Сверхпроводящий гравиметр

(57) Изобретметрическим онных измере жести, Целью певышение стметра, Эта ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ОПИСАН Ий АВТОРСКОМ 23. 10. 90. Вюл. У 393881068/31-2509.04.85Физико-технический институт ниэемператур АН УССРФ.Ф,Менде, В.А,Чаркин, А,И ИА,Е.Пишиц, П,Л,Адамович,ыбалка, М,И,1;остромицкий и В,И,Тюкова(56) С.И.Кузнецов, Г.И,Самойленко. Перспективы использования сверхпроводимости в геофизике. - Сб, Энергетика, Электроника, Связь, Материалы 3-й региональн. научно-практической конференции "Молодые ученые и специалисты - народному хозяйству, Томск, изд-во Томского университета, 1980,184 ние относится к гравистройствам для прецизиий изменений силы тяизобретения, являетсябильности работы гравицель достигнута цельгм рядом конструктивных особенностепиредлагаемого устройства, Осгговньгмиэ них является выполнение нижнейторцовой стенки резонатора в ьидесвер .провадяшего шара, что позволяетизба; иться от влияния перекосов : тойстенки, Магнитная система подвесапредставляет собой соленоид, выполненныйй из двух ггилг 1 гг ггрс гз, ерхн е ГОи нижнего. Верхний охватывает корпусрезонатора. Внутренний диаметр нижнего равен диаметру полости резонатора. На нижнем намстаггьг две секцииобмотки, внешняя и внутренняя, Нижние края их совпадают, длина внешней секции составляег 0,5-0,9 диаметра шаровой торцовой стенки, Длина внутренней секции больше длинывнешней секции на 1-1,3 диаметра этого шара, Такое вь.полнение позволяетрасподожить шар при работе в зонемаксимальной однородности поля, асверхпроводящий подвес при этом имеет минимальную верт гкальную жесткость. Описанные в форме изобретениясхемы выполнения цепей управленияспособствуют достижению цели, таккак позволяют сохранить устойчивостьсистемы демпфирования при большомкоэффициенте демпфирования колебанийторцовой стенки под действием помех,3 з,п, ф-лы, 3 ил.12893Изобретение относится к измерительной технике, в частности к гравиметрическим устройствам для прецизионных измерений изменений силы тяжести.Целью изобретения является повышение стабильности работы гравиметра.На фиг, 1 схематично изображенчувствительный элемент предлагаемогогравиметра; на фиг,2 и 3 - два варианта выполнения гравиметра, 10В обоих случаях чувствительныйэлемент гравиметра содержит сверхпроводящий цилиндрический СВЧ резонатор1 с подвижной торцовой стенкой, выполненной в форме шара 2 из сверхпроводящего материала (фиг.1), Диаметршара 2 выбирается таким образом,чтобы между ним и стенкой резонатора 1.оставался зазор, приблизительноравный 1 мм. Это позволяет обеспечить 20свободное перемещение шара 2 при сохранении высокой добротности резонатора 1. Шар 2 свободно подвешен вмагнитном поле сверхпроводящего. коротко 25замкнутого соленоида 3. Обмотка соленоидэ 3 расположена на цилиндре 4,внутрь которого введен шар 2, и выполнена в виде двух последовательносоединенных секций, внешней 5 и внутренней 6. Секции 5, 6 расположены одна поверх другой, нижние края их сов-,падают, Длина внешней секции 5 составляет 0,5-0,9 диаметра шара 2, адлина внутренней секции б больше длины внешней секции 5 на 1-1,3 диамет" 35ра шара 2.Выбор таких размеров был обусловлен необходимостью создания конфигу" рации поддерживающего шар 2 магнйт ного, поля, при котором создается широкая зона минимальной вертикальной жесткости сверхпроводящего подвеса при устойчивом положении шара 2. Поверх обмотки верхней секции 5 распо" 451 ложена сверхпроводящая обмотка,демпфирующей катушки 7. Тонкостенный металлический цилиндр 4 прикреплен к верхней части корпуса резонатора 1 посредством жестко соединенного с ним 50 металлического тонкостенного цилиндра 8, Цилиндр 8 охватывает корпус резонатора 1, Причем диаметр. полости резонатора 1 равен внутреннему диаметру цилиндра 4, Жестко соединен ные цилиндры 4, 8 представляют, собой каркас сверхпроводящего соленоида 3.Цилиндр 4 изготовлен иэ немагнитлого металла с высокой проводимостью 36 2(например, нэ алюминия) и изнутри отполирован. Резонатор 1 с шаром 2, соленоид 3 окружены.сверхпроводящим цилиндрическим экраном 9, прикрепленным к верхней части корпуса резонатора 1. Причем внутренний диаметр экрана 9 составляет 1,4-1,5 внешнего диаметра цилиндра 4. Этим уменьшается давление магнитного поля на соленоид 3, так как магнитные поля снаружи и внутри соленоида 3 будут в этом .случае приблизительнО одинаковыми, По верх сверхпроводящего экрана 9 равномерно расположена обмотка подогревателя 10 для обеспечения воэможности перевода сверхпроводящего подвеса в нормальное состояние в процессе его настройки и для его термостабилиэации во время работы гравиметра. Экран 9 вместе с установленными в нем элементами 1-8 окружен герметичным корпусом 11, выполненным в виде./ вакуумированного двухстенного цилин" дра 12, межцу крышкой 13 которого и выступающей верхней частью корпуса резонатора .1 расположен вакуумный зазор 14. Корпус оеэонатора .1 соеди-. нен с крышкой 13 посредством втулки 15 иэ материала с низкой теплопроводностью (например, из фторопласта), образующей тепловой мост с большим тепловым сопротивлением, Это, обес- печивает кваэистабильный температурный режим всего датчика гравиметра, так как все его элементы выполнены из металла с высокой теплопроводностью, Герметичный корпус 11. расположен в гелиевой ванне криостата (не показано), Внутри цилиндра 4 укреплена опора 16 шара 2. В области между нижней торцовой стенкой резонатоРа 1 шаром 2 и каркасом соленоида 3 величина напряженности магнитного поля близка к критическому полю Нс (ф 0,3- 0,8 Нс), Для исключения потерь на постоянном токе нижняя часть корпуса резонатора 1 скруглена, а между резонатором. 1, выполненныМ из сверх проводящего материала, и каркасом соленоида 3, выполненным из металла свысокой проводимостью, имеет зазор17 шириной ъ 0,1-0,2 мм, Это обеспечивает отсутствие контакта металлсверхпроводник в местах, где имеетсяэлектромагнитное поле, что позволяетисключить потери на постоянном токеи практически устранить взаимноевлияние полей резонатора 1 и соленоида 3.На фиг.2 резоиатор 1 подключен ицепь положительной обратной связиСВЧ усилителя 18, образуя ГВЧ автогенератор 19. Выход СВЧ автогенератора 19 соединен с частотомером20 и подключен к демпфирующей катушке 7 посредством цепи управления,состоящей иэ последовательно соединенных частотного детектора 21, фаэокорректиру 1 ощей цели 22, усилителя 1023 постоянного тока и раэвяэывающеготрансформатора 24,На фиг.3 резонатор 1 подключен вцепь положительной обратной связи СВЧусилителя с амплитудой модуляции ипереносом усиления на промежуточнуючастоту (не показан), образуя СВЧавтогенератор 25, В состав СВЧ усилителя с амплитудной модуляцией ипереносом усиления на промежуточную 20частоту входит СВЧ генератор 26, (например, отражательный клистрон),подключенный. одновременно к смесителю 27 и амплитудному модулятору 28,между которыми нкюпочен усилитель 29промежуточной частоты. Резонатор 1подключен между смесителем 27 и амплйтудным модулятором 28, СВЧ выходантогецератора 25 (выход СВЧ генератора 26) подключен к частотомеру 20.Выход промежуточной частоты автогецератора 25 (т.е. выход усилителя29 промежуточной частоты) чодключецк демпфирующей катушке 7 посредствомцепи управления, состоящей из последовательно соединенных фазового детектора 30, фаэокорректирующей цепи 31,усилителя 32.постоянного тока и развязывающего трансформатора 33. Приэтом СВЧ автогенератор. 25 подключен. 40в систему фазовой автоподстройки частоты СВЧ генератора 26, т,е, выходсоединенного с опорным кварцевым генератором 34 фазового детектора 30подключей через фильтр 35 нижних частот к электроду управления частотой(не показан) СВЧ генератора 26.Сверхпроводящий гравиметр работает следующим образом, 50В момент охлаждения системы гравиметра до гелиевых температур шар 2лежит на опоре 16, После переводарезонатора 1 с шаром 2 и секций 5,.6 обмотки соленоида 3 в сверхпроводящее состояние в соленоид 3 подается ток, величина которого подбирает"ся таким образом, чтобы центр шара 2расположился на расстоянии от верх16 4него края цижсей секции 6 соле 0 да3, составляющем 0,7-1 радиуса шара 2,При этом щар 2 оказывается н зонес максимальной однородностью магнитного поля, а снерхпронодятий поднес имеет минимальную вертикальнуюжесткость, о чем свидетельствуетизмеряемый при этом минимум частотысобстнецных колебаний сверхпроводящего подвеса. После установления оптимального режима функционированиясверхпроводящего подвеса соленоид 3 перенодится в режим циркулируюшеготока (режим коротксго замыкания) спомощью теплового ключа (ие показан),Сбмотка соленоида 3 н состояниисверхпроводимости обладает нулевымомическим сопротивлением. Если оназамкнута накоротко, то наведенный вЙей электрический ток циркулируетсколь угодно долго и его магнитноеполе остается стабильн.дм, Положениешара 2 определяется одновременнымдеистнием на него силы со стороныудерживающего его во взвешенномсостоянии магнитного поля соленоида 3 и силы тяжести, При измененииускорения силы тяжести положе; ие шара 2 изменяется, что принодит к изменению размеров резонатора 1, торцовойстенкой которого является щар 2, Приэтом изменяется резонансная частотарезонатора 1,В первом варианте выполнения гравиметра (фиг,2) ири изменении резонансной частоты резонатора 1 изменяется частота СВЧ автогецератора 19,измеряемая частотомером 20, По изменению Настоты СВЧ антогенератора 19можно судить однозначно об изменениисилы тяжести В случае воздействияна шар 2 вибрации или других помех,приводящих к вертикальным колебаниям,его ноэле положения равновесия, ноз"никает сигнал ощцбки иа частотномдетекторе 21, Этот сигнал ошибки подается через фазокорректируюшую цепь22 ца усилитель 23 постоянного тока,а далее через разнязынающий трансформатор 24 на обмотку демпфирующей катушки 7, Вследствие наличия отрица"тельной обратной связи в демпфирую"щей катушке 7 возникает управляющийток, создающий магнитное поле, устраняющее колебания шара 2 вокруг положения его равновесия, Регулировкастепени демпфирования возможных колебаний шара 2 под действием помех осуществляется регулировкой коэффициен89336 5 12та усиления усилителя 73 постоянноготока. Фазокорректирующая цепь 22позволяет сохранить устойчивость работы системы демпфирования при большом коэффициенте демпфирования возможных колебаний шара 2 вокруг положения его равновесия,Во втором варианте выполнениягравиметра (фиг.3) при изменении резонансной частоты резонатора 1, обусловленной изменением положения шара 2эа счет изменения ускорения силы тяжести, изменяется частота СВЧ автогенератора 25, выполненного на основе СВЧ усилителя с амплитудной модуляцией и переносом усиления на про"межуточную частоту, По автогенератору 25 осуществляется фазовая автоподстройка частоты СВЧ генератора 26,изменения частоты которого фиксируются частотомером 20 и свидетельствуют об изменении ускорения силы тяжести,Частота генератора 26 Г определяется резонансной частотой резонатора 1 Г и отличается от нее на веРличину промежуточной частоты Р накоторую настроен усилитель 29 промежуточной частоты и которая равна час-.тоте кварцевого генератора ЗчГ + Р, При этом учитывается на ка-кой из боковых составляющих спектраамплитудного моцулятора 28 йр + Гили Г ." Г) работает автогенератор25. Сигналы с усилителя 29 промежуточной частоты и опорного кварцевого генератора 34 поступают на фазовыйдетектор 30, с выхода которого сигналошибки подается для автоподстройкичастоты СВЧ генератора 26 и для демпфирования возможных вертикальных колебаний шара 2 вокруг положения егоравновесия в случае воздействия нашар 2 вибрации или других помех, Сигнал ошибки, возникающий в фазовомдетекторе 30, через последовательносоединенные фазокорректирующую цепь31, усилитель 32 постоянного тока иразвязывающий трансформатор 33 подается на обмотку демпфирующей катушки7 и вызывает в ней появление управ"ляющего тока, устраняющего колебанияшара 2 вокруг положения равновесиясоздающимся магнитным полем, Регули"ровка степенидемпфирования возможных колебаний шара 2 под действиемпомех осуществляется регулировкой ко".эффициента усиления усилителя 32 по-.стоянного тока. Фаэокорректирующая цепь 31 позволяет сохранить устойчивость работы системы демпфированияпри большом коэффициенте демпфирова-,ния возможных колебаний шара 2 вокруг положения его равновесия под действием помех,Предлагаемый гравиметр отличаетсявысокой стабильностью работы, т,е,при воздействии помех он обладает высокой чувствительностью, широким динамическим диапазоном и малым дрейфом нуль-пункта,Ф о р.м у л а и з о б р е т е н и я. 1, Сверхпроводящий гравиметр, содержащийсоединенный с частотомеромСВЧ автогенератор, выполненный наоснове СВЧ усилителя, в цепь положительной обратной связи котороговключен сверхпроводящий СВЧ резонатор, размещенный в герметичном корпусе вместе со сверхпроводящим короткозамкнутым соленоидом, в магнитном поле которого подвешена ниж 25 ъяя подвижная торцовая стенка резо-натора, к корпусу которого прикреплен каркас соленоида, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повыше-ния стабильности работы гравиметра,30 каркас соленоида выполнен в виде двухразнесенных по высоте цилиндров, верхнйй из которых охватывает корпус резонатора, диаметр полости которого равен внутреннему дйаметру нижнего из35 цилиндров, на котором расположена обмотка соленоида, выполненная из двухпоследовательно соединенных секций,внешней и внутренней, причем их нижние края совпадают, длина внешнейА 0 секции составляет 0,5"0,9 диаметравыполненной в виде шара подвижнойторцовой стенки, а длина, внутрЕннейсекции больше длины внешней секциина 1-1,3 диаметра шара, при этом вы 5 ход СВЧ автогенератора посредствомцепи управления подключен к демпфирующей катушке, расположенной поверх ,обмотки соленоида,2. Гравиметр по п.1, о т л и -5 п ч а ю щ и й с я тем, что цепь управления выполнена в виде последовательно соединеннь 1 х частотного детекторафазокорректирующей цепи, усилителяпостоянного тока и развяэывающего5 трансформатора,3, Гравиметр по п,1, о т л и ч а -ю щ и й с н тем, что цепь управления:,выполнена в виде последовательно соединенных фазового детектора, фазокор4, 1 рнпимс тр 1 п пп, 1 - " о т л нч я ю В и й с л тем пто Герметич - ньй корпус ыпо.н и в ниде вакуумированного двухстепного цилиндра, между крыл 1 КОЙ которого и верхнеЙ частью корпуса резонатора расположен вакуумный зазор.l 1,8 Ч 36 ректирующей цепи, усплп 1 е.пя и. стояп - ного тока и развязыннющего трннсФорматора и подсоединена к выходу промежуточной частоты СВЧ автогенератора, выполненного на основе СВЧ усилителя с амплитудной модуляцией и переносом усилителя на промежуточную частоту,3289336 оставитель А,Ваганоехред В.Кадар Редактор Н,Суханов Корре олб Заказ 4355 одписно Произв щствеинолигра 11фк 1 ная ое предприятие, г.ужгород Тираж ц 55 П ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открь 1 тий 3035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/