Supraleitendes Gravimeter CD 029 im Gravimeterhaus

Schnitt durch ein supraleitendes Gravimeter

Eigenschaften:

Supraleitende Gravimeter zeichnen sich durch eine sehr hohe Auflösung des Meßsignals (< 0,1 nm/s², das entspricht einer relativen Auflösung von 10^-11) und eine geringe instrumentelle Drift aus. Der niedrige Rauschpegel ist auf die Betriebsbedingungen nahe dem absoluten Nullpunkt und die fast vollständige Abschirmung des Sensors vor Umgebungseinflüssen wie Temperatur, Luftdruck und Magnetfelder zurückzuführen. Durch die Verwendung supraleitender Spulen, in denen nach einer Initialisierung Ströme dauerhaft und konstant fließen, wird eine Langzeitstabilität erreicht, die geräteabhängig zwischen 0 und 100 nm/s² pro Jahr beträgt. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, einen breiten Spektralbereich der Beschleunigungsänderungen mit hoher Auflösung zu erfassen. Das Spektrum reicht von den seismischen Eigenmoden der Erde mit Perioden ab 10 Minuten über die Erdgezeiten mit Perioden überwiegend im halb- und ganztägigen Bereich bis hin zur Variation der Zentrifugalbeschleunigung infolge der Polbewegung mit Perioden von 365 und 435 Tagen (Chandler-Periode).

Konstruktion:

Das gesamte Gravimeter befindet sich in einem mit flüssigem Helium gefüllten Tieftemperaturgefäß ("Dewar"). Im Inneren des Gefäßes wird die Temperatur auf 4,2 Kelvin konstant gehalten. Durch ein Kühlaggregat im Kaltkopf wird permanent verdampftes Helium rekondensiert, so daß kein Nachfüllen von Helium erforderlich ist. Ein Gummibalg verhindert, daß Vibrationen von dem Kaltkopf auf das Gravimeter übertragen werden. Der Sensor selbst befindet sich in einem evakuierten Vakuumzylinder. Den Aufbau des Sensors zeigt eine Konstruktionszeichnung. Die Position der Probemasse, einer Niobkugel von 1 Zoll Durchmesser, wird durch eine kapazitive Brücke erfaßt. Drei entsprechende kugelsegmentförmige Kondensatorplatten umgeben die Kugel. Eine Feed-Back Spule hält die Kugel in Position. Der Spulenstrom ist proportional der Rückstellkraft und dient als Meßsignal. In einem DSG sind die beiden Sensoren im Abstand von 20 cm vertikal übereinander angeordnet. Jeder Sensor ist an einen Kupferzylinder thermisch angekoppelt, dessen Temperatur durch ein Ge-Thermometer und ein Heizelement konstant gehalten wird. Das Thermometer befindet sich zwischen beiden Sensoren im Bereich der Aufhängung, wo der Wärmefluß zwischen den Sensoren und dem Heliumbad am besten kontrolliert werden kann. Damit wird eine Temperaturstabilität von wenigen Mikrokelvin erreicht.

Die exakte vertikale Justierung beider Systeme erfolgt durch Seitenspulen. Zeitliche Abweichungen von der Lotrichtung werden durch zwei Vertikalpendel erfaßt. Diese Neigungen werden durch ein automatisches "tilt compensation system" kompensiert, indem zwei der drei Aufstellungsfüße thermisch höhenverstellbar sind ("thermal levelers").