научная статья по теме ЛАЗЕРНЫЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С СУБНАНОМЕТРОВЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ В АБСОЛЮТНЫХ БАЛЛИСТИЧЕСКИХ ГРАВИМЕТРАХ Метрология

Текст научной статьи на тему «ЛАЗЕРНЫЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С СУБНАНОМЕТРОВЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ В АБСОЛЮТНЫХ БАЛЛИСТИЧЕСКИХ ГРАВИМЕТРАХ»

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ МЕТРОЛОГИИ

528.563.528.568.081.3:550.831.531.76

Лазерные интерферометры перемещений с субнанометровым разрешением в абсолютных баллистических гравиметрах

Л. Ф. ВИТУШКИН*, О. А. ОРЛОВ*, А. ДЖЕРМАК**, Д. Д'АГОСТИНО**

* Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д. И. Менделеева,

С.-Петербург, Россия, e-mail: l.f.vitushkin@vniim.ru ** Научно-исследовательский институт метрологии INRIM, Турин, Италия

Описана общая структура абсолютного баллистического гравиметра, реализующего свободное движение в вакууме пробного тела в гравитационном поле и предназначенного для определения ускорения свободного падения по измеренным интервалам пути и времени из уравнения движения пробного тела. Эти измерения осуществляют лазерным интерферометром перемещений и системой точного измерения интервалов времени, входящими в состав гравиметра. Описаны неопределенности измерения ускорения свободного падения и проблемы метрологического обеспечения абсолютного баллистического гравиметра в области измерений длины и времени.

Кпючевые слова: нанометрология, динамические измерения, абсолютный гравиметр, лазерный интерферометр перемещений.

An overall structure of the absolute ballistic gravimeter is presented. Such gravimeters realize a free motion in vacuum of the test body in the gravitation field and are intended for the determination of free fall acceleration using the measured length and time intervals from the motion equation of the test body. The length and time intervals are measured by means of the laser displacement interferometer and time interval precise measurement system of the gravimeter. Free fall acceleration measurement uncertainties and issues related to the metrological assurance of absolute gravimeters in connection with their applications in the field of length and time measurements are described.

Key words: nanometrology, dynamical measurements, absolute gravimeter, laser displacement interferometer.

Лазерный интерферометр перемещений (ЛИП) является одной из основных систем, входящих в состав абсолютных баллистических гравиметров (АБГ), измеряющих ускорение свободного падения (УСП), определяемое на основе измерения интервалов пути, пройденного свободно падающим в вакууме пробным телом (ПТ), и соответствующих интервалов времени.

Абсолютные баллистические гравиметры широко применяются в гравиметрии и геодезии, они значительно изменили стратегию измерений УСП [1, 2]. Этому способствовало появление все большего числа транспортабельных АБГ, число которых в мире уже превышает шестьдесят. Также АБГ используют в высокоточных гравитационных экспериментах и в метрологии [3] в процессе поиска методов реализации возможного нового определения единицы массы — килограмма. В этих гравиметрах реализуется свободное падение ПТ и, следовательно, может быть реализовано определение единицы физической величины — ускорения — в области измерения УСП по первичной референтной методике [4 — 6]. Таким образом, АБГ может стать первичным эталоном единицы ускорения в области измерения УСП. По определению первичная референтная методика измерений — методика, используемая для получения результата измерений без сравнения с эталоном единицы величины того же рода, а первичный эталон — эталон, основанный на применении первичной референтной методики измерений или созданный как артефакт, выбранный по соглашению. Тогда АБГ с относительно невысокими метрологическими характеристиками, реализующие референтную методику измерений, могут быть калиброваны при помощи АБГ — первичного эталона, т. е. быть вторичными или рабочими эталонами.

Разработка и исследование АБГ, включая неопределенности результатов измерений УСП, обычно находятся вне

поля зрения специалистов в области измерений длины и лазерной интерферометрии перемещений с нано- и субна-нометровым разрешением. Тем не менее, именно у ЛИП абсолютных гравиметров относительная неопределенность измерений перемещений свободно падающего в вакууме ПТ должна достигать значений порядка 10-9. Достижение подобной точности является весьма сложной задачей для современной метрологии в области измерений длины и перемещений.

При длине пути свободного падения ПТ у существующих АБГ от 2,5 приблизительно до 50 см для достижения требуемой неопределенности в несколько микрогал (1 Гал = = 1 см ■ с-2) при измерении УСП неопределенность измерений перемещений не должна превышать 0,025 и 0,5 нм, соответственно. При этом частота счета интерференционных полос в лазерном интерферометре абсолютного гравиметра достигает 6 МГц.

Естественно предположить, что разработка и исследование ЛИП для абсолютных гравиметров с такими метрологическими характеристиками представляет интерес и для разработчиков ЛИП, применяемых в средствах измерений длины и перемещений с субнанометровым разрешением.

Абсолютные баллистические гравиметры: общее описание. Ускорение свободного падения д, определяемое равнодействующей силы притяжения Земли и центробежной силы, вызванной вращением Земли вокруг ее оси, находят в процессе измерения параметров движения ПТ — его свободного падения в гравитационном поле Земли. Ускорение — производная физической величины, точнее вторая производная длины по времени, выражаемая в единицах времени и длины. Частным случаем ускорения является УСП, которое измеряется в тех же единицах.

Для определения УСП в абсолютных гравиметрах по измеряемым интервалам пути, пройденного свободно падающим ПТ, и соответствующим измеряемым интервалам времени можно использовать уравнение движения ПТ в гравитационном поле с постоянным вертикальным гравитационным градиентом Wzz [7]. В локальной системе координат, где направление оси Z совпадает с направлением отвесной линии, и в предположении малости градиента Wzz << 1 с-2 (для нормального геоида это величина составляет порядка 3 ■ 10-6 с-2) решение уравнения движения ПТ для его координаты z в момент времени t может быть записано в виде

z(t) = Zo(1 + Wzz^/2) + v0(t + Wj/6) +

+ (gtop/2) (t2 + Wzzi4/12), (1)

где z0 = z(t = 0), v0 = v(t = 0) — начальные координата и скорость тела, соответственно; gtop — УСП при z = 0.

Обычно значение Wzzz получают путем измерения относительным гравиметром изменения значений g по высоте над постаментом гравиметрического пункта. В [8] анализировали возможность определения Wzzz специальной обработкой результатов измерений движения свободно падающего ПТ в абсолютном гравиметре.

Как сказано выше, относительная погрешность измерений УСП современными абсолютными гравиметрами составляет несколько единиц порядка 10-9, что составляет несколько микрогал в абсолютных значениях. Такая точность измерений требует учета эффектов, связанных с конечностью скорости света с. Запаздывание момента tt взаимодействия световой волны с фотодетектором по отношению к моменту т(. ее взаимодействия с падающим ПТ учитывается выражением

Т = ^ - (zi - z0)/0,

где t,, Zj — момент времени и координата по оси Z из (1).

В абсолютных гравиметрах используются два типа траектории движения свободно движущегося ПТ: симметричная, когда пробное тело подбрасывается вертикально вверх и затем падает вниз (rise-and-fall trajectory), и несимметричная, когда оно свободно падает (free-fall trajectory). К первому типу относится, например, гравиметр, описанный в [9]. Использование симметричной траектории позволяет компенсировать или значительно снижать влияние некоторых источников погрешностей, таких как наличие остаточного газа в вакуумной камере, магнитное поле, электростатические эффекты и т. д. Тем не менее, в настоящее время наибольшее применение нашли гравиметры с несимметричной траекторией, что обусловлено сравнительной простотой реализации такого типа движения ПТ и прогрессом в развитии вакуумной техники.

Основные части АБГ:

вакуумная камера с механической системой для подбрасывания и подхвата ПТ в гравиметре с симметричной траекторией или для его приведения в состояние свободного падения, подхвата и возвращения в исходное состояние в гравиметре с несимметричной траекторией;

двухлучевой ЛИП со свободно движущимся рефлектором, закрепленным на ПТ, в измерительном плече интерферометра. Рефлектор опорного плеча интерферометра подвешивается с помощью системы пассивной (обычно ис-

пользуется долгопериодный сейсмометр) или активной виброизоляции (см., например, [7, 10]. Подвешенный опорный рефлектор реализует квазиинерциальную систему координат, по отношению к которой наблюдается движение ПТ. В [11 ] сообщалось об использовании в АБГ интерферометра Фабри—Перо;

стабилизированный по частоте лазер в качестве источника когерентного света для лазерного интерферометра. В настоящее время чаще всего применяют He—№/12-ла-зеры с длиной волны излучения 633 нм (красное излучение), частота (длина волны) которых стабилизирована по пикам насыщенного поглощения в сверхтонкой структуре спектра молекулярного йода. Стабилизированные по йоду твердотельные Nd:YAG/KTP/I2- и Ш:ЧУ04/КТР/12-лазеры с накачкой лазерными диодами на длине волны 532 нм (зеленое излучение) успешно функционировали в гравиметрах типа ГАБЛ-Г [12] и FG5-108 [13], соответственно. В этих твердотельных лазерах кристалл Nd:YAG или Nd:YVO4, соответственно, накачивается излучением лазерного диода и генерируемое таким кристаллом излучение на длине волны 1064 нм удваивается по частоте в кристалле КТР;

опорный стандарт частоты, стабильный на длительных интервалах времени (например, рубидиевый стандарт или GPS-приемник), для системы измерения интервалов времени;

блоки управления системами АБГ, программное обеспечение для управления системами гравиметра, измерения интервалов пути ПТ и соответствующих интервалов времени, вычисления измеренного значения УСП и введения различных поправок (в частности, на земные приливы и океаническую приливную нагрузку).

В существующих АБГ используют механические системы различного вида для запуска ПТ и разные оптические схемы интерферометров для измерения длины перемещения свободно падающего ПТ от 2,5 (гравиметр [1 4]) до 50 см (гравиметр ГАБЛ-Г).

В седьмых и восьмых Международных сличениях

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком