Popis gravimetru

Podpůrná zařízení

Aktuální data

Supravodivý gravimetr OSG-050

Supravodivý gravimetr OSG-050 je výrobek firmy GWR, Inc. z San Diego, California, USA. Byl pořízen v letech 2006-2007 z prostředků Výzkumného centra dynamiky Země - projektu Centra základního výzkumu LC506 a v únoru 2007 zprovozněn v supravodivé komoře slapové stanice. Gravimetr OSG-050 (Observatory Superconducting Gravimeter) č. 050 je jednosférový supravodivý gravimetr observačního typu.

Nejdůležitější částí přístroje je dewarova nádoba s měřicím systémem. Dewarova nádoba obsahuje prostor pro 35 litrů kapalného hélia, které obklopuje měřicí systém umístěný v dolní části nádoby.

Schéma měřicího systému

Měřicí systém se skládá z měděného bloku, uvnitř kterého je umístěno testovací těleso s kapacitním snímačem a na němž jsou navinuty supravodivé cívky. Testovací těleso je z niobia – materiálu, který je při teplotách nižších než 7 K supravodivý tj. mající nulový odpor pro elektrický proud. Je to dutá koule o průměru 25 mm a hmotnosti 3 gramy, která je uvnitř kulaté dutiny o průměru 27 mm vyplněné plynným heliem. Kapacitní snímač se skládá ze tří hliníkových elektrod připevněných přes izolátory k měděnému bloku. Dvojice elektrod nad a pod testovacím tělesem působí střídavým elektromagnetickým polem na těleso, třetí elektroda, která je okolo tělesa, slouží k snímání signálu generovaného tělesem. Polarita a velikost signálu jsou úměrné poloze testovacího tělesa uvnitř dutiny. Signál slouží zpětné vazbě v elektronice ke generování doplňkového magnetického pole pomocí zpětnovazební cívky navinuté na měděném bloku v blízkosti dolní supravodivé cívky. Na měděném bloku jsou umístěny dva páry supravodivých cívek. Každý pár se skládá z hlavní cívky a z "ochranné" (guard) cívky, ve které se elektromagnetickou indukcí generuje stejný elektrický proud, ale opačného směru. Horní pár cívek je umístěn v rovině těsně pod těžištěm testovacího tělesa, dolní pár cívek je v rovině pod testovacím tělesem. Magnetické pole generované supravodivými cívkami vytváří jakoby fontánu, na jejímž vrcholu "sedí" sféra – testovací těleso.

Proud v supravodivých cívkách musí být nastaven při inicializaci přístroje tak, aby testovací těleso bylo prakticky uprostřed dutiny a aby magnetické pole generované cívkami vytvářelo dostatečně "měkkou pružinu" – aby změny tíhového zrychlení vyvolaly přiměřeně velkou změnu polohy testovacího tělesa.

Blok mědi je od vnitřního prostoru dewarovy nádoby oddělen několika obaly – vnější obal je na několika místech perforovaný permaloy, který spolu s vnitřním obalem z niobia zajišťuje stínění přístroje před změnami vnějšího magnetického pole, dalším obalem je měděný kanystr, který vytváří hranici mezi kapalným heliem a velmi kvalitním vakuem okolo bloku mědi. Vakuum zamezuje přenos tepla prouděním.

Vlastní blok mědi má hmotnost cca 3 kg a je udržován s přesností 1.10^-6 K na teplotě 4.5 K (tj. mírně vyšší než je teplota varu helia – 4.2 K) pomocí germaniového teploměru, který vytváří rozdílový signál pro zpětnou vazbu v elektronice a která ovládá proud jdoucí do topné spirály navinuté na měděném bloku.

Vnitřek termálního urovnávače

Součástí měřicího systému je též dvojice kolmých náklonoměrů, které sledují vertikalitu gravimetru a z jejich výchylek je elektronikou kontinuálně generován signál pro dvojici termálních urovnávačů, které jsou připojeny k vnějšku dewarovy nádoby. Termální urovnávače podepírají nádobu ve dvou ze tří bodů (třetí je pevný). Změnou jejich délky, která je realizována ohříváním resp. zchlazováním oleje v pístu, dochází k velmi jemnému náklonu nádoby bez vytváření nežádoucích vibrací.

Schéma dewarové nádoby

Rozdíl v teplotách měřicího systému (4.5K) a okolního kapalného helia (4.2K) způsobuje, že kapalné helium neustále mírně vře a odpařuje se. Aby se zamezilo ztrátám, je ve vstupním otvoru do dewarovy nádoby v horní části umístěna chladicí hlavice firmy Sumitomo z Japonska, která spolu s kompresorem provádí zchlazování plynného helia na teplotu 4.2K, kdy dojde k jeho kondenzaci a návratu do dewarovy nádoby. Chladicí hlavice využívá modifikovaného Gifford-McMahonova cyklu. Je spojena hadicemi s kompresorem, chladicím médiem je čisté hélium pod tlakem 2 MPa. Kompresor kontinuálně stlačuje plynné hélium a ochlazuje ho vzduchem. Po vstupu helia do chladicí hlavice helium mírně expanduje a odebere svému okolí teplo. Děje se tak dvoustupňově v chladicí hlavici – v prvním stupni je okolí hlavice ochlazováno na cca 40K, ve druhém stupni na 4K. Výkon kompresoru je 1,4 kW. Vznikající teplý vzduch je nutno odvádět.

Chladicí hlavice před instalací do dewarové nádoby

Chladicí hlavice při svém provozu způsobuje vibrace. Je připojena ke zvláštnímu rámu, který je přes antivibrační izolaci spojen s pilířem. Od dewarovy nádoby je hlavice oddělena izolační fólií, která nepřenáší vibrace.

Elektronika gravimetru je umístěna v samostatné skříni v registrační místnosti slapové stanice. S gravimetrem je propojena svazkem stíněných kabelů, které přenášejí měřené a řídící signály včetně teplotních a tlakových čidel a čidla výšky hladiny helia v dewarově nádobě.

Elektronika gravimetru

Ve skříni je umístěno pět částí. První z nich (nahoře) je elektronika pro měření a řízení zpětných vazeb testovacího tělesa, náklonoměrů a termálních srovnávačů a teploty bloku mědi v měřicím systému. Druhou částí je přesný voltmetr, který měří signál jdoucí do zpětnovazebné cívky – tj. vlastní signál reprezentující měřené tíhové zrychlení. Třetí částí je elektronika záznamu měřených dat nejen z voltmetru, ale ze všech čidel a ostatních zařízení. Čtvrtá část je zdrojová – zajišťuje energii pro všechna topná tělesa v dewarové nádobě i pro termální srovnávače. Pátou částí je počítač, na kterém běží program UIPC zajišťující záznam měření a řízení všech funkcí a systémů gravimetru.

Zpět na obsah stránky.

Heliový kompresor

V samostatné místosti vedle slapové stanice - kompresorovně - je umístěn heliový kompresor. Je spojen trubkami s chladicí hlavicí na dewarově nádobě gravimetru. Kontinuálně stlačuje plynné hélium a ochlazuje ho vzduchem. Výkon kompresoru je 1,4 kW. Vznikající teplý vzduch je nutno odvádět.

Klimatizace

Ventilátor na přívodu

Ventilátor na odvodu

Děje se tak v letních měsících pomocí klimatizace, která ochlazuje vzduch v kompresorovně. V zimních měsících se provádí běžná výměna vzduchu pomocí ventilátorů.

Tlaková lahev s čistým plynným heliem

Přes veškerou snahu občas dochází ke ztrátám helia v dewarové nádobě nebo je nutno vyměnit chladicí směs (čisté helium) v kompresoru. Doplňování se provádí čistým plynným heliem z tlakové lahve, které je chladicí hlavicí zkapalněno. Tlaková lahev je umístěna v registrační místnosti slapové stanice.

UPS gravimetru

V kompresorovně je umístěn též záložní zdroj elektrické energie. Slouží k zálohování dodávek elektrické energie pro měřicí systém a elektroniku. Je realizován pomocí nepřerušitelného zdroje elektrické energie (UPS – uninteruptible power supply), který je tvořen měničem napětí s filtry a sadou baterií. Jeho výkon je až 4,3 kW a kapacita zajišťuje dodávky elektrické energie i při výpadku nepřesahujícím 3 hodiny. Pro delší výpadky je využíván zálohovací subsystém.

Meteorologická čidla

Časové GPS

Vně budovy jsou umístěny dva přístroje: jednak meteorologická čidla pro měření atmosférického tlaku, teploty a relativní vlhkosti vzduchu, která jsou na měřicím pozemku ve výšce 2 metry, jednak GPS aparatura, která generuje časové značky pro přesnou synchronizaci měření gravimetru, která je na střeše hlavní budovy vedle permanentní GNSS stanice.

Zpět na obsah stránky.