Сверхпроводящий гравиметр Советский патент 1990 года по МПК H01L39/16 G01V7/02 

Изобретение относится к измерительной техникеJ в частности к гравиметрическим устройствам для прецизионных измерений изменений силы тяжести,

Целью изобретения является повышение стабильности работы гравиметрвс

На фиг.1 схематично изображен чувствительный элемент предлагаемого гравиметра; на фиг,2 и 3 - два варианта выполнения гравиметра,

В обоих случаях чувствительный элемент гравиметра содержит сверхпроводящий цилиндрический СВЧ резонатор 1 с подвижной торцовой стенкой, вы10

(например, из алюминия) и изнутри отполирован. Резонатор 1 с шаром 2, соленоид 3 окружены.сверхпроводящим цилиндрическим экраном 9, прикрепленным к верхней части корпуса резонатора 1, Причем внутренний диаметр экрана 9 составляет 1,,5 внешнего диаметра цилиндра 4, Этим уменьшается давление магнитного поля на соленоид 3, так как магнитные поля снаружи и внутри соленоида 3 будут в этом. чае приблизительно одинаковыми. По-- верх сверхпроводящего экрана 9 равномерно расположена обмотка подогрети перевода сверхпроводящего подвеса в нормальное состояние в процессе его настройки и для его термостабилизации во время работы гравиметра,

полненной в форме inapa 2 из сверхпро- вателя 10 для обеспечения возможнос- водящето материала (фиГв1), Диаметр шара 2 выбирается таким образом, чтобы между ним и стенкой резонатора 1.оставался зазор, приблизительно ; равшгй 1 мм. Это позволяет обеспечить20 Экран 9 вместе с установленными в свободное перемещение шара 2 при сох- нем элементами 1-8 окружен герметич- ранений .высокой добротности резонатора К Шар 2 свободно подвешен в магнитном Поле сверхпроводящего.коротконым корпусом 11, выполненным в виде вакуумированного двухстенного цилиндра 12, между крышкой 13 которого и

замкнутого соленоида 3. Обмотка соле- выступающей верхней частью корпуса .

НОИД1 3 расположена на цилиндре 4, резонатора -1 расположен вакуумный

внутрь которого введен шар 2, и вы- зазор 14„ Корпус оезонатора .1 соеди-т

полнена в виде двух последовательно

соединенных секций, внешней 5 и внутнен с крьш1кой 13 посредством втулки 15 из материала с низкой теплопроренней 6. Секции 5 6 расположены од- водностью (например, из фторопласта), на поверх другой , нижние края их сов7 образующей тепловой мост с большим падают. Длина внешней секции 5 сое- тепловым сопротивлением. Это обес- тавляет 0,5-0,9 диаметра шара 2, а печивает квазистабильный - емператур- длина внутренней секции 6 больше дли- «ьй режим всего датчика гравиметра, ны внешней секции 5 на 1-1,3 диамет- 35 так как все его элементы выполнены

ра шара 2,

Выбор таких размеров был обусловлен необходимостью создания конфигу40

радии поддерживающего шар 2 магнитного .ПОЛЯ, при котором создается широкая зона минимальной вертикальной жесткости сверхпроводящего подвеса при устойчивом положении шара 2, Поверх обмотки верхней секции 5 распо- 45 0,8 Не), ложена-сверхпроводящая обмотка .демпфирующей катушки 7, Тонкостенный металлический цилиндр 4 прикреплен к верхней части корпуса резонатора 1 посредством жестко соединенного с ним 50 соленоида 3, выполненным из металла -с металлического тонкостенного цилинд- высокой проводимостью, имеет зазор ра 8, Цилиндр 8 охватывает корпус 17 шириной vQ, ,2 мм. Это обеспёчи- резонатора 1 , Причем диаметр полос- ти резонатора 1 равен внутреннему диаметру цилиндра А Жестко соединен-55 электромагнитное поле, что позволяет ные цилиндры 4s, 8 представляют, собой исключить-потери на постоянном токе каркас сверхпроводящего соленоида 3„ Цилиндр 4 изготовлен из немагнит- кого ме,талла с высокой проводимостью

из металла с высокой тецлопроводнос- тьюа Герметичный корпус 11 расположен в гелиевой .ванне криостата (не показано) . Внутри цилш.дра 4 укреплена опора 16 шара 2, В области меаду нижней торцовой стенкой резонатора 1 - шаром 2 и каркасом соленоида 3 величина напряженности-магнитного поля близка к критическому полю Не (,3- Для исключения потерь на . постоянном токе нижняя часть корпуса ;резонат.ора 1 скруглена, а между резонатором- 1, выполненным .из cfeepx проводящего материала, и каркасом

вает отсутствие контакта металл- сверхпровоДник в местах, где имеется

и практически устранить взаимное влияние полей резонатора 1 и соленоида 3.0

(например, из алюминия) и изнутри отполирован. Резонатор 1 с шаром 2, соленоид 3 окружены.сверхпроводящим цилиндрическим экраном 9, прикрепленным к верхней части корпуса резонатора 1, Причем внутренний диаметр экрана 9 составляет 1,,5 внешнего диаметра цилиндра 4, Этим уменьшается давление магнитного поля на соленоид 3, так как магнитные поля снаружи и внутри соленоида 3 будут в этом. чае приблизительно одинаковыми. По-- верх сверхпроводящего экрана 9 равномерно расположена обмотка подогрети перевода сверхпроводящего подвеса в нормальное состояние в процессе его настройки и для его термостабилизации во время работы гравиметра,

вателя 10 для обеспечения возможнос- Экран 9 вместе с установленными в нем элементами 1-8 окружен герметич-

0,8 Не), соленоида 3, выполненным из металла -с высокой проводимостью, имеет зазор 17 шириной vQ, ,2 мм. Это обеспёчи- электромагнитное поле, что позволяет исключить-потери на постоянном токе

из металла с высокой тецлопроводнос- тьюа Герметичный корпус 11 расположен в гелиевой .ванне криостата (не показано) . Внутри цилш.дра 4 укреплена опора 16 шара 2, В области меаду нижней торцовой стенкой резонатора 1 - шаром 2 и каркасом соленоида 3 величина напряженности-магнитного поля близка к критическому полю Не (,3- Для исключения потерь на . постоянном токе нижняя часть корпуса ;резонат.ора 1 скруглена, а между резонатором- 1, выполненным .из cfeepx проводящего материала, и каркасом

0,8 Не), соленоида 3, выполненным из металла -с высокой проводимостью, имеет зазор 17 шириной vQ, ,2 мм. Это обеспёчи- электромагнитное поле, что позволяет исключить-потери на постоянном токе

вает отсутствие контакта металл- сверхпровоДник в местах, где имеется

0,8 Не), соленоида 3, выполненным из металла высокой проводимостью, имеет зазор 17 шириной vQ, ,2 мм. Это обеспёч электромагнитное поле, что позволяе исключить-потери на постоянном токе

и практически устранить взаимное влияние полей резонатора 1 и соленоида 3.0

На фнг.2 резонатор 1 подключен гз цепь положительной обратной связи СВЧ усилителя 18, образуя СВЧ автогенератор 19. оыход СБЧ автогенератора 19 соединен с частотомером 20 и подключен к демпфирующей катушке 7 посредством цепи управления, состоящей из последовательно соединенных частотного детектора 21, фазо- корректирующей цепи 22, усилителя 23 постоянного тока и развязывающего трансфррматора 24.

На фиг.З резонатор 1 подключен в цепь положительной обратной связи СВЧ усилителя с амплитудой модуляции и переносом усиления на промежуточную частоту (не показан), образуя СВЧ автогенератор 25, В состав СВЧ усилителя с амплитудной модуляцией и переносом усиления на промежуточную частоту входит СВЧ генератор 26, (например, отражательный клистрон), подключенный одновременно к смесителю 27 и амплитудному модулятору 28, мелдду которыми включен усилитель 29 промежуточной частоты. Резонатор 1 подключен мевду смесителем 27 и амп- лйтудным модулятором 28. СВЧ выход автогенератора 25 (выход СВЧ генератора 26) подключен к частотомеру 20. Выход промежуточной частоты автогенератора 25 (т.е. выход усилителя 29 промежуточной частоты) подключен к демпфирующей катушке 7 посредством

него края нижней секани 6 соле-юидл 3., составляющем 0,7-1 радиуса шлра 2 При этом шар 2 оказывается в зоне с максимальной однородностью маг- с нитного поля, а сверхпрояодлший подвес имеет минимальную вертикальную жесткость, о чем свидетельствует измеряемый при зтом минимум частоты собственных колебаний сверхпровс.дяfO щего подвеса. После установления оптимального режима функционирования сверхпроводящего подвеса соленоид 3 переводится в режтт циркулирующего тока (режим короткого зам- гкания) с

t5 помощью теплового ключа (не показан) Обмотка соленоида 3 в состоянии сверхпроводимости обладает нулевым омическим сопротивлением. Если она замкнута накоротко, то наведенный в

2Q ней электрический ток циркулирует сколь угодно долго и его магнитное поле остается стабильным. Положение шара 2 определяется одновременным действием на него силы со стороны удерживающего его во взвешенном состоянии магнитного поля соленоида 3 и силы тяжести. При изменении ускорения силы тяжести положелие шара 2 изменяется, что приводит к изме нению размеров резонатора 1, торцово йтенкой которого является гаар 2. При этом изменяется резонансная частота резонатора 1.

В первом варианте выполнения гра25

це-пи управления, состоящей из после- 35 виметра (фиг,2) при изменении резо- довательно соединенных фазового дете- нансной частоты резонатора 1 изменя- ктора 30, фазокорректирующей Цепи 31, усилителя 32.постоянного тока и раз- вязыва ощего трансформатора 33. При этом СВЧ автогенератор 25 подключен 0 в систему фазовой автоподстройки частоты СВЧ генератора 26, т.е. выход соединенного с опорным кварцевым генератором 34 фазового детектора 30 подключен через фильтр 35 нижних час-45 никает сигнал ошибки на частотном тот к электроду управления частотой детекторе 21. Этот сигнал ошибки по- (не показан) СВЧ генератора 26.

ется частота СВЧ автогенератора 19, измеряемая частотомером 20, По изменению fIacтoты СВЧ автогенератора 19 можно судить однозначно об изменении силы 1тяжести. В случае воздействия на шар 2 вибрации или других помех, приводящих к вертикальным колебаниям его возле положения равновесия, воз-

дается через фазокорректирующую цепь 22 на усилитель 23 постоянного тока, а далее через развязывающий трансформатор 24 на обмотку демпфир ующей катушки 7. Вследствие наличии отрицательной обратной связи в демпфирующей катушке 7 возникает управляющий ток, создаюший маг итное поле, устраI

Сверхпроводящий гравиметр работает следующим образом,50

В момент охлаждения системы гравиметра до гелиевых температур шар 2 лежит на опоре 16. После перевода резонатора 1 с шаром 2 и секций 5,

дается через фазокорректирующую цепь 22 на усилитель 23 постоянного тока, а далее через развязывающий трансфор матор 24 на обмотку демпфир ующей катушки 7. Вследствие наличии отрицательной обратной связи в демпфирующей катушке 7 возникает управляющий ток, создаюший маг итное поле, устра6 обмотки соленоида 3 в сверхпрово- 55 няющёе колебания шара 2 вокруг поло- дящее состояние в соленоид 3 подает- жения его равновесия. Регулировка ся ток, вел1гчина которого подбирается таким образом, чтобы центр шара 2

степени демпфирования возможных колебаний шара 2 под действием помех осу- ществ,пяется регулировкой коэ4)фициенрасположился на расстоянии от верх

него края нижней секани 6 соле-юидл 3., составляющем 0,7-1 радиуса шлра 2. При этом шар 2 оказывается в зоне с максимальной однородностью маг- с нитного поля, а сверхпрояодлший подвес имеет минимальную вертикальную жесткость, о чем свидетельствует измеряемый при зтом минимум частоты собственных колебаний сверхпровс.дяO щего подвеса. После установления оптимального режима функционирования сверхпроводящего подвеса соленоид 3- переводится в режтт циркулирующего тока (режим короткого зам- гкания) с

5 помощью теплового ключа (не показан). Обмотка соленоида 3 в состоянии сверхпроводимости обладает нулевым омическим сопротивлением. Если она замкнута накоротко, то наведенный в

Q ней электрический ток циркулирует сколь угодно долго и его магнитное поле остается стабильным. Положение шара 2 определяется одновременным действием на него силы со стороны удерживающего его во взвешенном состоянии магнитного поля соленоида 3 и силы тяжести. При изменении ускорения силы тяжести положелие шара 2 изменяется, что приводит к изменению размеров резонатора 1, торцовой йтенкой которого является гаар 2. При этом изменяется резонансная частота резонатора 1.

В первом варианте выполнения гра5

виметра (фиг,2) при изменении резо- нансной частоты резонатора 1 изменя- никает сигнал ошибки на частотном детекторе 21. Этот сигнал ошибки по-

ется частота СВЧ автогенератора 19, измеряемая частотомером 20, По изменению fIacтoты СВЧ автогенератора 19 можно судить однозначно об изменении силы 1тяжести. В случае воздействия на шар 2 вибрации или других помех, приводящих к вертикальным колебаниям, его возле положения равновесия, воз-

виметра (фиг,2) при изменении резо- нансной частоты резонатора 1 изменя- никает сигнал ошибки на частотном детекторе 21. Этот сигнал ошибки по-

дается через фазокорректирующую цепь 22 на усилитель 23 постоянного тока, а далее через развязывающий трансформатор 24 на обмотку демпфир ующей катушки 7. Вследствие наличии отрицательной обратной связи в демпфирующей катушке 7 возникает управляющий ток, создаюший маг итное поле, устраняющёе колебания шара 2 вокруг поло- жения его равновесия. Регулировка

няющёе колебания шара 2 вокруг поло- жения его равновесия. Регулировка

степени демпфирования возможных колебаний шара 2 под действием помех осу- ществ,пяется регулировкой коэ4)фициента усиления усилителя 3 постоянного тока. Фазокорректирующая цепь 22 позволяет сохранить устойчивость работы системы демпфирования при большом коэффициенте демпфирования возможных колебаний шара 2 вокруг положения его равновесия, . .

Во втором варианте выполнения гравиметра (фиГоЗ) при изменении резонансной частоты резонатора 1 ,, обусловленной изменением положения шара 2 за счет изменения ускорения силы тя- жести изменяется частота СВЧ автогенератора 25, выполненного на основе СВЧ усилителя с амплитудной модуляцией и переносом усиления на промежуточную частоту По автогенератору 25 осуществляется фазовая автоподстройка частоты СВЧ генератора 26 изменения частоты которого фиксируются частотомером 20 и свидетельствуют об изменении ускорения силы тяжести.

Частота генератора 26 fc определяется резонансной частотой резонатора 1 fp, и отличается от нее на величину промежуточной частоты Fj, на которую настроен усилитель 29 промежуточной чистоты и которая равна частоте кварцевого генератора 34 fp. f ± F, При этом учитывается на какой из боковых составляющих спектра амплитудного модухгятора 28 („ + F или fр .- F) работает автогенератор 25, Сигналы с усилителя 29 промежуточной частоты и опорного кварцевого генератора 34 поступают на фазовый детектор 30 с выхода которого сигнал ошибки подается для автоподстройки

цепь 31 позволяет сохранить устойчи вость работы системы демпфирования при большом коэффициенте демпфирова ния возможны;} колебаний шара 2 вок5 руг положения его равновесия под де ствием помех.

Предлагаемый гравиметр отличаетс высокой стабильностью работы, т.е. при воздействии помех он обладает в

JO сокой чувствительностью} широким ди намическим диапазоном и малым дрейфом нуль-пуцкта.

Формула изобретени

f5 I Сверхпроводящий гравиметр, со держащий соединенный с частотомером СВЧ автогенераторJ выполненный на основе СВЧ усилителя, в цепь положи тельной обратной связи которого

2Q включен сверхпроводящий СВЧ резонатор, размещенный в герметичном кор- ггусе вместе со сверхпроводящим ко- роткозамкнутым соленоидом, в магнитном поле которого подв ешена ниж25 Няя подвижная торцовая стенка резокагора, к корпусу которого прикреплен каркас соленоида, отличаю щийся TeMj чтод с целью повыше мня стабильности работы гравиметра,

3о каркас соленоида выполнен в виде дв разнесенных.по высоте цилиндров,- ве НИИ из которых охватьгоает корпус рез натора диаметр полости которого ра вен внутреннему дйайетру нижнего из

,i- цилиндров, на котором расположена о мотка соленоида 5 выполненная из дву последовательно соединенных секций, внешней и внутренней, причем их ниж ние края совпадаютJ длина внешней

частоты СВЧ генератора 26 и для демп- 40 секции составляет 0,5-0,9 диаметра

фирования возможных вертикальных колебаний шара-2 вокруг положения ег.а равновесия в случае воздействия на шар 2 вибрации или других помех, Сигнал ошибки j возникающ1- й в фазовом , детекторе. 30, через последовательно соединенные фазокорректирующую цепь 315 усилитель 32 постоянного тока и развязывающий трансформатор 33 . ется на обмотку демпфирующей катушки 7 и вызывает в н ей появление управляющего тока, устраняющего колебание шара 2 вокруг положения равновесия создающимся магнитным полеме Регулировка степени демпфирования возможных колебаний шара 2 под действием помех осуществляется регулировкой коэффициента усиления усилителя 32 постоянного тока, Фаэркорректирующая .

цепь 31 позволяет сохранить устойчивость работы системы демпфирования при большом коэффициенте демпфирования возможны;} колебаний шара 2 вокруг положения его равновесия под действием помех.

Предлагаемый гравиметр отличается высокой стабильностью работы, т.е. при воздействии помех он обладает высокой чувствительностью} широким динамическим диапазоном и малым дрейфом нуль-пуцкта.

Формула изобретения,

I Сверхпроводящий гравиметр, содержащий соединенный с частотомером СВЧ автогенераторJ выполненный на основе СВЧ усилителя, в цепь положительной обратной связи которого

включен сверхпроводящий СВЧ резонатор, размещенный в герметичном кор- ггусе вместе со сверхпроводящим ко- роткозамкнутым соленоидом, в магнитном поле которого подв ешена ниж Няя подвижная торцовая стенка резо . кагора, к корпусу которого прикреплен каркас соленоида, отличающийся TeMj чтод с целью повыше- мня стабильности работы гравиметра,

каркас соленоида выполнен в виде двух разнесенных.по высоте цилиндров,- верх НИИ из которых охватьгоает корпус резонатора диаметр полости которого равен внутреннему дйайетру нижнего из

цилиндров, на котором расположена обмотка соленоида 5 выполненная из двух последовательно соединенных секций, внешней и внутренней, причем их нижние края совпадаютJ длина внешней

выполненной в виде шара подвижной торцовой стенки, а длина, внутренне секции больше длины внешней секции на 1-1,3 диаметра шара, при ,этсУМ выход СВЧ автогенератора посредством цепи управления подключен к демпфирующей катушке; расположенной поверх обмотки соленоида,

2,Гравиметр по п.-I, о т л чающийся теМе что цепь управления выполнена- в виде последователько соединенных частотного детектора. фазокорректирующей цепи, усилителя постоянного тока и развязывающего трансформатора,

3,Гравиметр по п,1, о т л и ч а - ю щ и и с я тем, что цепь управления выполнена в виде последовательно соединенных фазового детектора, фазокор7К ЙЧ ПЬ

ректирующей цени, усилите.мя I IOC.TOHH- ного тока и разияяынающегр трансформатора и подсоединена к выходу промежуточной частоты СВЧ автогенератора, выполненного на основе СВЧ усилителя 5 с амплитудной модуляцией и переносом усилителя на промежуточную частоту.

Ь

,

4, Гряииметр г.о riH.I-l, о т л ч а ю п; и и с п тем, что герметим- .. ный корпус выпо. пи и в ниде плкууьт- рованного двухстепиого пилмидра, между крьппкой которого и перхнкй частью корпуса резояаторл расположен ра- куумный зазор.

Изобретение относится к гравиметрическим устройствам для прецизионных измерений изменений силы тяжести. Целью изобретения .является повышение стабильности работы гравиметра. Эта цель достигнута целым рядом конструктив} ых особ еин остей предлагаемого устройства. Основным из них является выполнение нижней торцово | стенки резо} атора в виде сверхпроводяшего шара, что позволяет избавиться от илиянин перекосов Г Той стенки. Магнитная система пол,песа представляет собой соленоид, вмпол- ненный КЗ двух цил 1идров, верхнего и нижнего Верхний охватывает корпус резонатора. Внутренний диаметр нижнего равен диаметру полости резонатора. На нижнем намотаны две секции обмотки, внешняя и внутренняя. Нижние края их совпадают, длина вней- ней секции составляет 0,,9 диаметра шаровой торцовой стенки. Длина внутренней секции больше длины внешней секции на ;-1,3 диаметра этого шара. Такое выполнение позволяет расподожить шар при работе в зоне максимальной однородности поля, а сверхпроводящий подвес при этом имеет минимальную вертикальную жесткость.Описанные в форме изобретения схемы выполнения цепей управления способствуют достижешда цели, так как позволяют сохранить устойчивость системы демпфирования при большом коэффициенте демпфирования колебаний торцовой стенки-под действие -; помех. 3 з.п. ф-лы, 3 HjT. а (О к: ос ос Сл: ос с:

f6

фиг.1

Редактор Н.Суханова

Фиг.З

Составитепь А,Ваганов Техред В о Кадар

Заказ 4355Тираж 455Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Произподгтпенно- полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул, 111 пг;ктная, 4

Корректор Т,Колб