ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГРАВИТАЦИОННОЙ ПОСТОЯННОЙ Российский патент 2006 года по МПК G01V7/02 

Область техники

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения гравитационной постоянной - Gr, мировой физической константы, входящей в закон всемирного тяготения И.Ньютона, а также в качестве чувствительного вибратора с очень большим периодом колебаний для обнаружения гравитационных волн. Устройство предназначено для измерения периода колебаний гравитационного вибратора, который в дальнейшем интерполируется с искомым параметром - гравитационной постоянной.

Уровень техники

Известны устройства [1-4], которые предполагалось использовать для проведения гравитационных измерений.

Недостатком всех этих устройств является размещение пробных тел на весах Кавендиша в неоднородном гравитационном поле тяготеющих тел, причем малейшее смещение пробного тела приводит к изменению тяготеющей силы по довольно сложному закону. Этот недостаток частично преодолевается в устройстве, избранном нами в качестве прототипа [1].

Прототипом предлагаемого изобретения является устройство [1], в котором в качестве источника гравитационного поля используется массивная сфера со сферической полостью внутри, причем центры массивной сферы и полости смещены друг относительно друга, благодаря чему пробные тела маятника Кавендиша находятся в однородном или очень близком к однородному гравитационном поле, что позволяет повысить точность измерений.

Недостатком прототипа является необходимость измерять коэффициенты упругости нитей, на которых подвешиваются весы Кавендиша, что вносит дополнительную погрешность в измеряемую величину.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является создание прибора для измерения периода колебаний гравитационного вибратора, который в дальнейшем интерполируется с искомым параметром-гравитационной постоянной с большей степенью точности по сравнению с существующими.

Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в 1-м пункте формулы изобретения, общих с прототипом, таких как чувствительный элемент устройства для измерения гравитационной постоянной, включающий источник гравитационного поля и гравитационный вибратор, и отличительных существенных признаков, таких как источник выполнен в виде тяготеющего сфероидального тела, имеющего концентрическую сферическую полость и кольцевой вырез по плоскости большого круга, заполненный веществом с меньшей плотностью, чем плотность вещества тяготеющего тела, а в центре концентрической полости размещен гравитационный вибратор в виде стержня с двумя пробными телами, в середине длины которого размещен подшипник, содержащий ось, перпендикулярную оси стержня, на концах которой закреплены намагниченные шары из высококоэрцитивного магнитного материала и установлены кольца из сверхпроводящего материала, закрепленные неподвижно относительно тяготеющего тела.

Особенность выполнения - тяготеющего и пробных тел отражена в пункте 2 формулы изобретения, а именно тяготеющее тело выполнено из магнитомягкого материала, а пробные тела - из сплава, диамагнитная восприимчивость которого компенсирована парамагнитной восприимчивостью примесей.

Особенность выполнения внутренней стенки сферической полости нашла отражение в пункте 3 формулы, а именно стенки сферической полости имеют покрытие из материала-сплава пробных тел.

Указанные выше отличительные признаки каждый в отдельности и все совместно направлены на решение поставленной задачи - создание прибора для экспериментального определения гравитационной постоянной с большей степенью точности по сравнению с существующими и являются существенными. Использование предлагаемого сочетания существенных отличительных признаков в известном уровне техники не обнаружено, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими, известными обеспечивает решение поставленной задачи, является не очевидной для специалистов в данной области техники и свидетельствует о соответствии заявленного технического решения критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

Подобно прототипу [1], в качестве источника гравитационного поля используется массивная сфера со сферической полостью внутри, с тем отличием, что в предлагаемом устройстве центры массивной сферы и сферической полости совпадают, и в массивной сфере по плоскости большого круга сделан кольцевой вырез, заполненный веществом с меньшей плотностью, нежели плотность вещества, из которого изготовлена массивная сфера. Это приводит к тому, что гравитационное поле в полости имеет по общей оси "потенциальную яму", так, как будто в кольцевом вырезе размещена отрицательная масса. Эта особенность конструкции позволяют разместить в полости весы Кавендиша без применения упругих нитей или пружин, т.е. исключить из измерений коэффициент их упругости.

Для сохранения центрального положения оси поворотов весов Кавендиша и обеспечения только одной угловой степени свободы, а также исключения флуктуационных помех со стороны электрического поля предлагается применить подшипники [5, 6] следующего типа: взвешиваемое тело представляет собой постоянный магнит в виде сферы из самарий-кобальтового феррита, а упорная система - кольцевая группа из сверхпроводника. Наличие подшипника позволяет создать устойчивый подвес коромысла с пробным телом, то есть гравитационного вибратора.

Краткое описание чертежей

Сущность предлагаемого изобретения представлена на нижеследующих чертежах:

Фиг.1. Гравитационный вибратор с тяготеющим телом, имеющим концентрическую полость

Фиг.2. Схема размещения подшипника относительно пояса "отрицательной массы" в гравитационном вибраторе.

Осуществление изобретения

Чувствительный элемент устройства для измерения гравитационной постоянной (фиг.1) включает источник гравитационного поля и гравитационный вибратор. Источник выполнен в виде тяготеющего сфероидального тела 1 (например из стали), имеющего концентрическую сферическую полость 2 и кольцевой вырез 3 по плоскости большого круга, заполненный веществом с меньшей плотностью, чем плотность вещества тяготеющего тела, в результате чего создан пояс "отрицательной массы". В центре концентрической полости 2 размещен гравитационный вибратор (фиг.2) в виде стержня 4 с двумя пробными телами 5, в середине длины которого размещен подшипник 6, содержащий ось 7, перпендикулярную оси стержня 4, на концах которой закреплены намагниченные шары 8 из высококоэрцитивного магнитного материала и установлены кольца 9 из сверхпроводящего материала, закрепленные неподвижно относительно тяготеющего тела 1. В конструкции предусматриваются демпфирующие высшие гармоники колебаний индукционные экраны вокруг шаров 8, не показанные на чертежах.

Тяготеющее тело 1 выполняется из магнитомягкого материала, а пробные тела 5 - из сплава, диамагнитная восприимчивость которого компенсирована парамагнитной восприимчивостью примесей.

Стенки сферической полости 3 имеют покрытие 10 из материала-сплава пробных тел.

Устройство работает следующим образом. Сферические магниты 8 на концах оси 7 вибратора наводят в сверхпроводящих неподвижных кольцах 9 индукционные токи, создающие устойчивый подвес коромысла 4 с пробными немагнитными телами 5, имеющими также сферическую форму. В одиночном тяготеющем теле 1 со сферической полостью 2 существует минимум потенциальной энергии тяготения пробного тела 5 гравитационного диполя и тяготеющего тела 1. Гравитационный диполь имеет собственную частоту колебаний как функцию значения гравитационной постоянной, так и амплитуды угловых колебаний. Влияние упругости нити на точность измерений - исключено. Под действием какого-либо внешнего возмущения, например толчка или начального отклонения от положения равновесия, гравитационный вибратор начинает колебаться, причем фиксируются моменты его прохождения через положение равновесия, то есть через точку минимальной потенциальной энергии с очень малым затуханием в вакууме. Так как поле гравитационного пояса отрицательной массы может быть точно вычислено, то в расчете промежутков времени между отдельными прохождениями через положение равновесия будет всегда фигурировать гравитационная постоянная Gr. Период колебаний гравитационного диполя может составлять до десяти часов, а измерение времени можно производить с точностью до 10^-4-10^-5 сек, используя несложные приборы, поэтому гравитационный вибратор может послужить прибором для измерения гравитационной постоянной с большей точностью, чем производилось до сих пор. Другое возможное применение гравитационного вибратора - использование его в качестве чувствительного элемента для обнаружения гравитационных волн в силу большого собственного периода колебаний и малого декремента затухания.

Преимуществом конструкции является значительно большая энергия собственных колебаний и однородность гравитационного поля взаимодействия в эксцентрической полости 2.

В рассматриваемом устройстве предлагается осуществить ряд мер по уменьшению влияния различных факторов на точность измерений. Первое, что необходимо сделать - уменьшить влияние магнитного поля. Для достижения этой цели тяготеющее тело 1 выполняется из магнитомягкого материала, экранирующего полость 2, а пробное тело 5 - из диамагнитного по известному способу.

Уменьшить влияние электрического поля, которое может вызываться [7] контактной разностью потенциалов между материалом полости 2 и тяготеющего тела 1 и пробными телами 5, можно путем создания идентичных покрытий поверхности полости 2 и пробного тела 5 и периодическим замыканием их друг на друга через пластинки реле.

Результаты программного расчета предлагаемого устройства сведены в таблицу:

№ п/пВеличинаЗначениеРазмерность1Радиус тяготеющего тела1,2  Радиус сферической полости в тяготеющем теле1,0м2Величина зазора между ними0,1м3Общая масса тяготеющего тела1081кг4"Отрицательная масса" обода-53,9кг5Масса пробных тел0,1кг6Максимальная энергия вибратора1,19·10^-9Дж7Флуктуационная энергия вибратора для т-ры Дебая5,8·10^-22Дж8Период колебаний вибратора25528,9сек7,091час9Возможная точность измерений0,00039%10Увеличение точности по сравнению с современной:в 3,6 раз. 

Конструкция сателлита, на котором предлагается установить вышеописанный прибор, должна обеспечивать изотермичность температуры пространства расположения прибора при температуре жидкого азота.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.

1. В.Н.Рыбин и А.Е.Синельников. "Способ поверки гравитационных приборов и устройство для его осуществления". МПК G 01 V 7/00, №175 6844 А1, 11.03.90.

2. К.Уилл. "Теория и эксперимент в гравитационной физике". - М.: Энергоатомиздат, 1985, 292.

3. Косинов Н.В. "Константные базисы физических и космологических теорий". Физический вакуум и природа. № 5, 2002, с.69-103, http://rusnauka.narod kosinov-n/13/.

4. А.с. СССР № 1083795, МПК G 01 V 7/02. В.А.Чаркин и Ф.Ф.Менде. "ГРАВИМЕТР", 07.07.86. Бюл.№ 25.

5. WO 2004020942, G 01 V 7/00. Barrot Francois. Moser Roland. Sandner Jan "DIAMAGNETIC LEVITATION SYSTEM" 2004-03-11.

6. Pat. US4935883 Hulsing||Rand H (US) "Apparatus und method for leveling a gravity measurement device." G 01 V 7/00, 1990-06-19.

7. В.Б.Брагинский, А.Б.Манукин. "Измерение малых сил в физических экспериментах". М.: "НАУКА", 1974, 152 с.

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано при измерении гравитационной постоянной. Чувствительный элемент устройства для измерения гравитационной постоянной включает источник гравитационного поля и гравитационный вибратор. Источник выполнен в виде тяготеющего сфероидального тела, имеющего концентрическую сферическую полость и кольцевой вырез по плоскости большого круга, заполненный веществом с меньшей плотностью, чем плотность тяготеющего тела. В центре концентрической полости размещен гравитационный вибратор в виде стержня с двумя пробными телами. В середине длины стержня размещен подшипник. Тяготеющее тело выполнено из магнитомягкого материала, а пробные тела - из сплава, диамагнитная восприимчивость которого компенсирована парамагнитной восприимчивостью примесей. Стенки сферической полости имеют покрытие из материала - сплава пробных тел. Технический результат: повышение точности измерения гравитационной постоянной. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Чувствительный элемент устройства для измерения гравитационной постоянной, включающий источник гравитационного поля и гравитационный вибратор, отличающийся тем, что источник выполнен в виде тяготеющего сфероидального тела, имеющего концентрическую сферическую полость и кольцевой вырез по плоскости большого круга, заполненный веществом с меньшей плотностью, чем плотность тяготеющего тела, а в центре концентрической полости размещен гравитационный вибратор в виде стержня с двумя пробными телами, в середине длины которого размещен подшипник, содержащий ось, перпендикулярную оси стержня, на концах которой закреплены намагниченные шары, выполненные из высококоэрцитивного магнитного материла, и установлены кольца из сверхпроводящего материала, закрепленные неподвижно относительно тяготеющего тела.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тяготеющее тело выполнено из магнито-мягкого материала, а пробные тела - из сплава, диамагнитная восприимчивость которого компенсирована парамагнитной восприимчивостью примесей.3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что стенки сферической полости имеют покрытие из материала-сплава пробных тел.