Разработка и исследование оптической системы лазерного баллистического гравиметра тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Основные выводы из материала представленного в данной главе можно сформулировать следующим образом:

1. Результаты разработки и исследования автором оптико-механической системы для определения абсолютной величины ускорения силы тяжести были использованы при разработке и создании в ИАиЭ СО РАН гравиметров серии ГАБЛ, а также при проведении совместно с КТИ НП СО РАН (г. Новосибирск) и ЦНИИГАиК (г. Москва) опытно-конструкторских разработок гравиметров ГБЛ и ГБЛ-П и выпуске опытных образцов.

2. Неоднократными международными сличениями гравиметров в МБМВ в Севре (Париж, Франция) в 1981, 1985, 1989 и 1997 гг.

99 подтверждено, что гравиметры серии ГАБЛ находятся на уровне лучших мировых образцов разработанных в США.

3. Гравиметрами серии ГАБЛ определено около 50 гравиметрических пунктов в диапазоне широт от 43° южной (Хобарт, Австралия) и до 68° северной (Соданкиль, Финляндия), вошедших в число исходных мировой (1АОВЫ), европейской (иЕвК94) и ряда национальных гравиметрических сетей. Найдена поправка к Потсдамской системе и определено смещение нуля сети «Ю8Ы-71».

4.Серией повторных измерений в экваториальной зоне (в Сингапуре), в средних широтах Евразии (Потсдаме, Москве и Новосибирске) и в сейсмоактивных районах Тянь-Шаня, Байкала и Камчатки были обнаружены неприливные вариации силы тяжести (как глобальные, так и региональные), значительно превосходящие погрешности измерений.

5. Высокая разрешающая способность лазерных гравиметров позволяет проводить с их помощью исследования приливных вариаций силы тяжести, особенно по проверке справедливости различных теорий земных приливов и стабильности упругих констант Земли.

Заключение

Проведенные исследования возможностей интерферометрического метода измерения расстояний, проходимых пробной массой при свободном падении подтвердили перспективность его применения для определения абсолютного значения ускорения силы тяжести. Более того, применение лазерных интерферометров в баллистических гравиметрах привело к созданию транспортабельных абсолютных гравиметров, погрешность определения g в которых на несколько порядков меньше чем это было достигнуто даже в стационарных условиях другими методами.

В подтверждение достижения цели и решения задач, поставленных во введении, кратко сформулируем основные выводы из диссертационных исследований:

1. Разработана и исследована оптическая система баллистического лазерного гравиметра, в которой, впервые в мировой практике, в качестве

I лп меры длины используется лазер с йодной ячейкой поглощения ( /2) внутри резонатора.

2.Теоретически и экспериментально доказано, что сила сопротивления остаточного газа в баллистических блоках различных конструкций гравиметров линейно зависит от давления Р и может быть учтена введением в измеренное значение ускорения силы тяжести поправки Аg = аР, где а -коэффициент, определяемый конструкцией гравиметра. Разработаны способы уменьшения влияния негравитационных сил на точность измерений g введением в схему измерений дополнительных интервалов счета.

3. Разработана и исследована схема освещения интерферометра, состоящая из двух лазеров: рабочего и лазера с йодной ячейкой внутри резонатора, служащего для контроля частоты излучения рабочего лазера. В 1977 г. (впервые в нашей стране) непосредственным сличением частот излучения лазера с йодной ячейкой поглощения и аналогичного стационарного лазера, разработанного в Международном бюро мер и весов

Севр, Франция) установлено, что относительная погрешность определения длины волны излучения контрольного лазера не превышает 5-10"10.

4. Рассчитана и экспериментально проверена зависимость дифракционных фазовых сдвигов, обусловленных гауссовой структурой лазерного излучения, от конфокального параметра Ке, освещающего интерферометр пучка и размера выходной диафрагмы. Получены формулы, позволяющие учесть ошибку, вносимую ими в результат определения g. Например, при Яе> 10 м эта поправка определяется из

АЯ- (2-е )А0 , ±1

--g =--g, где Б - коэффициент, зависящии от размера Л выходной диафрагмы { £< 1).

5. Разработаны схемы контроля и уменьшения вращения отражателя измерительного плеча интерферометра и отклонения лазерного луча от вертикали до допустимых величин. Получены выражения для оценки их влияния на погрешность измерения ускорения силы тяжести и учета доплеровского сокращения длины волны.

6. Разработанная оптическая система легла в основу созданных в ИАиЭ СО РАН лазерных гравиметров серии ГАБЛ и использована при проведении совместно с КТИ НП СО РАН (г. Новосибирск) и ЦНИИГАиК (г. Москва) ОКР и выпуске опытных образцов гравиметров ГБЛ и ГБЛ-П.

7. Международными сличениями, проводившимися в Севре в Международном бюро мер и весов (Париж, Франция) в 1981, 1985, 1989 и 1997 г.г. подтверждено, что гравиметры серии ГАБЛ на протяжении более двадцати лет занимают лидирующее положение в мире наряду с аналогичными приборами США.

8. Гравиметрами серии ГАБЛ определено около 50 гравиметрических пунктов в диапазоне широт от 43° южной (Хобарт, Австралия) и до 68° северной (Соданкиль, Финляндия), вошедших в число исходных мировой (1АОВИ), европейской (ЦЕОМ94) и ряда национальных гравиметрических

102 сетей. Найдена поправка к Потсдамской системе и определено смещение нуля сети «Ю8Ы-71». Повторными измерениями на гравиметрических пунктах расположенных в различных регионах Земли обнаружены неприливные вариации силы тяжести.

1. Kühnen F., Furchtwängler Ph. Bestimmung der absoluten Grösse der Schwerkraft zu Potsdam mit Rewersionpendeln // Veröffentl. Kgl. Pr. Geod. 1.st. Neue Folge. Berlin, 1906. N 27.

2. Morelli C. The International Gravity Standartization Net 1971 (IGSN-71). Paris: Bureau Central JAG, 1974.

3. Sakuma A., Duhamel M. Mesure absolue de 1 'acceleration de la pesanteur (g) au Bureau International des Poids et Mesures // Bull. d'Inform. de l'Institute Geogr. Nat. Juin. 1970. N11.

4. Hammond J., Faller J. Results of Absolute Gravity Determinations at a Number of Different Sites // J. of Geophysical Research. 1971. V. 76, N 32.

5. Буланже Ю.Д., Арнаутов Г.П., Щеглов C.H. Контроль системы 1GSN-71 // ДАН СССР. 1984. Т. 277, № 2.

6. Абсолютные определения ускорения силы тяжести в пункте ВНИИМ // Труды ВНИИМ. М.-Л.: Стандартгиз, 1958. Вып. 32 (92).

7. Volet Ch. // Comptes-rendus de J. Academie des Sciences. Paris, 1947. T. 224. P. 1815.

8. Thulin A. Une determination absolue de g ay pavillon de Breteuil, par la méthode de la chute d'Une régie divisée //Ann. Geophys. 1960. N 1.

9. Preston-Thomas H., Turnbull L., Green E., Dauphinee and Karla S. An Absolute Measurement of the Acceleration due to Gravity at Ottava // Canadian Journal of Physics. June 1960. V. 38, N 6. P. 824-852.

10. Sakuma A. Etat actuel de la nouvelle determination absolue de la pesanteur au Bureau International des Poids et Mesures // Bull. Geod. 1963. N 69.

11. Марциняк A. И. Определение абсолютной величины ускорения силы тяжести по падению жезла в вакууме // Измерительная техника. 1956. №

12. Агалецкий П. Н. О повышении точности абсолютных определенийускорения свободного падения тел. М.: Стандартгиз. 1954.

13. Cook А. Н. A New Absolute Determination of the Acceleration due to Gravity at the National Physical Laboratory // Nature. October 1965. V. 208, N 5007. P. 279.

14. Alasia F., Cannizzo L., Cerutti G., Marson I. Absolute Gravity Acceleration Measurements: Experiences with a Transportable Gravimeter // Metrologia. 1982. V. 18. P. 139-143.

15. Hammond J. A. and Faller J. E. Laser-Interferometer System for the Determination of the Acceleration of Gravity // Journal of Quantum Electronics. November 1967. V. QE-3.

16. Арнаутов Г.П., Гик Л.Д., Калиш E.H., Коронкевич В.П., Нестерихин Ю.Е., Стусь Ю.Ф. Точность измерения лазерным гравиметром // Измерение абсолютного значения гравитационного ускорения: Сб. науч. тр. Новосибирск: ИАиЭ, 1972. С. 3-12.

17. Арнаутов Г.П., Гик Л.Д., Калиш Е.Н., Коронкевич В.П., Малышев И.С., Нестерихин Ю.Е., Стусь Ю.Ф., Тарасов Г.Г. Высокоточный лазерный гравиметр // Автометрия. 1972. № 5. С. 29-38.

18. Калиш Е.Н., Стусь Ю.Ф. Анализ погрешностей электронно-счетного блока // Измерение абсолютного значения гравитационного ускорения: Сб. науч. тр. Новосибирск: ИАиЭ, 1972. С. 48-60.

19. Романюк В. А. Измерение абсолютного значения ускорения силы тяжести (теория) // Geod. Geoph. Veroff. Berlin, 1974. R. Ill, H. 30.

20. Калиш E.H. Метод многих отсчетов в определении ускорения свободного падения // Автометрия. 1982. № 2. С. 73-77.

21. Арнаутов Г.П., Калиш E.H., Смирнов М.Г., Стусь Ю.Ф., Тарасюк В.Г. Лазерный баллистический гравиметр ГАБЛ-М и результаты наблюдений силы тяжести // Автометрия. 1994. № 3. С. 3-11.

22. Смирнов М.Г. Анализ эффективности электростатического экранирования в абсолютном гравиметре // Измерение абсолютного значения 1равитационного ускорения: Сб. науч. тр. Новосибирск: ИАиЭ, 1972. С. 61-64.

23. Стусь Ю.Ф. Методы уменьшения влияния силы сопротивления остаточного газа в баллистическом лазерном гравиметре // Автометрия. 1982. № 1.С. 38-44.

24. Девиен М. Течения и теплообмен разреженных газов. М.: И.Л., 1962.

25. Фабрикант Н.Я. Аэродинамика. М.: Наука, 1964.

26. Основы вакуумной техники. М.: Энергия, 1975.

27. А. с. 468156 СССР. Устройство для измерения ускорения свободного падения / Арнаутов Г.П., Гик Л.Д., Калиш E.H., Коронкевич В.П., Малышев И.С., Нестерихин Ю.Е., Стусь Ю.Ф., Тарасов Г.Г. Опубл. 1975, Бюл. №15.

28. Арнаутов Г.П., Калиш E.H., Стусь Ю.Ф. Измерение ускорения свободного падения методом многих станций // Автометрия. 1975. № 5. С.38-43.

29. Мелентьев П.В. Приближенные вычисления. М.: Физматгиз, 1962.

30. Коронкевич В.П., Соболев B.C., Дубнищев Ю.Н. Лазерная интерферометрия. Новосибирск.: Наука, 1983.

31. Арнаутов Г.П., Гик Л.Д., Калиш E.H., Малышев И.С., Стусь Ю.Ф.

32. Механическая и электронная схемы гравиметра // Измерение абсолютного значения гравитационного ускорения: Сб. науч. тр. Новосибирск: ИАиЭ, 1972. С. 13-26.

33. Гик Л.Д., Калиш E.H., Петрашевич JI.A., Стусь Ю.Ф., Щербаченко A.M. Счетно-вычислительный блок транспортабельного лазерного гравиметра // Автометрия. 1974. № 6. С. 76-83.

34. Калиш E.H., Стусь Ю.Ф. Измерение абсолютного значения ускорения силы тяжести. Новосибирск, 1978. (Препр. /АН СССР. Сиб. отделение, ИАиЭ; № 77).

35. А. с. 750414 СССР. Устройство для измерения ускорения свободного падения / Арнаутов Г.П., Калиш E.H., Стусь Ю.Ф. Опубл. 1980, Бюл. № 27.

36. Калиш E.H., Стусь Ю.Ф. Электронно-счетная система пикосекундного разрешения для гравиметра ГАБЛ-М: Тезисы докладов. Третья всесоюзная научно-техническая конференция «Метрология в гравиметрии». Харьков, 1991. С. 42.

37. Арнаутов Г.П., Калиш E.H., Коронкевич В.П., Смирнов М.Г., Стусь Ю.Ф., Тарасюк В.Г. Прецизионное измерение гравитационного ускорения лазерным интерферометрическим методом // Изв. АН СССР. Серия физическая. 1982. Т. 46, № 10. С. 2055-2060.

38. Arnautov G.P., Boulanger Yu.D., Kalish E.N., Koronkevich V.P., Stus Yu.F., Tarasyuk V.G. "Gabl", an Absolute Free-Fail Laser Gravimeter // Metrologia. 1983. Bd 19, N1.

39. Арнаутов Г.П., Коронкевич В.П., Стусь Ю.Ф. Интерферометр абсолютного лазерного баллистического гравиметра. Новосибирск, 1982. (Препр. /АН СССР. Сиб. отделение, ИАиЭ; № 196).

40. Макламор, Макнейл, Барнейч. Влияние геофизических факторов на высокоточные измерения // Вопросы ракетной техники. 1971. № 5.

41. Nelson Р G. An Active Vibration Isolation System For Inertial Reference And Precision Measurements // Rev. Sci. Instrum. 1991. N 62. P. 2069-2075.

42. Arnautov G.P., Gik L.D., Kalish E.N., Koronkevich V.P., Malishev I.S., Nesterichin Yu.E., Stus Yu.F., Tarasov G.G. High-Precision Laser Gravimeter // Measurements and Instrumentation. ACTA IMEKO. Budapest, 1973. V. III. P. 401-408.

43. Arnautov G.P., Gik L.D., Kalish E.N., Koronkevich V.P., Malishev I.S., Nesterichin Yu.E., Stus Yu.F., Tarasov G.G. High-Precision Laser Gravimeter // Applied Optics. 1974. V. 13, N 2. P. 310-313.

44. Арнаутов Г.П., Гик Л.Д., Калиш E.H., Коронкевич В.П., Стусь Ю.Ф. Результаты измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1974. № 8.

45. Лохматов А.И., Сергеева Н.С., Шаталов В.А. Малогабаритный гелий-неоновый лазер со сроком службы свыше 5000 ч. // Автометрия. 1974. № 1.С. 99-101.

46. Hanes G.R., Baird К.М., DeRemigis. Stability, reproducibility and absolute wavelength of a 633-nm He-Ne laser stabilized to an iodine hyperfine component//Applied Optics. 1973. V. 12, N7. P. 1600-1605.

47. Quinn T.J. Mise en Pratique of the Definition of the Metre (1992) // Metrologia. 1992. V. 30, N 5. P. 523.

48. Hanes G.R. Limiting precision of optical interferometry // Canadian J. Phys.1959. V. 37. P. 1283-1292.

49. Фотоэлектронные приборы. М.: Высшая школа, 1974.

50. Шур В. JL, Эцин Е. Ш. О влиянии расходимости пучка лазера на точность измерений в двухлучевом интерферометре // Автометрия. 1976. №3. С. 90-94.

51. Monchalin J.-P., Kelly M.J. et al. Accurate laser wavelength measurement with a precision two-beam scanning Michelson interferometer // Applied Optics. 1981. V. 20, N 5. P. 736-757.

52. Когельник, Ли. Резонаторы и световые пучки лазеров // ТИИЭР. 1965. Т. 54, № 10.

53. Стусь Ю.Ф. Влияние гауссовой структуры лазерных пучков на точность измерений лазерным гравиметром // Автометрия. 1983. № 6. С. 43-48.

54. Занимонский Е. М., Мирошниченко О. П. Влияние формы освещающего пучка на погрешность измерения длины лазерным интерферометром Майкельсона // Измерительная техника. 1976. № 2. С. 40-43.

55. Джунь И.В., Арнаутов Г.П., Калиш E.H., Стусь Ю.Ф., Щеглов С.Н. Особенность закона распределения результатов баллистических измерений ускорения силы тяжести // Повторные гравиметрические наблюдения: Сб. научн. тр. М.: изд. Нефтегеофизики, 1984.

56. Melchior P. The Tides of the Planet Earth. Oxford.: Pergamon Press, 1983.

57. Rabbel W., Zschau J. Static Deformations and Gravity Changes at the Earth's Surface due to Atmospheric Loading // J. Geophys. Res. 1987. N 92. P. 81-99.

58. Wahr J. Deformation induced by polar motion // J. Geophys. Res. 1979. N 84. P. 165-170.

59. Арнаутов Г.П., Буланже Ю.Д., Калиш E.H., Стусь Ю.Ф., Тарасюк В.Г., Харниш Г. Новое определение абсолютной величины ускорения силы тяжести в Потсдаме // Gerlands Beiträge zur Geophysik. Leipzig, 1978. Bd 87, Hl.

60. Arnautov G.P., Boulanger Yu. D., Kalish E.N., Stus Yu.F., Tarasyuk V.G.,

61. Scheglov S.N. The Absolute Value of Gravity Acceleration on the A3 Point at Sevre // Bulletin d'Information BGL Touluse, France. 1978. N 42.

62. Arnautov G.P., Boulanger Yu.D., Kalish E.N., Stus Yu.F., Tarasyuk V.G., Determination of Absolute Value of Gravity in Singapore // Bulletin d'Information BGI. Touluse, France. 1978. N 4.

63. Arnautov G.P., Kalish E.N., Kiviniemi A., Stus Yu.F., Tarasyuk V.G., Scheglov S.N. Determination of Absolute Gravity Values in Finland Using Laser Ballistic Gravimeter // Publication of the Finnish Geodetic Institute. Helsinki, 1982. N 97.

64. Arnautov G.P., Boulanger Yu.D., Kalish E.N., Stus Yu.F., Tarasyuk V.G., Scheglov S.N. Determination of Absolute Gravity Value on Madagascar in 1988 // Bulletin d'Information BGI. Touluse, France. 1989. N 4.

65. Арнаутов Г.П., Буланже Ю.Д., Калиш E.H., Коронкевич В.П., Стусь Ю.Ф., Тарасюк В.Г., Щеглов С.Н. Результаты первого международного сравнения абсолютных гравиметров, Севр, 1981 г. // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1983. № 3.

66. Boulanger Yu., Faller J., Groten E., Arnautov G., Stus Yu. et al. Results of the Second International Comparison of Absolute Gravimeters in Sevres, 1985 // Bulletin d'Information BGI. Toulouse, France. 1986. N 59.

67. Boulanger Yu. et al. Results of the Third International Comparison of Absolute Gravimeters in Sevres, 1989 // Bulletin d'Information BGI. Toulouse, France. 1991. N 68. P. 24-44.

68. Marson I., Faller J.E., Cerutti G. et al. Forth International Comparison of Absolute Gravimeters // Metrologia. 1995. V. 32, N 3. P. 137-144.