Гравиметр Советский патент 1981 года по МПК G01V7/02 

(54) ГРАВИМЕТР

- I - . Изобретение относится к гравиметрии, а именно к статическим гравиметрам для долговременных измерений вариаций силы тяжести. Известны гравиметры, в которых в качестве чувствительного элемента испопь- зуется сверхпроводящая сфера, а вместо обычной механической используется магнитное поле двух, или более короткозамкнутых сверхщзоводящих соленоидов. Сверхпроводящая сфера находится во взвешенном состоянии, когда выталкивающая сила, действующая на нее со стороны магнитного поля, компенсирует силу тяжести так, что мерой изменения последней служит отклонение сферы от положения равновесия Tl. Недостатком известных устройств является необходимость тщательного изготовления чувствительного элемента сверхпроводящей сферы, так как малые отклонения от сферической формы приводя к действию дополнительных моментов сил что ведет к повышению уровня собственНЬ1Х щумов прибора. Известен также гравиметр, содержащий чувствительный элемент, выпол 1енный из сверхпроводящего материала, электрокшгнитную систему подвеса, арретирующий механизм и отсчетное устроПстпо, в котором установлен изготовлен1а.гй нз сверхпроводящего материала стакан с продольными вьфезами, в гттором размещен чувствительный элемент, выполненный в форме кольца и снабженный электропроводящим вкладышем. Кольцевой чувствительный элемент .;подвещивается в магнитном поле короткозамкнутого сверхпроводящего соленоида, ось которого совпадает с осью симметрии чувствительного элемента, причем силой, компенсирующей действие силы тяжести, является сила притяжения между сверхпроводящим соленоидом и кольцевым чувствительным элементом. Однако Б условиях долговременных измерений которые необходимы при исспеаоваыин вековых .вариациА силы тяжести, uohocTiiMo усгр()Пстпа облпдиют ноаостаТОЧ11ОЙ стабшшностью магнитного подвеса, что пршюднт к заметному дрейфу нуль-пункта гравиметра. Например, в условиях работы гравиметра, наблюдаемый дрейф положения чувствительного элемента 13 поддержигшюшем магнитном .поле соответствует ш-носительному изменению ускорения силы тяжести лcj/cf ; 5х10 1/ч. Основным источником наблюпаемой нестабильности NtariraTHoro подпеса чувствительного элемента является уменьшение со временем вел1гшны тока, циркулирующего в короткозамк гутых поддерживающих катушках. Возможным ме анизмом, приводяшим к спаду тока, я1У1яется частичное npoHiLKHOBOinto магнитного ПОЛЯ в материал сверх1ф014онящей 1ФОВОЛОКИ, образующей катушку, которое происходит при вели чине напряженности магнитного поля превышающей нижнее критическое значение Hj;., определяющее границу эффекта Мейоснора для сверхпроводников второго рода. Для реально используемого материал, мотки поддерживающих катушек величина;. HC является относительно малой, так что эффективный режим работы магнитного по веса у известных устройств обеспечивается D магнитных полях с напряженностью Н 7 HCT« Режим работы с Н Н может существенно повысить стабильность магнитного подвеса чувствительного элемента, однако при этом повысится эффективная жесткость магнитной .пружины, что приведет к снижению достигнутой чувстви тельности известных устройств. Целью изобретения является повышение стабильности магнитного подвеса чувствительного элемента. Цель достигается тем, что в гравимет ре, содержащем чувствительный элемент, выполненный в виде сверхпроводящего кольца с циркушфующим по нему током, систему магнитного подвеса, систему регис рации смещения чувствительного элемента из положения равновесия, магнитньш экра ны, система магнитного подвеса выполне. на в виде сверхпроводящего пьедестала в форме цилиндров различных радиусов, при чем цилиндр меньшего радиуса находится внутри кольца. На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства. Гравиметр содержит сверхпроводящий чувствительный элемент - цилиндрическое кольцо 1, сверхпроводящий пьедестал 2, задающий соленона 3, выполненньй из сгюрхфоооцящий трансформатор потока 4, магнитометр 5, сверхпроводящие магнит1пые экраны 6 и 7 и магнитный -экран 8, выполненный из материала с высокой магнитной проницаемостью. Гравиметр работает следующим образом. Чувствительный элемент - сверхпроводящее цилиндрическое кольцо 1 - помещается над сверхпроводящим пьедесталом 2 таким образом, чтобы ось кольца совпа- дала с осью симметрии пьедестала, причем цилиндр меньшего радиуса находится внутри кольца 1. Затем по обмотке задающего соленоида 3, расположенного симметрично относительного положения чувствительного элемента 1, пропускается постоянный ток, величина которого выбирается такой, чтобы напряженность магнитного поля внутри соленоида 3 была меньще, чем Hg,. для материала чувствительного элемента 1 и пьедестала 2, для рабочего интервала температур. Затем все устройство охлаждается до рабочей температуры. Так как критическая температура материала кольца 1 выще, чем критическая температура материала пьедестала 2, последний, в момент перехода кольца 1 в сверхпроводящее состояние, остается в нормальном состоянии. При этом магнитный поток, созданный в отверстии кольца задающим соленоидом 3, захвачен в том смысле, что его величина равна Ф п Ф где Фо 2 X 10 Гс квант магни-гного потока; п- целое фиксированное число (vi 1). Затем, при достижении температуры, меньшей критической температуры пьедестала 2, последний также переходит в сверхпроводящее состояние. При этом, в силу эффекта Мейсснера, магнитное поле выталкивается из объема пьедестала 2. Однако, так как магнитный поток в отверстии сверхпроводящего кольца 1 измениться не может, он должен полностью пройти через кольцевое отверстие между нижним торцом кольца 1 и поверхкостью пьедестала 2. При этом на сверхпроводящее кольцо 1 действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх, что приводит к подъему кол1зца 1 над поверхностью сверхпроводящего пгедестала 2, осуществляя тем самым магнитный подвес чувствительного элемента 1. После этого питание обмотки задающего соленоида 3 выключается и внешнее магнитное поле вблизи кольца 1 исчезает. При этом в кольце 1 будет наведен сверхпроводящий незатухающий ток, который будет поддерживать заданное значение маКИМ образом обеспечивается автономный, независящий от внешнего источника, режим магюггного поавеса сверхпроводящего чувствительного элемента 1, в отличие от известных гравиметров, стабильность которого будет определяться постоянством магнитного потока в отверстии кольца 1, при достаточно хорошем экранировании от внешних магнитных полей. Это осушест вляется с помощью сверхпроводящих магнитных экранов 6 и 7 и экрана 8, выпоп немного из материала с высокой магнитной проницаемостью. При этом оказываегся возможным осуществить режим абсолютной устойчивости состояния сверхпроводящего кольца 1 с захваченным магнитным потоком, в том смысле, что значение магнитного потока в отверстии кольца 1 будет строго фиксированным числом, не зависящим от времени.

Радиальная жесткость чувствительного элемента 1 обеспечивается наличием сип отталкивания между :цилиндром меньшего радиуса сверхпроводящего пъедестала 2. находящегося внутри кольца 1, и внутренней поверхностью последнего, за счет выталкивания магнитного поля, силовые линии которого изображены на чертеже.

Таким образом, изменение ускорения сипы тяжести в месте расположения чувствительного элемента 1 приведет к смещению его центра масс вдоль оси симметрии устройства.

Регистрация с ещения чувствительного элемента 1 под влиянием переменной силы тяжести осуществляется непосредственным измерением градиента магнитного потока вблизи оси сммметрии устройства, созданного циркулирующим по сверхпроводящему кольцу 1 незатухающим током. Измерение осуществляется с сверхпроводящего трансформаторного потока 4, связанного с магнитометром 5 типаЗОПХ

Рассчитанная чувствительность прибора при оптимальном режнме работы составляет

) (1 / 4 Р ) - 2 X 10-( 1 /Гц/).

Таким образом, предлагаемый грави- . метр при той же чувствительности ,что и у известных устройств, может обладать практически абсолютной стабильностью маг Inrreoro подвеса чувствительного элемента, что делает возможным наблюдение вековых вариаций силы тяжести в режиме долговременных измерений.

Фдрмула изобретения

Гравиметр, содержащий чувствительньтй элемент, выполненный в виде сверхпроводящего кольца с циркулирующим по нему током, систему магнитного подвеса, систему регистрации смещения чувствител гного элемента из положения равновесия, магнитные экраны, отличающийс я тем, что, с целью повышения стабильности магнит}1ого подвеса чувствительного элемента, система магтштного подвеса выполнена в виде сверхпроводящего пьедестала в форме цилиндров различных радиусов, причем цилиндр меныиего радиуса находится внутри кольца. .

.Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

2.Авторское свидетельство СССР №642664, Kft. q OlV 7/О2, 1979 (прототип).