Popis gravimetru

Kalibrace frekvence

Absolutní gravimetr FG5 č. 215

K měření hodnoty tíhového zrychlení gravimetr využívá volného pádu. Sestup volně padajícího tělesa ve vakuované nádobě (pádové komoře) je velmi přesně sledován pomocí laserového interferometru. Optické proužky generované v interferometru vytváří velmi přesný systém měření vzdáleností, který může být navázán na absolutní standardy délky. Velmi přesné měření času výskytu těchto proužků je prováděno pomocí atomových rubidiových hodin, které také mohou být navázány na absolutní standardy času. Protože měření je přímo napojeno na absolutní standardy délky a času, které jsou udržované sítí laboratoří po celém světě, je možno zajistit kalibrovanou hodnotu tíhového zrychlení, která se nemění v čase. Proto je gravimetr nazýván absolutním gravimetrem.

Schéma gravimetru

Přístroj se skládá ze tří hlavních částí: z pádové komory, interferometru a superspringu.

K volnému pádu skleněného hranolu dochází uvnitř vzduchoprázdné pádové komory. Vakua je dosahováno ve dvou krocích. Pro dosažení tlaku 10^-3 Pa je používána dvoustupňová vakuová pumpa, jejíž první stupeň je tvořen membránovou pumpou a druhý stupeň tvoří nízkotlaká turbomolekulární pumpa. Po vyčerpání nádoby na tlak 10^-3 Pa je spuštěna iontová pumpa, která elektrostaticky odsává zbývající molekuly plynů a vytváří tak tlak 10^-4 Pa, který je iontovou pumpou udržován po celou dobu měření.

Pohled do nitra laseru po sejmutí krytu

Interferometr je složen ze zdroje koherentního světla - laseru, optických prvků a detektoru interferenčních proužků. Použit je helium-neonový plynový kontinuální laser, jehož frekvence je kontrolována pomocí par jódu na vysoce stálé hodnotě.

Pohled na optiku otevřeného interferometru

Laserový paprsek je uvnitř interferometru rozdělen na dva paprsky stejné intenzity: referenční paprsek, který zůstává v tělese interferometru a testovací paprsek, který je nasměrován vzhůru - do pádové komory, kde se odrazí od volně padajícího hranolu do opačného směru, pak projde tělesem interferometru do superspringu, kde se opět odrazí od hranolu a směřuje zpět do interferometru, kde dochází k interferenci obou paprsků.

Pohled na odkrytý superspring

Superspring je zařízení, které eliminuje krátkoperiodické kmity a rychlé malé změny polohy přístroje, pilíře a okolí, které během měření působí na interferometr. Je toho dosaženo odrazem testovacího paprsku od hranolu, který je upevněn ve speciálním pružinovém zařízení, jehož vlastní kmity mají periodu 30 s. Při měření je hranol považován za pevně umístěný v prostoru - vůči němu se hranol v pádové komoře pohybuje volným pádem. Případné pohyby interferometru, včetně pohybů referenčního paprsku větších frekvencí než mají vlastní kmity superspringu jsou tímto eliminovány.

Součástí elektroniky přístroje je též rubidiový atomový oscilátor, ve kterém je křemenný oscilátor fázově zavěšen na frekvenci spektrální čáry par rubidia. Při měření je oscilátor zdrojem referenční frekvence pro analyzátor časových intervalů, který zaznamenává časy každého 1000 interferenčního proužku. Protože známe vlnovou délku světla, které je vyzařováno laserem, víme kolik proužků bylo mezi dvěma odečtenými časovými okamžiky a protože se mezi dvěma proužky změnila vzdálenost o polovinu vlnové délky světla, můžeme ke každému časovému okamžiku přiřadit vzdálenost, která byla překonána od počátku pádu. Získáme tak dvojice vzdálenost a čas, které jsou zapotřebí pro výpočet tíhového zrychlení.

Při vlastním měření je nejprve skleněný hranol ve vozíku pomocí motorku vytažen na vrchol pádové nádoby a pak je vozík urychlen tak, aby došlo k oddělení hranolu a vozíku a k volnému pádu hranolu. Během volného pádu (0,2 m) sleduje elektrooptické zařízení uvnitř vozíku pohyb hranolu a řídí pohyb vozíku tak, aby během pádu byla vzdálenost mezi hranolem a vozíkem konstantní. Na konci pádu nejprve vozík zachytí hranol a pak se pomalu zastaví. Vozík zajišťuje pro hranol stínění před vlivem magnetického pole a také odstraňuje vliv zbylých molekul plynu na hranol (vozík zakrývá většinu povrchu hranolu).

Průběh pádu na osciloskopu

Pohyb vozíku a skleněného hranolu při pádu je patrný na záznamu osciloskopu. Čára, která začíná vlevo nahoře, znázorňuje rychost vozíku (čím níže, tím větší). Čára, která začíná vlevo dole, zobrazuje vzdálenost mezi skleněným hranolem a vozíkem (čím níže, tím větší). Na začátku pádu se vozík urychlí a dojde k oddělení hranolu na konstantní vzdálenost, která je pak udržována po celý pád (rychlost vozíku se zvyšuje). Po provedení měření začne rychlost vozíku klesat a vzdálenost hranol-vozík okamžitě klesne k nule. Vozík se zastavuje a hranol v něm vykoná ještě několik poskoků. Během měření je vzdálenost hranol-vozík kolem 5 mm.

Absolutní gravimetr FG5 č. 215 je používán pro periodická měření na absolutním tíhovém bodě Pecný a pro měření na dalších absolutních tíhových bodech. Program měření gravimetru je dán projektem Výzkumného centra dynamiky Země.

Zpět na obsah stránky

Výsledky kalibrace rubidiového oscilátoru

K určení frekvence se provádí dlouhodobý záznam sekundových značek v analyzátoru časových intervalů. Protože analyzátor využívá jako svou časovou základnu právě proměřovaný rubidiový oscilátor, je možno z časových odlehlostí sekundových značek zjistit frekvenci oscilátoru. Protože značky (zejména z přijímače GPS) mají omezenou přesnost, je prováděno dlouhodobé měření (obvykle 50000 sekund). Při něm je nutno zajistit co nejmenší proměnnost okolních podmínek, zejména teploty.


Zpět na obsah stránky