в интервале 1001000 мкм·с - 2 Па- 1 Влияние торможения существенно уменьшается, если проб­

пая масса помещена в вакуумированную камеру, устраняющую торможение, дви­

жение которой синхронизировано с движением падающего тел·а с помощью сле­

дящей системы. Уравнение движения падающего тела, защищенного таким обра­

зом, имеет вид

i + k(z - Zкамеры) = g.

(5.30)

Поскольку движение камеры надежно контролируется, второй член в (5.30) очень мал, а скорость падения пробной массы относительно молекул газа в камере

Абсолютные измерения силы тяжести

133

практически равна нулю. По этой причине торможение остаточной среды удается

учесть с достаточной точностью при давлении газа в 10- 3 - 10- 4 Па.

При симметричном движении (разд. 5.1.2) уравнение движения вверх (5.6) преобразуется в соответствии с (5.27). После интегрирования и разложения в ряд Тейлора получим, что время подъема ta от начального положения (zo = О) до вер­

шины траектории Za(Z = О) равно

la-- (2Za)-

112 --1-kZa- .

(5.31)

g

3

g

 

Сравнение этого выражения с формулой (5.29) показывает, что влияние торможе­

ния среды, пропорциональное скорости падения, исключается, если измерять ин­

тервал времени между прохождениями одного и того же положения. Это спра­

ведливо, если считать, что величина k одинакова при подъеме и падении. Поэто­

му при симметричной схеме достаточно разрежение воздуха до 1О- 1 - 10- 2 Па,

что вполне могут обеспечить сравнительно простые вакуумные насосы.

Величина аэростатической выталкивающей силы пропорциональна плотности среды

и при давлении 10 - 1 Па доходит до 1О- 6 кг·м - 2 Если плотность падающего тела равна

3 х 103 кг·м- 3, то ускорение, вызванное аэростатической силой, составляет 0,3 х 10- 9 g,

и, следовательно, им можно пренебречь.

Вертикальные смещения, вызванные микросейсмами, воздействуют на опор­ ный отражатель баллистического гравиметра (разд. 5.1.4) и не влияют на падаю­ щее тело. Микросейсмы имеют широкий спектр, сильно меняющийся в зависи­

мости от места и времени. Природные микросейсмы вызываются, в частности,

волнением моря; их периоды 1-10с и амплитуды 0,1-10мкм. Техногенные мик­ росейсмы, вызываемые промышленными объектами и транспортом, сильно ме­ няются в зависимости от места с периодами 0,01-0,5 с и амплитудами

0,1-1 мкм.

Вертикальное смещение из-за микросейсм можно представить суперпозицией

периодических функций

(5.32)

где Zмамплитуда, UJм = 27Г/Тм -круговая частота (Тм -период), 'Рмфаза

сейсмического колебания. Соответствующее макс~мальное ускорение будет

 

 

 

 

(5.33)

Например, для Тм = 5 с и

= 1 мкм максимальное

ускорение

равно

1,5 мкм·с- 2

Высокочастотные возмущения вызывают еще 66льшие ускорения;

так, для

Тм = 0,2 с и

= 0,1 мкм максимальное

ускорение равно 99 мкм·с - 2

Учитывая

соотно­

шения между частотой и фазой микросейсм и длительностью падения, иногда можно су­

щественно уменьшить влияние этих возмущающих воздействий. Поскольку фаза r,ом не

коррелирована с началом измерений, ее влияние на результаты повторных экспериментов

будет случайным. Большие ошибки могут возникнуть, если длительность падения кратна

периоду микросейсм. Для конкретного спектра возмущений можно сделать детальные мо­ дельные расчеты [129]. Особенно критичны движения импульсного характера, поскольку

они в полной мере влияют на результат измерений. Были обнаружены микросейсмические

влияния порядка 1-1 О мкм·с- 2 при повторных измерениях, когда аппаратура не была

134

Глава 5

надлежащим образом защищена. Если требуется точность по меньшей мере 0,1 мкм·с - 2 ,

влияние микросейсм необходимо уменьшить на 1-2 порядка.

При продолжительности серии измерений с большим числом пусков, во много

раз превосходящей период микросейсм, возмущения можно сильно уменьшить,

применив рандомизацию. Например, при 100-1000 пусках и случайном характере микросейсм можно ослабить их влияние в 10-20 раз. Слишком большое число

пусков существенно не улучшит положение из-за временных затрат и системати­

ческих влияний.

Если микросейсмы регистрировать вертикальным сейсмометром, в результа­

ты измерений можно ввести соответствующие поправки. Более эффективна ком­ пенсация с помощью обратной связи и специальной системы управления. Нако­

нец, опорный уголкавый отражатель можно защитить от микросейсм, применяя

длиннопериодную колебательную систему, с периодом колебаний То, много большим периода микtюсейсм Тм (например,_ То= 20с), которую можно считать псевдоинерциальной системой. Как следует изформулы (6.19) для периода коле­

баний пружинного маятника,можно использовать инертную массу вертикального

сейсмометра или длинную пружину. Чем менее эффективны компенсация или ви­

брозащита, тем большее число экспериментов необходимо для уменьшения влия­ ния микросейсм; по экономическим соображениям следует повысить автоматиза­

цию измерительной системы.

5.1.6.Источники ошибок и точность измерений

На результаты баллистических измереЮIЙ оказывает влияние множество источииков

случайных и систематических ошибок. Эти влияния зависят от конструкции аппара­ туры, методики измереiПIЙ и обработки, а также от местоположения пункта.

К случайным относятся ошибки из-за ограниченного разрешения интерферен­ ционного сигнала, ошибки привязки этого сигнала к временным импульсам (разд. 5.1.4), а также влияние микросейсм (разд. 5.1.5). Ошибки первого типа

уменьшают, применяя метод многих станций. Влияние микросейсм ослабляют,

выполняя повторные наблюдения. Ударные воздействия в момент начала паде­

ния пробного тела можно ослабить лишь частично. Их влияние конструктивны­

ми мерами можно свести к малой величине, при этом симметричная схема изме­

рений предъявляет к ним более жесткие требования. Ошибка уменьшится, если

начинать измерения спустя некоторое малое время после начала движения проб­

ной массы.

Из повторных наблюдений с современной аппаратурой получены следующие

среднеквадратические ошибки измерений:

-для единичного измерения ± 0,5-3 мкм·с- 2 и более; в приборах с хорошей

виброзащитой точность выше;

- для серии от 10 до 100 и боле~ наблюдений: ±0,05-0,3 мкм·с- 2; если вибро­

защита слабая или совсем отсутС'J'вует, требуется большее число измерений;

-для последовательности из 10-30 серий, охватывающих от 1 до 3 сут:

±0,02-0,1 МКМ•С ~2 -

Рисунок 5.6 иллюстрирует дисперсию в серии измерений, в значительной мере обусловленную микросейсмами.

Абсолютные измерения силы тяжести

135

12.4.1986слабый ветер

1987 nусков

± 0,84 мкм·с-2/луск

Рис. 5.6. Разброс измерений силы тяжести (несимметричная схема), вызванный микросейсмами, nри

разных внешних условиях, nункт 101, Институт геоде1ии Ганнаверского университета.

Систематические ошибки следует анализировать, принимая во внимание кон­ струкцию прибора и измерительный метод. Их источниками могут быть этало­

ны, изменения оптического пути, электронная система измерения времени, негра­

витационные воздействия.

Эталон длины задается длиной волны лазерного излучения. Стабильность ча­ стоты излучения необходимо контролировать путем калибровки и учитывать по­

правкой, если это возможно, замеченный уход частоты. Остаточная ошибка мо­

жет быть уменьшена до порядка 1О нм·с - 2 Временной эталон задается стандар­

том частоты: при хорошем контроле его стабильности остаточная ошибка

<5 НМ·С- 2 .

На изменения длины оптического пути влияет множество возмущающих фак­ торов. Особо опасны отклонения лазерного пучка от вертикали (наклон),посколь­ ку они искажают измеряемое расстояние и вносят ошибку в определяемую вели­

чину силы тяжести, равную

(5.34)

где д- угол отклонения лазерного луча от вертикали. Автоколлимация луча с

помощью искусственного горизонта (например, ртутного горизонта) позволяет

уменьшить отклонение до 10- 4 -10- 5 рад. Остаточная ошибка будет в пределах

5-50 нм·с- 2 Иногда в момент начала падения возникает вращение пробнога те­

ла. Если его оптический центр и центр масс не совпадают, длина пути светового

пучка меняется. Этот эффект эквивалентен возмущающему ускорению, вносяще­ му ошибку

(5.35)

где ""вругловая скорость, d - расстояние между оптическим центром и цент­

ром масс. Особая конструкция, оптическая юстировка и калибровка позволяют

добиться, чтобы величина d была менее О, 1 мм, а ""вр - в пределах

0,01 рад·с - t . К другим источникам ошибок, влияющим на оптический путь, от­

носятся поперечные движения пробной массы после начала ее падения и дефор-

136

Глава 5

мации отражателя, приводящие к нарушению параллельности отраженного и па­

дающего лучей.

И наконец, конечность скорости света с приводит к тому, что измерительное положение z достигается с временн6й задержкой

(5.36)

Подставляя в (5.3) измеренное время (t- Otc) и дважды дифференцируя, получаем

..

g .

g2

3

2

 

z = g -

с Zo -

3 с t + 2 с2 t

.

(5.37а)

Таким образом при малых zo и t в результат измерения нужно вводить поправку

2

 

ogc = -3 [_ t.

(5.37б)

с

 

При длительности падения 0,1 с получим, что ogc = -0,1 МКМ·с- 2 • и наоборот,

согласно (5.36), поправку можно ввести в результат измерения времени.

Ошибки электронной системы измеренШl времени прОисходят из-за временных

задержек, вызванных в цепи фотодетектора изменением частоты интерференцион­

ных полос. Вознихающие фазовые сдвиги постоянны или линейно зависят

от частоты; их влияние эквивалентно оШибкам в начальном положении и началь­

ной скорости падения пробного тела. Они не сказываются на ускорении свобод­

ного падения. Электронная система измерения времени может быть проверена

синусоидальным сигналом постоянной частоты, при этом измеренное ускорение

должно быть равным нулю.

Негравитационные воздействШl вызываются магнитным и электростатиче­

ским полями. Возмущающие магнитные силы возникают, когда ферромагнетик движется в неоднородном магнитном поле Земли. Кроме того, в электропрово­

дящем материале индуцируются электрические токи, порождающие магнитное

поле, что создает дополнительные возмущения. Магнитные эффекты можно све­

сти к минимуму, применяя немагнитные материалы. Из-за остаточного трения в окружающей среде на падающем теле может накопиться электростатический

заряд; его можно существенно уменьшить, применив, например, электропроводя­

щее покрытие.

Если использовать описанные выше стандартные меры, влияние остаточных

эффектов газовой среды будет менее 10нм·с- 2, иногда вводят эмпирические по­

правки за давление (разд. 5.1.5).

И наконец, необходимо отметить гравитационный эффект масс самого прибо­

ра, которые расположены несимметрично относительно вакуумной камеры. Вли­

яние достигает нескольких нм·с - 2 ; если возможно, его учитывают поправкой.

Взаключение можно сказать следующее. В современной аппаратуре при

обычных условиях случайная часть ошибки может быть сведена при большом

числе измерений до уровня ±50 нм·с - 2 Остаточные систематические ошибки в

большинстве случаев имеют порядок 1О нм· с - 2 Если сложить квадраты система­

тических ошибок, из-за их независимости результирующая систематическая часть будет близка к случайной ошибке. Полную ошибку абсолютных измерений

Абсолютные измерения силы тяжести

137

силы тяжести баллистическим методом обычно оценивают величиной

± 100 нм·с- 2 Стационарные баллистические приборы, в которых применяют

симметричную схему измерений, дают несколько большую точность.

В рамках бюджета ошибок баллистического метода нами не рассмотрены ошибки, возникающие при редуцировании абсолютного значения силы тяжести (отнесенного к определенной эффективной высоте) на уровень основания прибора, при учете приnивных влияний, атмосферного давления и притяжения грунтовых вод (разд. 9.2.3).

Независимый контроль точности измерений осуществляется сравнением ре­

зультатов, полученных на одном и том же пункте разными приборами. Для ис­

ключения влияния возможных временных вариаций силы тяжести измерения с

разными приборами должны быть одновременными. Поскольку эти одновремен­

ные измерения не выполняются на одном и том же пункте и, кроме того, у раз­

ных приборов различны эффективные высоты, результаты необходимо испра­

вить за различия в плановом положении и по высоте; ошибки связей, выполняе­

мых относительными гравиметрами, входят в общую ошибку сравнения

(разд. 6.6.4).

Начиная с 1976 г. в Международном бюро мер и весов (МБМВ, Севр, Франция) срав­ нивают различные абсолютные гравиметры [85, 88]. Результаты сравнений даны в

табл. 5.1. Средние квалратические ошибки отдельных определений, которые привелены в

табл. 5.1, оцениваются наблюдателями величиной ±0,05-0, 1 мкм ·с- 2 (для прибора NIM

несколько больше). Однако между различными определениями обнаруживаются расхожде­

ния до 0,4 мкм ·с- 2 , что свидетельствует о невыявленных систематических ошибках. Срав­

нения приращений силы тяжести, измеренных одним и тем же абсолютным гравиметром,

срезультатами по относительным гравиметрам усиливают подозрения, что отчасти эти

эффекты связаны с каждым конкретным прибором и в разности исключаются

(разл. 5.2.3).

5.2. Баллистические эксперименть1 и результаты

5.2.1. Лабораторные эксперименты 1950-1970 гг.

С 1950 по 1970 г. было выполнено более десяти лабораторных баллистических экспериментов. Вначале эти абсолютные определения служили целям метрологии

(разд. 4.1.1 ), но вскоре стали использоваться для контроля мировой гравиметри­

ческой сети (разд. 9.1.1). В табл. 5.2 содержатся некоторые технические характе­

ристики, а также информация о точности этих экспериментов. Основы методов

даны в разд. 5.1.

Часть экспериментов основывалась на фотографировании падаюшей линейки чере1 1а­ ланные интервалы времени [742] или на освешении падающего жезла вспышками фиксиро­ ванной частоты. В качестве примера на рис. 5.7 показан принuип измерений, описанный в работе [681]. Падающая линейка (градуировка через 1 мм) освещалась вспышками (пли­ тельность 0,3 мкс, частота 100 Гu). С помощью оптической системы изображения шкалы линейки и неподвижной отсчетной шкалы проектировались на фотопленку, закрепленную на врашаюшемся барабане. Измерялись расстояния между юображениями отсчетного штриха и освешеиным штрихом шкалы. Моменты световых вспышек были известны, и

138

 

 

 

 

 

Глава 5

 

 

 

 

 

 

Таблица 5.1. Абсолютные измерения в МБМВ (Севр [698])

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Прибор

(разд. 5.2.3)

Эпоха

 

 

 

Сила тяжести

в

Примечании

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МБМВ (Севр),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пункт А, мкм ·с -z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9 809 250

 

 

 

 

 

 

IMGC

 

 

Май 1976

 

 

+9,77

 

Симметричное движение

 

 

 

Июнь 1976

 

 

9,87

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Январь

1977

 

 

9,81

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Март 1977

 

 

9,91

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Апрель

1982

 

 

9,85

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Июнь 1985

 

 

9,95

 

 

 

 

 

 

МБМВ {стац.)

1976

 

 

 

9,90

 

Симметричное движение

 

ГАБЛ

 

 

Сентябрь 1977

 

 

9,94

 

Несимметричное движение

 

 

 

Октябрь

1981

 

 

9,98

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ноябрь

1991

 

 

9,96

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Июнь 1985

 

 

10,02

 

 

 

 

 

 

JILA

 

 

Ноябрь

1981

 

 

9,78

 

Несимметричное движение

 

 

 

Июнь 1985

 

 

9,99

 

 

 

 

 

 

NIM

 

 

Апрель

1980

 

 

10,04

 

Несимметричное движение без

 

 

 

Июнь 1985

 

 

10,16

 

виброзащнты

 

 

МБМВ (Jaeger)

Март 1982

 

 

9,97

 

Симметричное движение

 

 

 

Июнь 1985

 

 

9,76

 

 

 

 

 

 

IGPP

 

 

Июнь 1985

 

 

10,13

 

Несимметричное движение

JILAG-3/IfE

Июнь 1986

 

 

9,97

 

Несимметричное движение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ 0,22 мкм · с- 2 (поправка за

 

 

 

 

 

 

 

 

 

коллимацию)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9,93

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Среднее

(n = 19)

 

 

 

 

 

 

 

 

IMGC -

Институт метрологии им. Дж. Колоннетти

(Турин).

 

 

 

 

 

 

МБМВ

-

Международное бюро мер н весов (Севр), стац. -

стационарнь1А,

Jaegcr

-

транспортабсльн~оJА nрибор фирмы

 

 

c~JaegeP), Отдел аэронавтики, Леваллуа-Перре.

 

 

 

 

 

 

 

ГАБЛ

-

Гравиметр абсолютный баллнстнчесiСИА лазерный

Института автоматики

и электрометрии,

Сибирское отделение

 

 

АН СССР (Новосибирск).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

JILA

-

ОбыдиненныА

институт астрофизических нсследованиА, Национальное бюро

стандартов

и

Университет

Колорадо

 

 

(Боулдер).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NIM

-

Национальный институт метрологии (Пекин).

 

 

 

 

 

 

 

IGPP

-

Институт геофизики и планетарной физики,

С~ерипnсовскиR океанологический

институт,

КалифорниRс~еиR

универси­

 

 

те-т (Сан-Диего).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

JILAG -3/ lfE - Гравиметр JILA JW 3, Институт геодезии Ганноверс~еоrо университета.

потому этих расстояний достаточно для вычислений по формуле (5.3). Поскольку число

измерений каждый раз было более трех, то возникала необходимость в уравнивании. В

таких экспериментах сильное влияние оказывали ошибки определения пройденного пути.

Кроме того, возникали ошибки из-за наклонов и врашения линейки при падении.

Результаты первых экспериментов сильно искажались влияниями .воздушной среды. Метод падения пробного тела внутри падаюшей камеры (Агалецкий и др. [1], [678]), а также предложенный Воле [741] и реализованный Куком [130] метод симметричного дви­ жения пробного тела впервые наметили пути (помимо глубокого вакуумирования) умень­

шения барометрического влияния. Особенно успешным был эксперимент Кука с симмет­ ричным движением; его принuип показан на рис. 5.8. В качестве пробной массы использо­

вался стеклянный шарик. После срабатывания катапульты, двигаясь строго вертикально,

он пролетал сквозь отверстия в двух стеклянных блоках. Измерительные плоскости зада-

Абсолютные измерения силы тяжести

139

Таблица 5.2. Технические данные и точность абсолютных измерений методом свободного nадения,

лабораторные эксnерименты 1950 - 1970 rr.

Организация 1)

МБМВ

вниим

МБМВ

Местонахождение

Севр

Леиинград

Севр

Эпоха

 

1951

 

 

 

19541959

 

1957/58

 

Публикация

[741]

 

 

 

 

[1]

 

[680]

 

Метод

 

 

Несимметричное движение, метод многих станций

 

 

Падаюшее

 

Инвар./бронз.

 

Жезл с фотоэм.

Латунный/кварц.

Платиноиридиев.

тело (длина),

линейки

 

(0,15 м), совмешен-

жезл (0,15 м)

линейка

 

высота падения

(1,2/1,3

м)

 

ное

падение

с фотоэм.

(1 м)

 

Измерение

 

Фотограф. в

 

Фотограф. в

Фотограф. в

Фотограф. в

пути и

 

заданные моменты

заданные моменты

заданные моменты

заданные моменты

времени

 

освешаемой линейки

проекuии шели

проекuии шели

освешаемой

линейки

 

 

и отсчетного

индекса

камеры на жезл

на жезл

н отсчетнаго индекса

Давление,

Па

Около

102

 

10'

 

JO'

 

10- 1

 

Ошибка результата,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мкм · с- 2

 

Неск. единиц

 

±16

 

±13

 

±10

 

Уклон~ние от при-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

юrтоrо значения2),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мкм ·с·'

 

-100

 

 

+47

 

+61

 

+20

 

Организация 1)

NRLM

 

 

РТВ

 

DAMW

NSL

 

Местонахождение

Какиока

 

Брауншвейг

Берлин

Сидней

 

Эпоха

 

1965/67

 

 

1969

 

1969170

1970

 

Публикация

[632]

 

 

(Ш]

 

[143]

 

[36]

 

Метод

 

 

 

 

Несимметричное движение

 

Симметричное движе­

 

 

метод многих станций

метод трех станций

ние, метод

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

двух станций

Падаюшее тело

Инвар/кварц.

 

Кварц. жеэл

Латунный цилиндр

Уголковый

отра­

(длина), высо·

жезлы

(1 м)

 

с фотоэм.

(0,1 м)

 

жатель 0,2 м

та падения

 

 

 

(2 м)

 

с прозр. маркой,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Измерение

пути

Фотограф. в

 

Фотограф. в

Время

прохож­

Интерф. измерения

и времени

 

заданные мо­

 

заданные мо­

дения

между

расст. (белый свет)

 

 

менты

осве­

 

менты проек-

светов.

барье­

с эталоном

длины

 

 

шаемой

линейки

ции

шели на жезле

рами,

путь - по

 

 

 

 

 

 

 

 

 

эталону длины

 

 

Давление,

Па

10 - 1

 

 

 

 

< 10-'

 

<5 х 10 _,

 

Ошибка результата,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мкм ·с·'

 

±10

 

 

±20

 

±5

 

±2

 

Уклонение

от

 

 

 

 

 

 

 

 

 

принятого

значения,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мкм. с- 2

 

-13

 

 

+10

 

+3

 

о

 

NCR

 

PPL

 

 

МБМВ

NBS

 

NPL

 

Оттава

 

Принстон

 

Севр

 

Гайтерсбург,

Теддингтон

 

 

 

 

 

 

 

 

Мэриленд

 

 

1958/59

 

1962

 

 

19671983

1965'

 

1965

 

[542]

 

[186]

 

 

[584,

585]

[677]

 

[130]

 

Несимметричное движение,

 

Симметричное дви­

Несимм. движение,

Симм. движение,

 

метод трех станций

 

жение, метод двух

метод трех станций метод двух станций

 

 

 

 

 

станций

 

 

 

 

Стальной

жезл (2 м)

Зеркально-

 

Триппель-призма

Кварц. трубы (1 м) с Стеклянный

шар,

с 3 стекл. шкалами

линзовый

 

0,4 м

3 шелями в баллист.

1 м

 

 

 

отражатель, 5

см

 

 

камере

 

 

 

140

 

 

 

 

 

Глава 5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Продолжение табл. 5.2.

Фотограф. в

Интерф. измер.

Интерф. измер.

Время

прохождения

Время

прохождения

заданные мо­

расст.

 

расстояний

 

между

световыми

между

световыми

менты

освещ.

(белый

свет);

(белый свет)

барьерами,

 

барьерами

шкал с

индексом

фотограф. интерф.

с эталоном длины

расстояние

между

интерф. измерения

 

 

 

полос с

метками

 

 

 

щелями с

ннварным

расстояний

 

 

 

времени

 

 

 

 

эталоном длины

< 10-1

 

10- 2

 

 

<1о-•

 

1о·'

 

 

10- 1

 

 

 

±15

 

 

±7

 

Неск.

±0,1

- 0,01

±5

 

 

±1,3

 

+3

 

 

-5

 

 

 

 

+8

 

 

+ 1

 

 

 

 

" - Международное бюро мер и весов; ВНИИМ -

Всесоюзный научио-исследовательский институт метрологии;

NCR -

Национальный исследовательский совет; PPL -

Пальмерекая физическая лаборатория; NBS - Националь­

ное бюро стандартов;

NPL -

Национальная физическая лаборатория; NRLM -

Национальная исследовательская

лаборатория метрологии (Япония); РТВ -

Физико-техническая федеральная организация (ФРГ); DAMW - Государ­

ственное ведомство по измерениям и материаловедению (ГДР); NSL - Национальная лаборатория стандартов.

21 Поправка за переход к Потедамской системе - 140 мкм · с- 2 [604].

вались щелями, расположенными друг напротив друга в боковых стенках с нанесенным покрытием. Когда щарик пересекал измерительную плоскость, он действовал как линза и проектировал изображение одной освещенной щели на другую. Образующийся при про­ хождении центра щарика импульс (световой· максимум), преобразованный фотоумножите­

лем в электрический, управлял работой электронного счетчика времени (точность ±0,1 мкс). Горизонтальные поверхности стеклянных блоков оптически плоские и вьшолня­

ют роль зеркал интерферометра, которым и измеряли расстояние между блоками. Меняя

блоки местами, можно избежать измерений положения плоскости щелей. На результат

каждого единичного измерения наиболее сильно влияли микросейсмы. Осреднением ре­

зультатов (100 измерений) можно было уменьщить ощибку до 2 мкм·с- 2 и менее.

Весьма эффективным оказывалось одновременное измерение расстояния и времени [186], основанное на использовании интерферометра [36]; ныне используется исключитель­

но этот метод (разд. 5.2.2 и 5.2.4).

Лабораторные эксперименты, начатые в 1950 г., продемонстрировали возмож­ ность успешного применении баллистического метода при абсолютных определе­ ниях силы тяжести. В дальнейших исследованиях совершенствовались теория ме-

Вакуумная

камера

 

Вакуумированная

BCПЬ.IWKI

 

 

 

труба

 

Рис. 5.7.

(левый). Измерения при несимметричном даижении [680).

Рис. 5.8.

(правый). Измерения при симметричном дВижении [130).

Абсолютные измерения силы тяжести

141

тода и измерительная аппаратура. Ошибки первых экспериментов составили око­

ло 10 мкм·с- 2 В недавних работах систематические ошибки удавалось умень­

шить настолько, что ошибка среднего из 30-100 и более измерений была сущест­

венно меньше ошибки единичного измерения ( ± 10-50 мкм·с- 2 ). Ошибка

окончательного результата составляла несколько мкм.с - 2 и складывалась в

основном за счет остаточных систематических эффектов. На основе опыта, на­ копленного в лабораторных экспериментах, в начале 1970-х rr. стали создавать

транспортабельные абсолютные гравиметры, точность которых порядка

0,1 МКМ·С- 2 (разд. 5.2.3 И 5.2.4).

5.2.2.Стационарные абсолютные гравиметрические станции

В начале l960-x rr., продолжая эксперименты Воле и Тулина (разд. 5.2.1), А. Са­ кума приступил к разработке стационарного баллистического прибора с симмет­ ричным движением пробной массы. Работа выполнялась в Международном бю­ ро мер и весов (МБМВ), Севр, и основывалась на одновременном измерении вре­ мени и пройденного пути методом интерференции [585]. Постоянное совершен­

ствование и использование преимушеств метода позволили проводить с этим

прибором непрерывные измерения силы тяжести на постоянной станции МБМВ

[588, 590].

Важнейшей частью прибора является интерферометр Майкельсона, работающий в ва­

кууме около 10- 5 Па. Уголкавый отражатель, выполняющий роль одного из зеркал ин­

терферометра, подбрасывается вверх. Вдоль траектории на расстоянии 0,4 м зафиксирова­

ны два горизонтальных уровня (станции), задающие плоскости сопряжения двух зеркал

из плавленого кварца, помещенных в горизонтальное плечо интерферометра. Эти зеркала

образуют концевой эталон длины в 0,8 м. Интерференционная картина в белом свете, фор­

мирующаяся в моменты прохождения отражателем обоих уровней вначале при подъеме, а затем при падении (в общей сложности 4 раза), детектируется фотоумножителем. По­ скольку обычный источник белого света не обеспечивает достаточно высокое отношение сигнал/шум в июrерференционной картине, применяли импульсную ксеноновую лампу.

Она включалась одновременно с прохождением отражателем каждой станции. Определе­

ние длины концевого эталона осуществлялось сравнением с длиной волны гелий-неоново­

го лазера He-Ne/1~27 (стабилизированного по йодной ячейке поглощения) в том же самом

интерферометре для измерения силы тяжести. Пробное тело (его высота 10 см, масса 430 г) состояло из двух уголковых отражателей. Отражатели ориентированы строго про­

тивоположно и скреплены так, что их вершины совпадают, при этом оптический центр

каждого отражателя совмещен с центром масс пробнога тела с точностью ± 10 мкм. Ка­ тапульта, установленная на вибропоглощающем основании, подбрасывает пробное тело,

причем скорость его вращения <0,01 рад·с- 1Чтобы уменьшить влияние колебаний проб­

нога тела, возникающих в момент старта, наблюдению на нижней станции предшествует его подъем в течение 56 мс. Колебания в результате становятся <О, 1 нм. Особое внимание было уделено уменьшению вибрационных эффектов до нескольких нанометров. Горизон­ тальная вакуумная камера интерферометра Майкельеона подвешена на специальном уста­ новочном столе на металлических нитях, демпфирующих горизонтальные ускорения. Для вибрационного контроля в вертикальной п;юскости использовалась электронная система обратной связи между вертикальным акселерометром и пьезоэлектрическим компенсато­ ром. Второй пьезоэлемент, управляемый длиннопериодным вертикальным сейсмометром, компенсировал влияние долгопериодических микросейсм. Третий пьезаэлемент использо-

142

Глава 5

вался для компенсации горизонтальных смещений установочного стола из-за нестабильно­ го основания. Опорный уголковый отражатель был закреплен на рычаге сейсмометра с

больщим (около 30 с) периодом колебаний, при этом измеряли остаточные вибрации ин­ терферометра относительно этого отражателя. Для учета земных приливов применяли

модифицированный пружинный гравиметр (Уэстерна), в котором нулевой метод измере­

ний осуществлялся с помощью электростатической системы обратной связи (чувствитель­

ность 2нм·с- 2 , дрейф <10нм·с- 2/сут). Абсолютный гравиметр позволил контролиро­

вать долгопериодический дрейф и чувствительность пружинного гравиметра.

Точность измерений с абсолютным гравиметром МБМВ по внутренней сходи­

мости удалось повысить с ±О,lмкм·с- 2 (1967г.) до ±0,01мкм·с- 2 (с 1975г.).

Наблюдения, проводившиеся с 1967 г., обнаружили необъясненное пока увеличе­

ние силы тяжести примерно на 0,4 мкм·с - 2 за 1969-1972 гг. Начиная с 1976 г. сила тяжести испытывает лишь случайные изменения в пределах ± О,1 м~м·с- 2

Для дальнейшего изучения подобных вариаций устанавливают гравиметрические

пункты-спутники (например, в Орлеане, на расстоянии в 130 км). Через заданные

интервалы времени будут измеряться прирашения силы тяжести между фунда­ ментальной станцией и пунктами-спутниками. С 1983 г. на этом пункте стали вы­ полнять наблюдения с транспортабельным прибором, созданным Jaeger

(разд. 5.2.4).

В 1975 г. в Международной широтной обсерватории в Мидзусава, Япония, при со­ действии МБМВ [520] началис~ работы по созданию еще одной постояиной гравиметриче­ схой станции. Абсолютный гравиметр аналогичен прибору МБМВ. Первые наблюдения

(1981 r.) похазали, что точность единичного измерения составила ±0,3-0,5 мхм·с- 2 , а точность среднего нз 10-20 измерений была ±0,1-0,2 мхм·с - 2

Целью постоянных станций является слежение за долговременными изменени­ ями силы тяжести глобального характера; кроме того, они служат контральны­

мы пунктами для различных абсолютных гравиметров (разд. 9.1.3).

5.2.3.Транспортабельные баллистические гравиметры

Начиная с 1970 г. были разработаны, исследованы и успешно применялись десять транспортабельных баллистических гравиметров с несимметричным и симмет­

ричным движением пробнаго тела. Таблица 5.3 содержит их технические характе­ ристики. Отметим, что большинство nриборов неnрерывно совершенствовалось

по мере })азвития измерительной техники. Эти nриборы применяют для создания

фундаментальных гравиметрических сетей (разд. 9.2) и для изучения временных

вариаций силы тяжести (разд. 10.1.1 ).

Во всех конструкциях предусматривается одновременное измерение времени и

расстояния с nомошью интерферометра Майкельеона с гелий-неоновым лазером.

Приборам с несимметричным движением пробной массы свойственны менее

сложная механическая часть и быстрое nолучение данных. Приборы с симмет­

ричным движением (разд. 5.2.4) отличаются симметрией процесса измерений

(равная скорость при прохождении одних и тех же nоложений), поэтому они ме­

нее чувствительны к влиянию остаточного газа и некоторым эффектам в элек-

 

 

Абсолютные измерения силы тяжести

143

Таблица 5.3. Технические данные и точность

транспортабельных баллистических гравиметров

(по публикациям)

 

 

 

 

 

 

 

 

Организация 11

Университет Весли

IMGC

ИАЭ

Местоположение

Мидлтаун, Коннектикут, Турин, Италия

Новосибирск, СССР

Эпоха

США 1968/69

С 1976 г.

С 1976 г.

Публикация

[268]

[6]

[14]

Метод (высота падения) Несимметричное движе- Симметричное движение Несимметричное дви-

 

ние (1 м), метод трех

(0,5 м), метод двух

жение (1 м), метод

 

станций

станций/многих

станций

трех станций

Давление, Па

<Io-•

10-1

 

< 10-э

Микросейсмы

Виброизоляция УО61 с

Виброизоляция

УО с

Виброизоляция УО с

 

сейсмометром

сейсмом. + пьезоэлектр.

сейсмометром

 

 

демпфир.

 

 

Длительность:

-единичного измерения

-серии (число единич.

измер.)21

-работы на пункте

(ЧИСЛО серий)21

Ср. кв. ошибка серии,

мкм. с- 2

Точность результата31,

мкм. с - 2

Организация

Местоположение

Эпоха

Публикация Метод (высота падения)

Давление, Па

30 с

3 - 4 мин

0,5 ч (50)

1 ч (20)

1 нед

3 - 4 сут

(20"- 30)

(5)

±0,3

±0,03

±0,5

±0,1

JILAS>

ILO

Боулдер, Колорадо, США Мидзусава, Япония

С 1981 г.

С 1982 г.

[189]

[269]

Несимм. движение (0,2м), Несимм. движение (0,3м),

метод многих станuий

метод многих станuий

10-Э-10- 4 +балЛИСТИЧ. <2 Х 10-S

камера

Микросейсмы

Длительность:

-единичного измерения

-серии (число единич.

измер.)21

- работы на пункте

(число серий)21

Ср. кв. ошибка серии,

мкм · с- 2

Точность результата,

мкм. с - 2

ERI

Токио, Япония

С 1976 г. (эксп.)

[497]

УО изолир. с супер­

Пьезоэлектр.

изол +

пружиной

поправка по

показаиним

 

сейсмометра

 

2 - 10 с

Неск. минут

 

5 - 20 мин (50150)

 

 

 

< 1 сут

1 нед

 

 

(5 - 20)

(3070)

 

±0,1-0,2

±0,5-

1 (1

измер.)

±0,1

±0,15

 

 

AFGL

NIM

 

 

База ВВС, Ханском,

Пекин,

Китай

Массачусетс, США

 

 

 

19781981 гг.

С 1979 г. (эксп.)

[268]

[193]

 

 

15 с

0,5 ч (100)

2 - 4 сут

(2025)

±0,15

±0,1

IGPP

Сан-Диего, Калифор­ ния, США

С 1984 г. [797]

Несимм. движение

(0,2м), метод многих

станuий

10- э + баллистич.

камера

Виброизоляция УО с

сейсм. + поправка

10

с

 

20

мин (100)

1

сут

(10)

±0,1

 

±0,1

 

Jaeger

S.A. 41

Леваллуа-Перре, Франция

С 1980 г. [686]_

144

 

 

Глава 5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Продолжение табл. 5.3.

Несимметричное двнже-

Несимметричное движе-

Несимметричное движе­

Симметричное движе­

ние (0,3 м), метод

ние (0,6 м), метод

ние (0,4 м), метод

ние

(0,4 м), метод

многих

станций

многих станций

 

многих

станций

многих станций

10-3

 

1О - 4 + баллист.

камера

< 10- 3

 

< 10-2

Запуск с

управлением

Виброизоляция

УО

Без виброизоляции

Антивибр. подвес с

сейсмометром

долгопериодной

 

(первая

модель)

помощью пьезоэлектр.

 

 

пружиной

 

 

 

системы

3-5 мин

3 мин

 

1-2 мин

<5

мин

 

 

0,5 ч (3050)

 

1 ч (20)

 

0,5

ч

(10)

1 нед

 

2-3 сут

 

1 сут

 

2 сут

(10)

(20)

 

(1020)

 

(10- 20)

 

 

 

±0,4 (1

эксп.)

±0,15

 

±0,7

 

±0,04

 

±0,1

 

±0,15

 

±0,15

 

±0,1

 

')IMGC - Институт метрологии им. Дж. Колоннетти, ИАЭ - Институт автоматики и электромет­

рии Сибирского отделения Академии наук СССР, ERI - Исследовательский институт землетрясений, AFGL - Геофизическая лаборатория ВВС, НИМ - Национальный институт метрологии, JILA - Объединенный институт астрофизических исследований, Национальное бюро стандартов, Универси­

тет Колорадо, ILO - Международная широтная обсерватория; IGPP - Институт геофизики и плане­ тарной физики, Калифорнийский университет.

2) Число единичных измерений в серии и число серий на пункте меняется в зависимости от nрибора

иуровня мнкросейсм.

3) Данные содержат обычно случайные ошибки, полученные по повторным измерениям, и рассчитан­

ные систематические ошибки.

4 ) Приборы типа GA60 в настояшее время (1987 г.) используются в Институте географической съемки

(Цукуба, Япония) и МБМВ (Севр).

5) В 1985 - 1986 rr. в JILA были созданы шесть новых усовершенствованных nриборов, используе­

мых сейчас в разных организациях. 6)УО - уголковый отражатель.

тронной части прибора, зависящим от частоты (систематические ошибки измере­

ния времени).

После приборов 19-го столетия с оборотным маятником первым транспорта­

бельным прибором для абсолютных измерений стал баллистический гравиметр, созданный Фаллером и Хэм.мондом в Университете Весли совместно с Нацио­ нальным бюро стандартов и при поддержке Кембриджской исследовательской

лаборатории ВВС США (AFCRL). В 1968-1969 гг. с ним выполнили измерения

на восьми пунктах Мировой гравиметрической сети [267] (разд. 9.1.1).

Основной частью прибора был лазерный интерферометр для мониторинга свободного падения уголкового отражателя. При определении пути выполняли интерференционные

измерения для моментов, близких к началу свободного падения, его середине и концу. Для подсчета числа интерференционных полос между первым и вторым положением, а

также между первым и третьим исполыовались два счетчика; стандарт частоты позволял

находить соответствующие промежутки времени с ошибкой ± 2 не. Мощность излучения

стабилизированного лазера He-Ne/J~27 обеспечиваЛа для каждой интерференционной поло­ сы эмиссию с фотокатода 105 электронов; это позволило добиться разрешающей способ­

ности по расстоянию выше чем в 11100 интерференционной полосы. Аппаратура, вес кото­

рой составлял 800 кг, была не очень удобна как при транспортировке, так и в работе.

Случайная ошибка единичного измерения достигала ± 1 мкм·с- 2 и более. С учетом оста-

Абсолютные измерения силы тяжести

145

точных систематических эффектов (ошибки временной привязки, уклонения от вертикали, торможение остаточной среды, воздействия электростатического и магнитного характера)

можно считать, что величина силы тяжести, определявшаяся как среднее из 20-30 серий

(примерно по 50 пусков в серии), получалась с ошибкой ± 0,5 мкм ·с- 2 Обоснованность

этой оценки подтверждена сравнениями в Национальной физической лаборатории (НФЛ) в Теддинrтоне (Великобритания) и МБМВ (Севр). Время работы на пункте, включая ошиб­ ку и демонтаж аппаратуры, составляло 1-2 нед.

Разработка прибора Хэммонда и Фаллера была продолжена в Геофизических

лабораториях ВВС США. Основные направления разработки состояли в техниче­ ском совершенствовании (для уменьшения в 100-200 раз влияния остаточного

газа использовали метод совмещенного падения отражателя и камеры), уменьше­

ния размеров вдвое и веса до 700 кг, автоматизации измерений [268].

Для регистрации временных интервалов между измерительными станциями (их число было велико - 500-700) использовался цифровой счетчик с высоким разрешением (0,125 не). Работой счетчика управлял рубидиевый стандарт частоты; результаты измере­ ний вводились в мини-компьютер. Обработка выполнялась в реальном масштабе времени

ипредусматривала анализ данных (отбраковка, оценка точности, вибрационные влияния)

ивведение земноприливных поправок. Конечным результатом было значение силы тяже­ сти и ее вертикального градиента. В 1979-1980 rr. прибор использовали более чем на де­

сяти пунктах на территории США; за двое суток наблюдений достигалась точность

±0,1 мкм·с- 2 • На этом программа Геофизических лабораторий ВВС США по созданию

абсолютного гравиметра была завершена [320].

Баллистический абсолютный гравиметр ГАБЛ с несuмметричным движением

пробной массы Института автоматики и электрометрии Сибирского отделе­ ния АН СССР начал использоваться как транспортабельный с 1976 г. [14]. Балли­

стическая камера прибора изготовлена из немагнитной нержавеющей стали.

Пробная масса (уголковый отражатель) содержит ферритовый элемент. Он ну­ жен для того, чтобы удерживать массу в стартовом положении магнитным по­

лем, создаваемым электромагнитом. Горизонтальными смещениями сердечника

электромагнита обеспечивается однородное силовое воздействие, и вращательные движения пробной массы при падении сводятся к минимуму. В конце падения

пробная масса попадает в пружинную ловушку. Электромагнит, управляемый

электромотором, движется по внешней стороне вакуумной камеры и поднимает

пробную массу вместе с кареткой в исходное положение. ВкJ'Iючением и выключе­

нием электромагнитов, как и движением каретки, управляют позиционно­

чувствительные элементы электронного блока управления. Откачка воздуха из

камеры осуществляется расположенной снаружи системой вакуумирования. Из­

мерения остаточного давления используются в дальнейшем для вычисления по­

правок. После того как излучение лазера He-Ne/J127 разделится на два пучка, из­

мерительный пучок направляется вертикально и сквозь стеклянное окно попадает

снизу в баллистическую камеру. Отраженный от пробной массы пучок взаимо­

действует с опорным световым пучком (для защиты от микросейсм опорный от­

ражатель подвешен на рычаге сейсмометра с периодом колебаний в 4 с). В плос­ кости фотодетектора образуется интерференционная картина, а фотодетектор преобразует световой сигнал в электрический. После усиления этот сигнал с по­

мощью нулевого дискриминатора превращается в последовательность импульсов

146

Глава 5

Рис. 5.9.

Баллистический гравиметр ГАБЛ, Институт автоматики и элек­ трометрии СО АН СССР (материал любезно nредоставлен проф. Ю.Д. Буланже, Междуведомственный геофизический комитет

СССР).

и через делитель частоты (коэффициент деления 800) попадает в электронный счетчик. Спустя 0,08 с после начала падения начинаются измерения интервалов

времени между моментами прохождения наперед заданного числа интерференuи­

онных полос (6,4 х 105 Л/2, 8 х 105 Л/2, 2,56 х 106 Л/2, где Л- длина волны из­

лучения лазера). Интервалы времени измеряются суммированием числа меток

времени с частотой 100 МГц от генератора, управляемого частотой 5 МГц руби­ диевого стандарта. Процесс измерений полностью автоматизирован. После уста­ новки, калибровки и вакуумирования прибора (примерно за половину суток) при­ ступают к серии измерений (80-120 единичных измерений в каждой серии за 20-30 мин). Перерывы между сериями (10 мин) используются для обработки данных и при необходимости для дополнительной калибровки. Необходимое чис­ ло серий определяют по дисперсии получаемых результатов, зависящей от фона

вибраций и микросейсм. Осреднением результатов влияние случайных ошибок

можно

снизить

до ± 0,03-0,04 мкм·с - 2 Наиболее существенные систематиче­

ские

ошибки

возникают из-за остаточных влияний давления ( ± 0,03-

0,04 мкм·с- 2 ), из-за погрешностей определения длины волны лазерного излуче­ ния ( ± 0,02 мкм·с - 2), из-за оптических эффектов и ошибок измерения времени.

Высота прибора 2 м, вес в рабочем положении 350 кг; при транспортировке весь

комплект оборудования (700 кг) упаковывают в 18 ящиков (рис. 5.9).

Прибор ГАБЛ применяли в различных регионах, в частности для контроля Мировой гравиметрической сети и выявления долгопериодических вариаций силы тяжести. Повтор­

ные наблюдения в Лёдово (близ Москвы) и Сингапуре в 1976-1984 гг. (Буланже и др.

[87]) обнаруживают лишь случайные расхождения до ±О,1-0,15 мкм ·с - 2 Большой объем

измерений выполнен в 1979 г. в Австралии и Папуа-Новая Гвинея [12], Восточной Европе (Потсдам [84], Финляндия [13], Польша, Чехословакия, Венгрия, Румыния); планируются

повторные измерения. Сравнение баллистических гравиметров в МБМВ (Севр) подтверди­

ло, что точность измерений составляет ±0,1 мкм·с- 2 , см. табл.5.1 1 '.

IJ В современном приборе ГАБЛ-М (рис. 5.9), появившемся в середине 1980-х rr., используется

метод многих (600) станций, точность измерений ± 0,05 мкм · с- 2 (по внутренней сходимости

± 0,02 мкм · с- 9, вес прибора 250 кг. Близкий по конструкции прибор ГБЛ изготовлен малой серией

в ЦНИИГАиК.- При.м. ред.

Абсолютные измерения силы тяжести

147

t----+~-Вакуумная

каме~

Стабилизи­

рованный

He-Ne лазер

Рис. 5.10. Схема баллистического гравиметра ILO Международной широтной обсерватории в Мидзуса­

ва [269].

Институт исследования землетрясений (ERI), Токио, и Международная ши­

ротная обсерватория (ILO), Мидзусава [269, 497], разработали баллистические

гравиметры для измерений по несимметричной схеме многих станций. В обоих приборах пробная масса представляет собой отражатель «кошачий глаз», а в ка­

честве источника излучения используется лазер He-Ne/J~27 , стабилизированный

по йодной ячейке поглощения. Размеры пробной массы меньше размеров уголко­

вого отражателя.

На рис. 5.10 показан принцип работы гравиметра ILO. Интерферометр Май­ кельеона регистрирует мгновенное положение отражателя «кошачий глаз» (эф­ фективный диаметр 2 мм), падающего в камере с высоким вакуумом; длина пути 30 см. Благодаря специальному пусковому механизму с магнитным подвесом по­

вороты падающего тела вокр~г горизонтальных осей за время падения составля­

ют менее 10". Двухпозиционный датчик местоположения отслеживает вращение

с помощью отраженного лазерного пучка. Лавинный фотодиод регистрирует ин­ терференционый сигнал и преобразует его в электрический. Затем сигнал перево­ дят из аналоговой формы в цифровую и записывают на кассетном накопителе. Окончательное значение силы тяжести получают из уравнивания 250 измерений

времени и пройденного пути. Чтобы избежать механических вибраций, интерфе­ рометр изолируется от вакуумной камеры. Влияние микросейсм регистрируется

и учитывается с помощью вертикального сейсмометра, имеющего большой пери­ од собственных колебаний, а сильные толчки основания гасятся более чем в 10

раз с помощью пьезокерамики.

Прибор применяли для обнаружения временных вариаций силы тяжести в зоне суб­

дукции литосферных плит (десять станций в районе Тохоку, Япония; первые наблюдения выполнены в 1984 г., повторные планиравались через 2-3 года), а также для регистрации

148

Глава 5

влияния движения полюса. При 60-70 пусках (3-10 сут) ошибка результата оценивается

величиной 0,05-0,19 мкм·с- 2 в зависимости от уровня микросейсм. Дальнейшее совер­

шенствование прибора идет по пути уменьшения времени измерений и снижения фона ви­ браций, работают также над автоматизацией и уменьшением габаритов прибора и его

веса [269].

Баллистический гравиметр для измерений по несимметричной схеме трех

станций, разработанный в Китайском национальном институте метрологии,

Пекин [193], первоначально не имел виброзащиты. Однако при международных

сравнениях (табл. 5.1) его результаты согласуются в пределах 0,2 мкм·с- 2 с дан­

ными МБМВ. Прибор применялея при создании фундаментальной гравиметриче­ ской сети Китая. Его основные источники ошибок (помимо влияния микро­

сейсм) - влияние остаточного газа и погрешности в определении длины волны

излучения лазера. Сейчас разрабатывается новый прибор.

Замечательным результатом непрерывного совершенствования является бал­ листический гравиметр с несимметричным движением пробной массы, разрабо­

танный Обьединенным институтом астрофизических исследований (JILA), На­

циональным бюро стандартов и Университетом шт. Колорадо (Боулдер). Этот прибор создал в 1980 г. Фаллер и его коллеги, с тех пор его разработка не прекра­

щается. Прибор создавался для быстрых, экономичных и высокоточных (не­

сколько единиц 10- 9 g) измерений, в частности для геодинамических исследова­

ний [188]. Принципиальная схема транспортабельного абсолютного гравиметра JILA приведена на рис. 5.11 [189, 794, 796]. Важнейшей его частью является ин­

терферометр Майкельеона с уголковыми отражателями в опорном и измеритель­

ном плечах. Эталон длины задан длиной волны лазера He-Ne/Jl27 , он же служит

источником света. Высокая точность измерений при малом пути свободного па­ дения (0,2 м) достигается благодаря ослаблению влияния остаточной газовой сре­

ды и микросейсмических возмущений.

ВакуумнаА камера

Оnорньой

отражатеnь

Поnуnроэрачное

эеркаnо

Рис. 5.11. Схема баллистического гравиметра JILA, Объединенный институт астрофи1ических исслело· ваний, Боулдер, Колорадо, США [189, 508].

Абсолютные измерения силы тяжести

149

ВакуумнаR камера

 

 

 

 

 

 

 

ПружиннаR

 

Катушка

~

 

 

 

 

"""nодвеска

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

эвукового устройства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а:'"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

'""'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

:z:S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L'""'...c:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

'">

 

 

 

 

 

 

 

 

 

'=С.

 

 

 

 

 

 

отражатель

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Опорный

ПробнаR масса

НаправПRющие рельсы

 

 

отражатель

Рис. 5.12 (левый). Падающая камера абсолютного гравиметра JILA [189).

 

 

 

 

Рис. 5.13 (правый). Принцип суперпружины

абсолютного гравиметра JILA (189].

Для уменьшения влияний остаточного газа использован метод совмещенного падения

отражаml!ля и камеры (рис. 5.12). Падаюшее пробноетело (аллюминиевый цилиндр высо­

той 8,4 см, диаметром 3,2 см, весом 68 г со встроенным отражателем) расположено на

кинематическом подвесе в управляемой сервомеханизмом вакуумкроваиной баллистиче­ ской камере. При измерении эта камера падает внутри большой вакуумной камеры. Проб­ ное тело содержит сапфировый шарик, который служит коллиматором для оптического детектора положения. Последний содержит светодиод, установленный на камере, и фото­ детектор. В момент старта падаюшей вакуумной камере сообщается ускорение и она бы­ стро смешается вниз на 2 мм. Вслед за этим сапфировый шарик пересекает горизонталь­ ный световой пучок и возникает соответствующий сигнал, который через сервоусилитель и мотор управляет движением камеры таким образом, что она движется синхронно со свободно падающим отражателем. Итак, отражатель перемешается вместе с оставшимися в камере молекулами газа, а не сквозь них. Сервоскетема используется также для плавно­ го торможения пробной массы в конце пути и для возвращения ее в исходное положение. Благодаря быстрому возврату измерения можно повторять часто - через каждые 2 с. Прямолинейные направляющие на несущих опорах исключают возможность вращения nодвижной камеры в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Эта камера, как элек­ тропроводящая емкость, экранирует пробную массу от воздействия электростатических nолей. Магнитные возмущающие эффекты также отсутствуют, поскольку для удержания nробного тела не используются магнитные nодвески.

Для изоляции опорного отражателя от вибраций использована «сверхпружина» (рис. 5.13), представляющая собой систему с большим периодом (Т= 30-60с) собствен­ ных колебаний [565]. Обычная подвешенная вертикально пружина при Т = 60 с имела бы длину порядка километра, и потому столь большой период собственных колебаний дости­ гается средствами электроники. Точка подвеса главной nружины (длина примерно 30 см, Т= 1 с), несущей пробную массу, контролнруется сервосистемой. Эта система работает

так, что амплитуда колебаний пружины соответствует амплитуде пружины с большим периодом собственных колебаний, если ее обрезать на 30 см выше пробной массы. Глав­

НаJI пружина и пробнаJI масса поддерживаются кронштейном с двумя несущими пружина-

150

Глава 5

ми; кронштейн может смещаться по вертикали. Позиционно-чувствительная система

управляет перемещенИ.IIМи пробной массы. Усиленный выходной сигнал изменяет напря­ женность магнитного поля и перемешает рамку, а с ней и верхний конец пружины таким

образом, чтобы выполнялось сформулированное выше условие. Вся система суперпружи­ ны весит примерно 15 кг и размещается в цилиндре высотой 1 м. Пробная масса на пру­

жние содержит опорный отражатель интерферометра. Благодаря описанной системе ви­ броизоляции разброс результатов от пуска к пуску уменьшается в зависимости от уровня

микросейсм в 10-100 раз. Период собственных колебаний и демпфирование системы мож­

но регулировать электронными устройствами.

-Оптическая система сходна с системами других приборов. Пучок линейно­

поляризованного лазерного излучения проходит сквозь фокусирующую линзу, диафрагму

и коллиматор и падает на поворотное зеркало; это устройство позволяет настраивать ин­

терферометр. С помощью двух неподвижных зеркал, светаделителя и световода свет на­ правляется на падающий и опорный отражатели. Отраженные пучки образуют интерфе­

ренционную картину, регистрируемую светаприемником-высокоскоростным лавинным

фотодиодом.

Принцип измерений времени показан на рис. 5.5. Фотодиод генерирует моду­

лированный по частоте синусоидальный электрический сигнал, порождаемый ин­

терференционной картиной. Этот сигнал с помощью частотно-независимого де­

тектора перехода аналогового сигнала через нулевой уровень и пересчетного уст­

ройства преобразуется в последовательность 50 прямоугольных импульсов. Каж­ дый из этих импульсов соответствует отрезку пути в 6000 длин световых волн (12000 интерференционных полос или 3,8 мм). С помощью обычной электронной системы (электронный счетчик времени, управляемый рубидиевым стандартом

частоты) измеряются моменты прихода этих импульсов относительно момента

начала падения, результат заносится в память микрокомпьютера НР 200. Обра­ ботка данных (уравнивание) занимает 2 с, и поэтому 100 пусков можно сделать

менее чем за 4 мин. Ошибка линейных измерений остается в пределах 0,001 Л,

что соответствует 0,6 нм.

Оценка точности основана на случайном разбросе результатов серии пусков

и на анализе систематических ошибок. В зависимости от уровня микросейсм слу­

чайная ошибка ед-иничного измерения составляет ± 0,3-3 мкм -с- 2 , а для серии (50-150 пусков) равна ±0,1-0,2мкм·с- 2 • На каждом пункте выполняют 10-20

серий, случайная ошибка окончательного результата составляет ±0,01- 0,05 мкм·с- 2 Известные систематические ошибки приведены в табл. 5.4. Здесь

учтено влияние отдачи основания, обнаруженное при работе на неустойчивых

фундаментах и вызванное наклоном базы интерферометра. Реальная точность

±0,1 мкм-с- 2 подтверждается независимыми измерениями.

Из наблюдений гравиметричесхих земных приливов точность оценивается ошибкой

±0,06 мкм·с- 2 (рис. 5.14) [189]. Годичные измерення, выполн.IIВшиеся в JILA (Боулдер),

продемонстрировали высокую долговременную стабильность результатов; среднеквадра­

тическое отклонение составило ±0,1 мхм·с- 2• Эффективность прибора была окончатель­

но подтверждена при международных сравненних баллистичесхих гравиметров в МБМВ (см. табл. 5.1), а также измерениями в 1981 г. на 12 пунктах в США (общее время работы 8 нед, общее расстояние перевозок 20 000 км) [795]. Во время работ непрерывно поддержи­ вали вакуум. Разгрузка и установка аппаратуры занимали примерно 2 ч. После того как

примерно в течение 1 ч прибор принимал температуру окружающей среды, начинали на-

 

 

 

Абсолютные измерения силы тяжести

151

Таблица 5.4.

Известные источники систематических ошибок

 

абсолютного

гравиметра JILA

[435)

 

 

 

 

 

 

 

Источник

ошибки

Ошибка, нм ·с- 2

 

 

 

 

 

 

 

Длина

волны

лазера

10

 

 

Стандарт

частоты

5

 

 

Фазовый

сдвиг

15

 

 

Электростатические эффекты

10

 

 

Градиент

магнитного поли

5

 

 

Изменение давлении

10

 

 

Изменение температуры

10

 

 

Притижение

масс прибора

5

 

 

Изменение оптического пути

10

 

 

Врашение

 

10

 

 

Смешение

 

10

 

 

Наклон

светового луча

5

 

 

Отдача

основании

10

 

 

·nолнаа ер.

кв. ошибка

±34

 

 

 

 

 

 

 

 

 

блюдении. В зависимости от уровня микросейсм они длились от нескольких часов до су­

ток. Для демонтажа аппаратуры и погрузки достаточно примерно одного часа. Напряже­ ние питания 110 или 220 В, потребляемая мощность- 2 КВт.

В дальнейшем прибор совершенствовался (печатные электронные платы, бо­

лее прочные детали, изготовленные из цельного куска металла, более мошные компьютеры и т. д.) [508]. Начиная с 1986 г. испытываются или находятся в ра­ боте шесть абсолютных гравиметров малой серии. Они работают в различных организациях: JILA (Боулдер), Геологическая съемка Канады, Институт геодезии

Ганнаверского университета, Национальная геодезическая съемка и Боенно­

картографическое агентство (Хельсинки), Институт метеорологии и геофизики Венского университета.

Расположение частей прибора в рабочем состоянии показано на рис. 5.15 и 5.16. Камера, в которой происходит падение, устанавливается на складном шта­

тиве. Под камерой расположены интерферометр и элементы оптической схемы.

Там жеустановлена суперпружина, параллельная камере. Перед транспортиров­

кой всю систему (250 кг) разбирают и размешают в 8 ящиках (общий вес 450 кг). Ее перевозят в небольшом автофургоне, а для работы требуются 2 человека.

МКМ·с-2

+1

-2

 

 

Рис. 5.14.

 

 

Гравиметрические земные приливы по измеренним с

 

 

 

 

Змая

4 М8А

абсолютным гравиметром JILA [189).

152

Глава 5

 

 

Ионный

 

 

---------------,

 

насос

 

 

Вакуумна11

1,44 м

 

баnnистическаR

Рис. 5.15. Основные части и размеры абсолютного гравиметра JILA [189].

Рис. 5.16. Общий вид абсолютного гравиметра JIL.A, Институт геодезии 1 анноперекого университета:

а- гравиметр с суперпружиной и вакуумная камера на основании интерферометра; зубчатая

рейка суперпружины, сервомеханизм баллистической камеры, электронный блок измерения

времени, блок управления лазером и компьютер НР 9816; б- баллистическая камера; в­

интерференционные сигналы.

1,25 мм

Абсолютные измерения силы тяжести

153

Обратимся в опыту, приобретенному при работе с гравиметром JILAG-3 в Геодезическом институте Ганновера, и опишем усовершенствования прибора, сде­ ланные в этом институте [712, 713].

Ошибка частоты рубидиевого стандарта (EFRAТOM, модель FRK) составляет

5 х 10- 11 , его долговременная стабильность не хуже 10- 10 в год. Надежный и простой

в обрашении частотно-стабилизированный гелий-неоновый лазер (компания LASEANGEL,

модель RB 1) может излучать свет с одной из двух длин волн (красный или синий свет).

Средняя частота сохраняется постоянной в пределах 2 х 10- 9 в год. Его калибровку по

излучению лазера, стабилизированного по поглошению в йоде (долговременная стабиль­

ность 10- 12 ), необходимо выполнять каждые полгода или год. При работах с прибором непрерывно поддерживается вакуум (l О- 4 Па), а во время переезда ионный насос питается

от аккумулятора автомобиля. При установке на стабильном основании (изменение накло­ на в пределах нескольких угловых секунд за несколько часов) в помешениях, расположен­

ных на уровне земли, где поддерживается постоянная комнатная температура 15-25°

(в пределах ± 2 °С), получают результат с ошибкой в несколько сотых доnей мкм·с- 2

за 500-2000 пусков (время наблюдений 2-56 ч). На рис. 5.17 приведены гистограммы

уклонений от среднего для одного и того же пункта при разном уровне микросейсм. На

пунктах с сильными техногеиными микросейсмами рекомендуется работать ночью или в

выходные дни.

Для компьютера НР 9816 была составлена программа для оuенки результатов в ре­

альном масштабе времени и введения всех необходимых поправок (приливные изменения

силы тяжести с ошибкой ±0,01 мкм·с- 2 , влияние атмосферы и движений полюса, учет

конечной скорости света). Уменьшив частоту следования импульсов в 4000 раз, регистри­ руют счетчиком времени всего 200 импульсов пониженной частоты. Это соответствует фиксаuии 200 измерительных положений падающего отражателя, разделенных равными отрезками пути примерно в (4000 nолуволн излучения лазера). Микрокомпьютер

уравнивает результаты измерений в реальном масштабе времени и записывает значение

силы тяжести на дискету. Единичное измерение длится около 2 с; для передачи данных

и их обработки требуется еще 8 с. Таким образом, один uикл наблюдений занимает 10 с.

Блоки по 50 пусков при каждой длине волны излучения лазера (красная/синяя) объединя­ ют в полусерию; на пункте выполняют от 10 до 30 и более полусерий. Юстировку прибора обычно проверяют после каждых 10 полусерий. Табл. 5.5 содержит фрагмент журнала на­ блюдений на пункте.

Работу на nункте можно выполнить за одни сутки, при этом проuесс измерений nол­ ностью автоматизирован (вручную задают лишь количество серий наблюдений). Прира­

шение силы тяжести между эффективной высотой абсолютного гравиметра (0,8 м) и осно­

ванием измеряют двумя гравиметрами Ла Коста - Ромберга, снабженными электронны­

ми системами обратной связи. Ошибка этих измерений ±0,01-0,02 мкм·с- 2 (разд. 8.2.2).

г

 

 

 

 

 

20%

 

 

 

 

 

 

 

20%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10%

 

 

 

±1.90 мкм·с-2

10%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4мкм·с-2

 

 

 

 

 

 

 

 

-4

-2

о

2

-4

-2

о

2

 

4 МКМ·С-2

Рис. 5.17. Гистограмма результатов, полученных с гравиметром JILAG-3 (исходные данные те же, что

на рис. 5.6).

154

 

 

 

 

 

 

Глава 5

 

 

 

 

 

 

Таблица 5.5.

Фрагмент журнала наблюдений на пункте с абсолютным

гравиметром JILAG-3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Продолжительность программы около 2,5 ч

 

 

 

 

 

 

 

 

Количество

серий

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

Количество

измерений

в серии

 

 

 

 

50

 

 

 

 

Стартовый импульс счетноrо устройства

 

 

20

 

 

 

 

 

Импульс

останова счетного устройства

 

 

175

 

 

 

 

Пункт

 

 

 

 

 

 

 

Ганновер 101

 

 

 

Широта

 

 

 

 

 

 

 

52°, 39000

 

 

Долrота

 

 

 

 

 

 

 

9°,

71389

 

 

 

Высота

 

 

 

 

 

 

 

53,455

м

 

 

Давление,

ГПа

 

 

 

 

 

1014,2

 

 

 

Нормальное атмосферное давление, ГПа

 

 

1006,8

 

 

 

 

Поправка

за

давление,

нм · с - 2

 

 

 

 

29

 

 

 

 

 

Поправка

за движение

полюса, нм · с - 2

 

 

-9

 

 

 

Высота баллистической камеры над основанием, м

 

0,975

 

 

 

Высота плоскости относимости над основанием, м

 

0,806

 

 

 

Вертикальный rрадиент силы тяжести, не- 2

 

 

2850

 

 

 

 

1. Серия/лазер с красным излучением

 

 

 

 

 

 

 

 

Пуск

Времи,

g,

 

Прилив,

 

 

Zo.

 

 

Zo,

 

 

 

UT

мкм · с- 2

 

мкм . с - l

 

 

 

 

см/с

 

 

 

 

 

 

 

см

 

 

 

1

09:19:52

9812631,68

0,82

 

 

0,252600

 

 

15,062209

2

09:20:00

9812630,72

0,82

 

 

0,252775

 

 

9,882467

3

09:20:09

9812629,65

0,82

 

 

0,252074

 

 

10,048227

4

09:20:17

9812630,19

0,82

 

 

0,251796

 

 

14,864388

50

09:27:02

9812631,47

0,81

 

 

0,251021

 

 

14,765716

 

Лазер с красным излучением

 

 

 

 

Лазер с синим

излучением

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ср. кв. укл.,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

мкм·с-'

 

 

 

 

 

 

Серия

Начало

Число

g,

мкм . с - l

пуска

серии

Серия

Начало

Число

g, мкм. с - l

 

 

 

 

 

пусков

 

 

 

 

 

 

 

пусков

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

09:19:52

48

9812631,23

0,97

0,14

2

09:33:43

47

9812630,47

3

 

09:47:43

48

9812631,23

,76

,11

4

10:01:43

48

9812630,33

5

 

10:15:44

48

9812630,88

1,03

,15

6

10:29:44

49

9812630,39

7

 

10:43:44

47

9812630,97

,86

,12

8

10:57:46

49

9812630,40

9

 

11:11:46

47

9812631,14

,97

,14

10

11:25:47

49

9812630,48

 

 

 

 

Среднее:

9812631,09

 

 

 

 

 

 

 

 

Среднее:

9812630,75.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Среднеквадратическое

уклонение:

 

±0,03.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В 1986-1988 rr.

с этим прибором были выполнены абсолютные измерения примерно

на 80 пунктах в Центральной, Западной и Северной Европе, а также Гренландии и Венесуэ­

ле. На рис. 5.18 приведены результаты, полученные за двухлетний период на пункте Ган­

новер 101; сходимость результатов в пределах ±0,1 мкм·с- 2 • В табл. 5.6 приведены рас­

хождения с результатами измерений, выполненных абсолютным гравиметром Института метрологии им. Дж. Колонетти (Турин) (разд. 5.2.4). По этим данным и данным междуна­ родных сравнений в МБМВ (Севр) (см. табл. 5.1) точность оценивается ошибкой около

Абсолютные

измерения

силы тяжести

!55

НМ·с-2

t

 

 

 

+100

~

 

 

 

о

t

'

 

Среднее

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

1

 

-100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1986

 

1987

Год

 

Рис. 5.18. Значения силы тяжести в течение 2 лет, nолученные с гравиметром JILAG-3 на nункте 101

(среднее значение 9,81263308 м·с- 2), Институт геодезии, Ганновер.

Таблица 5.6. Сравнение наблюдений с nриборами JILAG-3 и IMGC (измерения с nрибором IMGC обработаны с величинами градиентов no данным Института геодезии, Ганновер) [712); результаты

no JILAG-3 исnравлены nоnравкой за коллимацию

+ 0,22 мкм · с- 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пункт

Дата

g

(JILAG-3),

g (IMGC),

Разность,

Разность после исклю-

 

 

 

мкм · с- 2

мкм. с - l

мкм. с- 2

чения систем расхож-

 

 

 

 

 

 

 

 

дения, мкм · с- 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Брауншвейг

86/03/27

9

812

529,36

... ,23

+0,13

+0,04

Гамбург

86/04/17

9

813

636,78

,92

-0,14

-0,23

Мюнхен

86/04/20

9

807

231,33

,28

+0,05

-0,04

Висбаден

86/04/22

9

8\0

368,67

,67

о

-0,09

Севр АЗ

86/06/07

9

809

259,35

,17

+0,18

+0,09

Коnенгаген

86/08/20

9

814

956,13

,82

+0,31

+0,22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Среднее:

+0,09

0,00

 

 

 

 

 

 

Ср. кв. расхождение:

±0,14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

±0,1 мкм·с- 2 , однако сравнения с другими приборами выявляют расхождения. Данные

табл. 5.6 позволяют также заключить, что систематические расхождения существенно

уменьшаются, если сравнивать расхождения после учета систематической ча<.-ти.

С 1984 г. Институт геофизики и планетарной физики Скриппсовского океано­

графического института при Калифорнийском университете (Сан-Диего, США)

применяет абсолютный гравиметр с несимметричным движением пробной массы

для изучения временных вариаций силы тяжести [797] (рис. 5.19). Основой этой

разработки был прототип гравиметра JILA (см. выше). Совершенствование при­

бора шло по пути обеспечения удобства работы, виброзашиты и дальнейшей ав­ томатизации. Измерительная система общим весом 250 кг обслуживается двумя

наблюдателями и транспортируется в трех контейнерах. Юстировка светового

пучка по вертикали выполняется по ртутному горизонту; установка на пункте

и подготовка к измеренИJiм сокращены до одного часа. Вывод данных на ком­

пьютер и автоматическое введение поправок позволяют выполнить одну серию

(100 пусков) за 18 мин. Затем учитывают влияние приливов, выполняют уравни­

вание результатов и их анализ. Объем измерений на пункте составляет 100 серий

и может быть выполнен за сутки. Применеине сейсмометра с периодом собствен-

156

Глава 5

Пробная Падающая

масса камера

Рис. 5.19. Гравимет-р IGPP снесимметричным движением Института геофизики и планетарной физики

(Скриппсовский океанографический институт, Калифорнийский университет) [797].

ных колебаний 1 с позволяет за два часа наблюдений уменьшить влияние вибра­

ций до 0,01 мкм·с- 2 Регистрируя микросейсмы и учитывая поправки, разброс

результатов от пуска к пуску можно дополнительно уменьшить.

В 1984-1985 rr. с прибором выполнены измерения на 15 пунктах в Калифорнии и

Неваде, ошибка измерений составила ± 0,08-0,23 мкм·с- 2 Планируется разместить при­

бор на подвижном носителе, что повысит производительность и гибкость метода (воз­

можность работы на линиях нивелирования), а также улучшит изоляцию баллистической

камеры от микросейсм.

5.2.4.Транспортабельные гравиметры с симметричным движением пробно~ массы

Транспортабельные абсолютные гравиметры с симметричным движением

пробной массы разрабатывались в двух институтах при сотрудничестве с МБМВ

(разд. 5.2.2).

С прибором Института метрологии им. Дж. Колонетти (Турин) [6, 95] на­ чиная с 1976 г. в разных районах мира определено более 50 пунктов.

Принципиальная схема прибора приведена на рис. 5.20. Уголкавый отража­ тель (элемент интерферометра с гелий-неоновым лазером, стабилизированным по провалу Лэмба) подбрасывается вверх катапультой и улавливается в конце

падения. Скорость вращения отражателя менее 0,01 рад/с, а отклонение светово­

го луча от вертикали менее 10- 4 рад); эффективная высота прибора 0,5 м. Про­

цесс измерений полностью автоматизирован и не требует вмешательства наблю­ дателя. Интерференционные полосы регистрируются двумя фотодетекторами,

которые управляют электронным счетчиком. Для измерения пройденного пути и времени используются реверсивный счетчик числа интерференционных полос

и два временных счетчика. Счет интерференционных полос начинается через не-

Абсолютные измерения силы тяжести

157

 

 

 

 

~'"""''::E--t""Onopный

r::f\==t::t:=~~::J отражатель

 

 

 

 

Сейсмо­

 

 

 

 

метр

Вакуумная-J..-

~-+~-ПодВИЖНЬIЙ

 

1

отражатель

камера

1

~

1

 

~

Рис. 5.20 (левый). Принцип гравиметра IMGC с симметричной схемой измерений Института метроло­ гии им. Дж. Колонетти, Турин [6).

Рис. 5.21 (nравый). Общий вид прибора IMGC (Институт метрологии им. Дж. Колонетти, Турив,

Италия).

сколько миллисекунд после начала подъема в момент прохождения отражателем

нижней измерительной станции. Первый временной счетчик измеряет время д/2

до момента второго прохождения этой же станции при падении (рис. 5.22). Вто­ рой временной счетчик сбрасывается на нулевое показание каждый раз, когда при подъеме достигается заданное целое число интерференционных полос, и прекра­ щает счет с появлением первой интерференционной полосы в начале падения. Эта полоса обнаруживается при смене фазы сигнала интерферометра на противо­ положную; временной интервал, измеренный этим. счетчиком, обозначен дt,. Ре­ версивный счетчик определяет количество интерференционных полос при подъ­ еме и при падении пробной массы. За последние два года измерительная схема двух станций заменена на многопозиционную схему. В приборе использованы два типа антивибрационных устройств. Опорный отражатель снабжен инерционным подвесом на рычаге вертикального сейсмометра с большим периодом собствен­ ных колебаний ( ~ 20 с). Кроме того, для зашиты от вертикальных вибраций ин­ терферометр установлен на трех пьезоэлектрических опорах, работающих как ак­ тивные компенсаторы. Эти меры позволяют уменьшить влияние микросейсм бо­

лее чем в 20 раз. Наблюдения стараются выполнять при низком уровне мик­

росейсм.

При транспортировке прибор, высота которого 1,4 м, размеры основания 0,5 х 0,5 м, вес 600 кг (рис. 5.21), разбирают на основные блоки (интерферометр,

вакуумираванный цилиндр), но вакуум поддерживают. В зависимости от уровня

микросейсм ошибка единичного измерения лежит в пределах ± 0,2-0,5 мкм ·с - 2 ,

а среднее из

серии наблюдений (20 пусков) имеет случайную ошибку

± 0,03 мкм·с - 2

Наиболее существенные систематические ошибки возникают из­

за погрешности определения длины волны излучения лазера ( ± 0,05 мкм ·с- 2 ), на­ клона светового пучка ( ± 0,05 мкм·с - 2 ), а также задержки сигнала в электронных цепях, влияющей на измерение времени ( ±0,03 мкм·с- 2 ). Ускорение силы тяже-

158

 

 

 

 

 

Глава 5

 

 

 

о

1

2

3

4

5

5

4

3

2

1 о

Интерферен­

'+IЖ"+t-Т+--т-t---мHI-++14-JЖ*~tционный

сигнал

t--------

а.t2------

~Счетчик

 

 

времени

Рис. 5.22. Привязка ко времени интерференuионных полос, гравиметр IMGC [788].

сти на пункте получают из 100 измерений с ошибкой ± 0,1 мкм ·с - 2 Сравнитель­

ные испытания в МБМВ (Севр) (см. табл. 5.1) и измерения в США подтверждают

эту оценку.

Большой объем измерений выполнен в Европе (рис. 5.23). В 1976-1977 г. определены

17 пунктов, часть из которых расположена на линии Катания - Хаммерфест; эти пункты

образуют гравиметрический эталонный базис, служат для контроля Мировой гравиметри­ ческой сети и являются основой для национальных гравиметрических сетей [108]. В 19781990 гг. определены 7 пунктов в Швейцарии: создана основа для национальной сети, со­ здан вертикальный эталонный базис, стало возможным изучение подН.IIтия Альп [436]; да­ лее в 1980 г. определены 4 пункта в Австрии, в 1979 и 1981 гг. два дополнительных пункта- в Италии в Триесте (сейсмический район Фриули) и близ Сиены (геотермальное поле Травале). В 1977 и 1980 гг. измерения проведсны также на 11 пунктах в США: в наци­ ональной опорной сети и сейсмоактивном районе Аляски [5]; в 1981 г. определены 11 пунк­ тов в Китае [788]. В ходе этих программ подтвердилась хорошая работа прибора при

различных условИ.IIХ транспортировки (автомашина, поезд, самолет). В последнем случае возникали некоторые сложиости из-за сотрясений и вибраций.

Первым коммерческим транспортабельным абсолютным гравиметром был

прибор GA 60 для измерений по симметричной схеме (типа прибора А. Сахумы), созданный французской компанией Jaeger S.A. (Отдел астронавтики) [586].

10°

Рис. 5.23. Абсолютные измерения силы тяжести в Европе в 1976-77 rr. с гравиметром IMGC (108].

Абсолютные измерения силы тяжести

159

Рис. 5.24. Гравиметр GA-60 с симметричной схемой движения (компания Jaeger S.A., Отдел аэронавти­

ки, Леваллуа-Перре, Франuия).

Рисунок 5.24 иллюстрирует принцип работы этого прибора. Положение под­ вижного отражателя (высота 5 см, вес 70 г) непрерывно регистрируют с по­ мощью интерферометра с лазером, стабилизированным по логлощению в йоде, и субнаносекундным цифровым преобразователем. За время движения отражате­

ля можно выполнить большое число измерений (около 1300). МикроЭВМ вычис­

ляет значения силы тяжести, ее вертикального градиента, коэффициент регрессии

между остаточным давлением и скоростью падения, а также влияния остаточных

вибраций интерферометра. Система виброизоляции аналогична применяемой в приборе IMGC (см. выше). Внешний вид прибора показан на рис. 5.25. Его об­ щий вес 400 кг, в рабочем положении прибор занимает площадь 0,9 х 0,9 м, его

высота 1,95 м. При транспортировке вакуум поддерживается ионным насосом.

После установки прибора (двумя наблюдателями за полдня) измерения можно

начинать после !О-мин прогрева. Чтобы ошибка результата стала меньше

±О,1 мкм ·с- 2 , достаточно сравнительно небольшого объема измерений (от 5 до

10 серий по 10-20 пусков в каждой серии) за 1-2 дня наблюдений.

Прибор применялея Французским бюро по исследованиям в области геологии и шахт (Орлеан) совместно с МБМВ для абсолютных определений на 6 пунктах гравиметрической сети Франции [514]. При 50-350 единичных измерениях на пункте точность по внутренней

Рис. 5.25.

Общий вид абсолютного гравиметра GA-60 (ма­

териал предоставлен компанией Jaeger S.A., От­ дел аэронавтики, Леваллуа-Перре, Франuия).