DE68915455T2 - Messer für gradienten durch schwerkraft. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gravitationsgradiometer, und zwar insbesondere auf ein Gradiometer zum Messen außerdiagonaler Komponenten des Gravitationsgradienttensors, und schafft des weiteren ein neuartiges Biegedrehlager, das insbesondere, obwohl sicherlich nicht ausschließlich, in der Gravitationsgradiometrie angewendet wird.
• Das Gravimeter findet bei der geologischen Vermessung weite Verwendung, um die ersten Differentialquotienten der Gravitationspotentialfunktion der Erde - das Gravitationsfeld - zu messen. Da es schwierig ist, räumliche Gravitationsveränderungen von zeitlichen Schwankungen der Anzugsmomente eines sich bewegenden Fahrzeugs zu unterscheiden, können diese Messungen nur mit landgestützten, stationären Instrumenten mit ausreichender Präzision für eine zweckdienliche Untersuchung vorgenommen werden. Diese Schwierigkeit wird im Prinzip dadurch umgangen, daß die zweiten Differentialquotienten des Potentials - Gravitationsgradienten - gemessen werden, aber der Entwicklung eines zufriedenstellenden Gradioineter-Instruments ist bis heute lediglich ein begrenzter Erfolg beschieden gewesen. Es wird angenommen, daß die Gravitationsgradiometrie speziell geeignet ist zur Lokalisierung geologischer, Kohlenwasserstoffe tragender Strukturen, zur geologischen Kartierung und zur Lokalisierung von Minerallagerstätten hoher Dichte (z. B. Sulfide und Eisenerz) und niedriger Dichte (z. B. Pottasche).
• Obwohl es nicht ganz korrekt ist, vom Gravitationsgradienten zu sprechen, ist dieser Begriff in den allgemeinen Sprachgebrauch eingegangen und wird vorliegend verwendet. Die zweiten Differentialquotienten des Gravitationspotentials werden begrifflich genauer mit Gravitationsgradienten bezeichnet und bilden den Gravitationsgradienttensor mit den Komponenten gxx, gyy, . . . gzz, wobei die Z-Achse auf herkömmliche Weise als parallel zur Ortsvertikalen verlaufend angenommen wird. Es gibt neun solcher Komponenten, von denen nur fünf unabhängig sind, da der Tensor augenscheinlich symmetrisch und das Potential ein Skalarfeld ist, welches die Laplace-Gleichung befolgt.
• Die Schlüsselelemente eines Gravitationsgradiometers sind ein Paar von im wesentlichen Identischen, beabstandeten Massen, und der Zweck besteht darin, Unterschiede zwischen den Gravitationskräften auf den betreffenden Massen zu messen. Die Wirksamkeit erfordert Messungen eines Unterschiedes dieser Art, wenn er sich nur einem Teil in 10¹² der üblichen Gravitation nähert. Die Lösungsversuche in Sachen eines Messens von Gravitationsgradienten lassen sich bisher in zwei breite Klassen einordnen. Der erste dieser Lösungsversuche hat die Differentialmodulation eines Signals oder Parameters durch den Unterschied zwischen den gravitationsinduzierten Beschleunigungen der beiden Massen zur Folge. Die zweite Technik bezieht die direkte Messung der reinen Gravitationsbeschleunigung einer Masse relativ zur anderen mit ein.
• Die auf Standard Oil Company lautende GB-PS 2 922 243 offenbart ein Gravitationsgradiometer in der ersten Klasse. Ein Element, das in dieser PS zwar als Massendipol beschrieben ist, aber begrifflich korrekter mit Massenquadrupol bezeichnet wird, ist auf einem Ende eines Spannungsoptischen Modulatorelements koaxial montiert, welches im Hohlraum eines Ringlasertubus positioniert ist, um Betriebsarten einer zirkularen Polarisation in Erwiderung auf die Aufbringung eines Drehmoments differentialzumodulieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei Massenquadrupole auf gegenüberliegenden Enden des Modulatorelements montiert, um Drehbeschleunigungsgeräusch zu kompensieren. Eine eng darauf bezogene Entwicklung, vorgenommen durch den gleichen Erfinder Lautzenhiser und in der US-PS 4 255 969 beschrieben, macht von tatsächlichen Massendipolen in Verbindung mit den jeweiligen Spannungsoptischen Modulatorelementen Gebrauch.
• Eine andere Modulationstechnik bezieht das Drehen einer Plattform mit ein, die geeignete Anordnungen von Massenpaaren trägt. Verschiedene Instrumente dieser Art sind von Jekeli im 69 EOS (Nr. 8) zusammengefaßt. Eines dieser Instrumente ist von Metzger weiterentwickelt worden und besteht aus elektronisch angepaßten Paaren von Beschleunigungsmessern auf einer sich drehenden Plattform. Die Plattform moduliert die Summe von entgegenwirkenden Beschleunigungssignalen mit einer Frequenz, die zweimal ihre Rotationsfrequenz ist. Diese Modulationssysteme erfordern eine äußerst hohe Einheitlichkeit in der Drehung und die Verwendung eines Lagers, eines Rotationsantriebs und einer Überwachungstechnologie, die noch nicht so ausgereift ist, um die Instrumente in einem passenden Maßstab für Messungen aus der Luft oder in Bewegung von Land aus zum Zweck einer geophysikalischen Bodenschatzuntersuchung, im Gegensatz zur geodätischen Vermessung, praktisch geeignet zu machen. Die Alternative zu einer Direktmessung von Gravitationsgradientkomponenten erfordert einen sehr hohen Grad an elektronischer, magnetischer, thermischer und Schwingungsisolierung, um die benötigte Meßgenauigkeit zu erreichen. Die Maschinen hatten bis jetzt eine schlechte räumliche Auflösung und einen hohen Geräuschpegel.
• Ein Instrument zum Messen der diagonalen Komponenten gxx, gyy und gzz und des Gravitationsgradienttensors ist von van Kann et al in der Veröffentlichung IEEE Trans. Magn. MAG-21 610 (1985) beschrieben und im NERDDP End-Of-Grant Report (1986) über Projekt Nr. 738 weiter im einzelnen dargelegt. Dieses Instrument besteht aus einem Paar von Beschleunigungsmessern, die derart montiert sind, daß ihre Empfindlichkeitsachsen übereinstimmen. Der Unterschied in der Verschiebung der Beschleunigungsmesser ist proportional der Komponente des vorgegebenen Tensorgradienten und wird durch die modulierte Induktivität einer benachbarten, supraleitenden Spule erfühlt. Dieses Instrument hat den Nachteil, daß Membranfedern sowohl als Halterungen für die Massen als auch als Gradientsensoren dienen. Der erstgenannte dieser Zwecke erfordert eine größere Steifigkeit in den Federn, während der zweitgenannte dieser Zwecke eine Erhöhung der Weichheit der Federn notwendig macht. Mit dem van-Kann-Instrument ist es auch sehr schwierig, eine axiale Ausrichtung der Massen und ein Trimmen der Federhalterungen mit der Genauigkeit zu erreichen, welche benötigt wird, um die Abschwächungsfaktoren einer Beschleunigung der allgemeinen Betriebsart zu erhalten, wie sie für die verlangte Genauigkeit erforderlich sind.
• Die US-PS 3 424 006 offenbart ein supraleitendes Gravimeter, das von einer magnetischen Aufhängung und einem schwebenden, supraleitenden Element Gebrauch macht, das von dem Magnetfeld getragen wird, welches durch Strom erzeugt wird, der durch eine supraleitende Schleife oder Spule fließt.
• Die SU-PS 636 573 beschreibt ein Gravimeter mit supraleitendem Trägheitselement, wobei ein Zylinderelement in ein elektromagnetisches Feld von supraleitenden Spulen eingehängt ist.
• Die SU-PS 421 966 beschreibt ein Gravimeter, das von Supraleitern zum Sensorschweben mit Fühlspule und supraleitenden Verstärkern im Rückkoppelungskreis Gebrauch macht.
• Die WO-PS 89/05462 offenbart ein supraleitendes Drei- Achsen-Gradiometer mit einer Schwebespule und einer supraleitenden, negativen Federspule, welche auf die Spulenform gewickelt ist.
• Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist erkannt worden, daß, mit Bezug auf das van-Kann-Instrument, bedeutende Vorteile erhalten werden können und daß die Direktmessung von Gravitationsgradienten leichter gemacht wird, indem statt dessen außerdiagonale Komponenten des Gravitationsgradienttensors mittels eines und vorzugsweise zweier drehgelagerter Massenquadrupole gemessen werden, welche von einem Biegedrehlager getragen werden, und indem das Vorsehen einer Massenabstützung durch die Eigenschaft einer verhältnismäßig starren Zugfeder gegenüber der Fühlfunktion, die durch die Eigenschaft einer verhältnismäßig weichen, sich biegenden Feder geschaffen wird, unterscheidungskräftig herausgestellt wird.
• Gemäß ihrem ersten Aspekt sieht die Erfindung dementsprechend ein Gravitationsgradiometer vor, bestehend aus einem Gehäuse, einer Einrichtung, welche im Innern des Gehäuses montiert ist, so daß sie auf einen Gravitationsgradienten auf demselben anspricht, und einer Einrichtung zum Überwachen dieses Ansprechens, und dadurch gekennzeichnet, daß die auf einen Gravitationsgradienten ansprechende Einrichtung einen Körper umfaßt, der im Innern des Gehäuses zwecks Feindrehbiegung als Massenquadrupol um eine Achse montiert ist, die im wesentlichen durch den Massenmittelpunkt des Körpers verläuft; daß die Überwachungseinrichtung eine Anordnung von Wandlervorrichtungen umfaßt, die im Innern des Gehäuses getragen werden und in enger Nachbarschaft zum Körper positioniert sind, um eine Rotationskraft auf den Körper mit Bezug auf die Biegungsachse aufzubringen und/oder um durch Induktivitäts- oder Kapazitätsmodulation auf die Drehbiegung des Körpers anzusprechen, welche aus einem Gravitationsgradienten quer über den Körper entsteht, und daß die Anordnung derart eingerichtet ist, daß sie diese Kraft in jeder Rotationsrichtung um die Achse aufbringt und auf Biegung in jeder Rotationsrichtung um die Achse anspricht.
• Vorzugsweise schließt das Gehäuse ein Paar von elektromagnetischen Schutzverkleidungen ein, von denen die eine innerhalb der anderen angeordnet ist; der Körper enthält supraleitendes Material, und die Wandlervorrichtungen weisen supraleitende Spulen auf, welche von der äußeren dieser Verkleidungen getragen werden, um die Rotationskraft diamagnetisch aufzubringen.
• Die beiden Verkleidungen sind zweckmäßigerweise eng anliegende, längliche Kästen, und der Quadrupolkörper ist vorzugsweise ein passender fester Körper von komplementärer Form. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel befindet sich eine supraleitende Spule auf gegenüberliegenden Seiten jedes Arms des Quadrupolkörpers zu jeder Seite einer Biegungsdrehlagerung. Es können auch weitere Spulen zu jeder Seite des Körpers an der Achse und an jedem Ende des Körpers vorhanden sein, um die Translationsbewegung des Körpers zu überwachen.
• Wie allgemein üblich, wird der Begriff "supraleitend" vorliegend zum Bezeichnen eines Materials verwendet, das, zumindest unterhalb einer charakteristischen kritischen Temperatur, supraleitend ist. Ein derartiges geeignetes Material ist Niob, das eine kritische Temperatur von ungefähr 9 K hat.
• Das vorstehend beschriebene Gravitationsgradiometer wird natürlich vorzugsweise in einem System gelagert, das gegen Elektrizität, Magnetismus, Wärme und Schwingungen auf eine Weise abgeschirmt ist, die derjenigen ähnelt, welche im vorerwähnten End-Of-Grant-Bericht beschrieben wird.
• Vorzugsweise sind zwei Gradiometer vorhanden, die in einem einzigen Instrument zusammengekoppelt sind, wobei die Biegungsachsen ihrer jeweiligen Quadrupolkörper zwar parallel verlaufen und vorzugsweise zusammenfallen, aber wobei die Quadrupolkörper wechselseitig orthogonal ausgerichtet sind und orthogonal zu den Biegungsachsen verlaufen.
• Die Biegedrehhalterung für den Massenquadrupolkörper kann ein Biegelager wie den im Handel erhältlichen Bendix- Drehzapfen einschließen. Es wurde jedoch festgestellt, daß dieses Lager nicht ganz zufriedenstellt, da es aus mehreren unterschiedlichen Metallen, die aneinander befestigt sind, hergestellt ist, und dies ruft aufgrund von unterschiedlichen Wärmeexpansionskoeffizienten und anderer Parameterveränderungen, die bei der Art von Genauigkeit, welche im vorliegenden Zusammenhang erwünscht ist, kritisch werden, bedeutende Probleme hervor.
• Daher sieht die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt ein Biegedrehlager vor, das gekennzeichnet ist durch ein Paar von Teilen mit gegenüberliegenden, dicht beabstandeten Flächen, welche durch einen Steg von mikroskopischer Dicke in einer Ebene verbunden sind, die die Flächen schneidet; durch die Tatsache, daß die Teile und der Steg aus einem einstückigen Körper aus im wesentlichen einheitlichem Material bestehen, und durch die Tatsache, daß die Teile für die wechselseitige Drehbiegung um eine Lagerung geeignet sind, die entlang des Stegs ausgerichtet ist.
• Die Erfindung kann, gemäß ihrem zweiten Aspekt, besonders nutzbringend als Halterung für den Massenquadrupolkörper des vorstehend beschriebenen Gravitationsgradiometers gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung angewendet werden. Zu diesem Zweck wird das Lager vorzugsweise aus einer einzigen Masse aus einem supraleitenden Material wie Niob geschnitten.
• Die beiden Teile des Lagers können ein im allgemeinen ringförmiger Körper und ein zweiter Körper innerhalb des ringförmigen Körpers sein.
• Die Erfindung wird nunmehr lediglich beispielsweise und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben; es zeigen:
• Fig. 1 einen schematischen, axialen Querschnitt durch einen Gravitationsgradiometer-Montageaufbau gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, der in einer Kardanaufhängung im Innern eines Vakuum-Abschirmbechers zum Zwecke eines rotationsstabilisierten Supraleitungsbetriebs gehalten wird;
• Fig. 2 eine Vergrößerung eines Teils von Fig. 1 die den Gradiometer-Montageaufbau in seiner tatsächlichen Größe veranschaulicht;
• Fig. 3 einen Querschnitt auf der Linie 3-3 in Fig. 2;
• Fig. 4 eine (5fache) Vergrößerung des Biegedrehlagers, durch das jeder der wechselseitig orthogonalen Massenquadrupolstäbe im Gradiometer-Montageaufbau gehalten wird;
• Fig. 5A eine noch weitere (50fache) Vergrößerung des Lagers im Bereich des Stegs;
• Fig. 5B eine der Fig. 5A ähnliche Ansicht eines alternativen Drehlagers;
• Fig. 6 einen ausführlicheren axialen Querschnitt durch einen der Spulen/Spulen-Haltermontageaufbauten;
• Fig. 7 und 8 jeweils Stirnansichten des in Fig. 6 dargestellten Montageaufbaus und
• Fig. 9 den Aufbauplan des supraleitenden Kreises für das Gradiometer.
• Die dargestellte Vorrichtung 10 enthält einen Gradiometer-Montageaufbau 12, der von einer zweiachsigen oder dreiachsigen Kardanaufhängung 14 im Innern eines Vakuum- Abschirmbechers 16 gehalten wird. Die Vorrichtung 10 bildet eine Dewar-Sonde, die in ein (nicht dargestelltes) Dewar- Gefäß eingehängt und darin in Flüssighelium getaucht werden kann. Der Abschirmbecher 16 schafft eine evakuierbare Umhüllung, welche dadurch auf oder nahe Flüssigheliumtemperatur zum Zwecke eines Supraleitungsbetriebs des Gradiometer-Montageaufbau 12 gehalten werden kann. Eine Wärmeabschirmung 17 kann um den Gradiometer-Montageaufbau angebracht sein, um die Strahlungs- und die gasleitende Wärmeübertragung zwischen dem Gradiometer-Montageaufbau und dem Vakuum-Abschirmbecher zu reduzieren. Die ganze Apparatur einschließlich der Dewar-Einrichtung kann ohne weiteres in einem Luft- oder einem anderen sich bewegenden Fahrzeug montiert werden.
• Tatsächlich schließt der Gradiometer-Montageaufbau 12 zwei im wesentlichen identische Gradiometer 20, 20' ein, die derart ausgerichtet sind, daß sie gxy - und gyx-Komponenten des Gravitationsgradienttensors messen können. Die Gradiometer 20, 20' sind oberhalb und unterhalb eines mittigen Kastenaufbaus 40 verbolzt und enthalten jeweils ein Paar von rechteckigen Kastenumhüllungen 22, 23, z. B. aus Niob, von denen die eine innerhalb der anderen angeordnet ist, und äußere Niob-Seitenplatten 60, welche einen von der elektromagnetischen Strahlung herrührenden, umgebenden Schirm bilden. Die Umhüllungen 22, 23 sind typischerweise Niob-Umhüllungen und schaffen zwei weitere Niveaus einer universellen elektromagnetischen Abschirmung.
• Ein fester Stab 25 aus Supraleitendem Material wie Niob ist auf einem Lager 21 innerhalb der inneren Umhüllung 23 zum Zwecke einer Feindrehbiegung als Massenquadrupol um eine Achse 8 montiert, die im wesentlichen durch den Mittelpunkt der Masse des Stabes verläuft. Die Biegungsachsen der beiden Stäbe 25, 25' fallen zusammen, und die Stäbe erstrecken sich in horizontalen Ebenen, welche in den x- und y-Richtungen wechselseitig orthogonal verlaufen. Das Vorsehen eines Paars von orthogonalen Quadrupolstäben gestatten eine effektive Eliminierung von Rotationsbeschleunigungen der allgemeinem Betriebsart, d. h. von Rotationsgeräusch an jedem Stab. Die Gradiometer können, je nach den interessierenden Gradientkomponenten, natürlich unterschiedlich ausgerichtet sein.
• Jedes Gradiometer 20, 20' schließt des weiteren eine Anordnung von supraleitenden Spulen 30 ein, die auf Haltern 70 montiert sind, welche ihrerseits von der äußeren Umhüllung 22 getragen werden. Die Spulen 30 sind in dichter Nachbarschaft zum Quadrupolstab 25 positioniert.
• Die (nicht dargestellte) Dewar-Einrichtung würde typischerweise aus einem äußeren Vakuumbehälter von ca. 450 mm Durchmesser und 1,3 m Höhe sowie aus einem inneren Schacht von 300 mm Durchmesser bestehen, welcher von einem Glasfaser-Rohrstutzen geschaffen wird, der in die Öffnung in der Decke des Außenmantels eingehängt ist. Der Raum zwischen dem inneren Schacht und dem Außenmantel wird permanent evakuiert und ist typischerweise mit Wärmestrahlungsschilden ausgestattet, die von zahlreichen Lagen einer aluminisierten Mylar-Superisolierung umgeben sind. Der Vakuum-Abschirmbecher 16 wird, ausgehend von einer Aluminium-Deckplatte, innerhalb der Dewar-Einrichtung gehalten, die an der Öffnung der Dewar-Einrichtung befestigt ist. Die Deckplatte und der Vakuum-Abschirmbecher sind durch einen Rohrstutzen 13 verbunden, über den der Vakuum-Abschirmbecher beispielsweise bis hinunter auf 10&supmin;&sup8; bis 10&supmin;¹&sup0; Torr evakuiert wird. Die Kardanaufhängung 14 ist an einer starren Aluminiumplatte 15 von 25 mm Dicke befestigt, welche mit dem unteren Flansch 15a des Rohrstutzens verbolzt ist und weiterhin einen Deckel für den Becher 16 bildet.
• Die Kardanaufhängung 14 besteht aus drei Kardanringen 43, 44, 45, die auf (nicht im einzelnen dargestellte) Biegedrehzapfen wie Bendix-Kreuz stegdrehzapfen montiert sind. Die Aufhängung 14 schafft eine dreiachsige Rotationsisolierung für den Gradiometer-Montageaufbau 12 und schließt des weiteren (nicht dargestellte) faseroptische Rotationssensoren jeweils für die x- und die y-Achse sowie entsprechend zugeordnete supraleitende elektromechanische, diamagnetische Betätigungseinrichtungen für die aktive Stabilisierung in einem von den Rotationssensoren gesteuerten Servokreis ein.
• Anstelle der faseroptischen Sensoren kann auch eine optische Fernfühlanordnung Verwendung finden, die eine physikalische Separierung der Stabilisierung gestattet und die Benutzung eines Zimmertemperaturgyroskops ermöglicht. Bei dieser (nicht gezeigten) Anordnung wird ein kollimiertes Lichtstrahlenbündel aus einem Laser oder einer Leuchtdiode, welche an einem gyroskopischen Zimmertemperatur- Inertialbezugssystem starr befestigt ist, von einem Planspiegel reflektiert, welcher am Gradiometer-Montageaufbau starr befestigt ist. Die Rotation des Gradiometer-Montageaufbaus um irgendeine orthogonal zum Lichtstrahlenbündel verlaufende Achse kann dann durch Messung des Winkels zwischen dem einfallenden und dem reflektierten Strahlenbündel erfühlt werden. Dies wird erreicht mittels eines positionssensitiven Lichtdetektors, welcher starr an der Lichtquelle angebracht ist, wobei seine planare Fühlfläche senkrecht zum Strahlenbündel verläuft. Tatsächlich mißt der Detektor die x- und y-Koordinaten der Position des Lichtflecks aus dem reflektierten Strahlenbündel, und davon wird Gebrauch gemacht, um die relative Ausrichtung des Gradiometer-Montageaufbaus zu überwachen. Die Isolierung gegen mechanische Schwingungen ist zwar nicht dargestellt, kann aber auf herkömmliche Art vorgesehen werden.
• Schwingungen, welche entlang der externen Instrumentausrüstungs-Leitungskabel zur Dewar-Einrichtung wandern, können dadurch aufgefangen werden, daß alle Kabel nahe ihrem Mittelpunkt an einen massiven Bleiquader befestigt werden, der selbst an einer weichen Feder aufgehängt ist.
• Die Gradiometer 20, 20' sind jeweils im wesentlichen miteinander identisch, und daher wird jetzt vorgeschlagen, nur die Konstruktion des Gradiometers 20 unter spezieller Bezugnahme auf Fig. 2 und 3 im einzelnen zu beschreiben. Wie bereits erwähnt, sind die Umhüllungen 22, 23 von rechteckiger, kastenartiger Konfiguration und jeweils aus einem Aufbau aus einer Deckplatte, einer Bodenplatte, Seitenplatten und Stirnplatten zusammengesetzt. Die innere Umhüllung 23 befindet sich zwar im Innern der äußeren Umhüllung 22 im Festsitz, ist jedoch derart angeordnet, daß sie bei Entfernung der Bodenplatte der äußeren Umhüllung 22 hinein- und hinausgleiten kann. Die innere Umhüllung ist mit mehreren kreisförmigen Öffnungen 24, die jeweils Spulenhalter 70 aufnehmen, und auf ihrer Bodenplatte 23a mit einer Buchse 26 für das Biegelager 21 versehen, das den Stab 25 trägt.
• Das Biegelager 21 ist in den vergrößerten Fig. 4 und 5A, 5B ausführlich dargestellt und wird dadurch gebildet, daß mittels einer maschinellen elektro-erosiven Bearbeitung (engl. Abk. : EDM) ein fast lückenloser Abschnitt 27 durch den Stab 25 erstellt wird, der parallel zur Achse 8 verläuft, abgesehen von einem mikroskopisch dünnen Steg 29, welcher sich über die Breite des Stabes längs der Achse 8 im Massenmittelpunkt des Stabs erstreckt. Beim Beispiel in Fig. 5A begrenzt der Abschnitt 27 einen teilzylindrischen Kern 28 von 2700, der mit drei Gewindebohrungen 28a an einem Ende zur Befestigung des Kerns an der Buchse 26 versehen ist. Der Kern kann, falls erwünscht oder erforderlich, natürlich an beiden Enden gehalten werden.
• Weitere (nicht dargestellte) Gewindebohrungen sind im Stab vorgesehen, um kleine Schrauben aufzunehmen, deren Position verschoben werden kann, damit teilweise ein Massenausgleich des Stabes um die Achse 8 erzielt wird. Die radialen Teile 27a des Abschnitts 27 sind an ihren inneren Enden in rechtwinklige Segmente 27b abgeknickt, die durch den Steg 29 ausgerichtet und separiert werden. Zu jeder Seite des Stegs ist der Abschnitt an jeder Seite bei 27c leicht ausgebeult, um den Steg zu verlängern und seine Steifigkeit zu verringern, wenn er als Drehzapfen wirkt. Der Steg 29 begrenzt einen Mikrodrehzapfen von ungefähr 0,030 mm Dicke, 0,200 mm Länge und 30 mm Breite?, der Breite des Stabes 25. Fig. 5B zeigt einen zur Fig. 5A alternativen Abschnitt.
• Wie insbesondere aus Fig. 4 und 5A, 5B hervorgeht, begrenzen der Kern 28 und der danebenliegende, nach innen vorspringende Teil 31 ein Paar von Teilen mit gegenüberliegenden, dicht beabstandeten Bereichen 28b, 31b oder 28b', 31b', welche durch den Steg 29 in einer Ebene verbunden sind, die sich über die Breite des Stabes erstreckt. Diese Teile sind für eine wechselseitige Drehbiegung um eine Lagerung geeignet, die längs des Stegs 29 ausgerichtet ist. Es sei ebenfalls bemerkt, daß die Teile 28, 31 und der Steg aus einem einstückigen Körper aus im wesentlichen einheitlichem Material, in diesem Fall aus Niob, bestehen. Insbesondere kann der Quadrupolstab 25 eine Feindrehbiegung auf dem Mikropivotsteg 29 zwischen Winkelbegrenzungen ausführen, welche durch Berührung zwischen den gegenüberliegenden Flächen der radialen Teile 27a des Abschnitts 27 festgelegt werden. Diese Winkelbegrenzung liegt bei ungefähr 3 Grad und ist in jedem Fall in etwa der Betrag, der zu einer unelastischen Verformung des Stegs führen würde.
• Die Abmessungen des Stabes 25 sind so gewählt, daß er 30,00 mm im Viereck und 90,0 mm lang ist; dadurch wird ein Gradientsensor mit einer Eigenfrequenz von ungefähr 1 Hz hergestellt, bei der die Sensitivität gegenüber Anzugsmomenten über elastische Verformungen des Stabes und des Pivotstegs 29 verhältnismäßig gering gemacht wird.
• Die Halterung jeder supraleitenden Spule 30 ist am besten in Fig. 6 bis 8 zu sehen. Jeder Halter 70, ein maschinell bearbeitetes Stück aus Niob, ist von kreisförmigem Querschnitt und hat einen äußeren peripheren Halteflansch 72. Der Halter hat des weiteren eine koaxiale Innenausnehnung 71 für einen Glasfaser-Spulenrahmen 74. Die Spule 30 ist eine Flachspule, d. h. eine flache Spirale, die auf die freigelegte Oberfläche des Rahmens 74 gewickelt ist und durch Epoxidharz an Ort und Stelle gehalten wird. Der notwendigerweise supraleitende und zweckmäßigerweise aus Niob mit Rahmenisolierung bestehende Draht 80 tritt in die Mitte der Spirale über ein diagonal es Eintrittsloch 76 im Rahmen 74 ein, umkreist den Rahmen mehrere Male und tritt über einen Kanal im Rahmen aus. Die Löcher 75 im Rahmen 74 sind zum vorübergehenden Festklemmen des Montageaufbaus während des Wickelns bestimmt. Beide Drahtenden laufen durch ein Loch 78 im Halter 70 und dann entlang verschiedener (nicht dargestellter) Kanäle, welche in die Außenflächen der Umhüllung 22 maschinell eingearbeitet sind, und durch Löcher in die Umhüllung 40 hinein.
• Die Halter 70 werden in zueinander in Übereinstimmung gebrachten Öffnungen 24 in den Umhüllungen an Ort und Stelle gehalten und von einer der Schildplatten 60 abgedeckt, die auf der äußeren Umhüllung 22 durch Schrauben 73 od. dgl. an der dafür vorgesehenen Stelle befestigt sind. Die Platten 60, von denen auf den Seiten jeder Umhüllung 22 vier vorhanden sind, schützen die Drähte 80, die von den Spulen 30 zur Umhüllung 40 laufen. Das innere Ende jeder Spule liegt im wesentlichen in gleicher Ebene zur Innenfläche der inneren Umhüllung 23 in dichter Nachbarschaft zu einer Fläche des Stabes 25.
• Die Spulen 30 sind mit ihren Achsen in einer gemeinsamen horizontalen Ebene angeordnet, und zwar drei längs jeder Seite und eine an jedem Ende des Quadrupolstabs. Die Seitenspulen sind in gegenüberliegenden koaxialen Paaren angeordnet, und zwar ein Paar mit in gleicher Ebene zur Achse 8 liegender Achse und die anderen in Richtung jedes Endes des Quadrupolstabes 25. Die Endspulen 30a, 30b auf einer Seite werden als Druckspulen zum diamagnetischen Aufbringen einer Rotationskraft auf den und zum Erhöhen der Torsionsfestigkeit des supraleitenden Stabes in den jeweiligen Rotationsrichtungen um die Achse 8 verwendet. Die beiden gegenüberliegenden Spulen 30c, 30d auf der anderen Seite werden zum Ansprechen durch Modulation ihrer Induktivität auf eine Drehbiegung des Stabes 25 verwendet, die aus einem Gravitationsgradienten quer über den Stab entsteht, wobei die betreffenden Spulen auf eine Biegung in den jeweiligen Rotationsrichtungen um die Achse 8 ansprechen. Die verbleibenden vier Spulen werden auch als Lesespulen benutzt, aber zum Ermitteln einer Translationsbewegung des Stabes in den x- und y-Richtungen. Die Spulen sind im wesentlichen identisch und können deshalb, gegeneinander auswechselbar, entweder als Druckspulen oder Lesespulen oder in beiden Eigenschaften Verwendung finden.
• Die Druckspulen müssen eine Rückkoppelungsdämpfung und eine Fein-Abstimmung der Torsions-Resonanzfrequenzen der Quadrupolstäbe bewirken, um ihr Ansprechen den Winkelbeschleunigungen der allgemeinen Betriebsart um die Achse 8 genau anzupassen.
• Begrüßt wird die Tatsache, daß die Quadrupolstäbe 25 nicht unbedingt aus festem, supraleitendem Material wie Niob gebildet zu werden brauchen solange, wie sie supraleitendes Material zur Wechselwirkung mit den Spulen 30 enthalten. So kann jeder Stab beispielsweise eine Aluminiummasse sein, welche derart überzogen oder behandelt wurde, daß sie Niob an denjenigen Abschnitten ihrer Oberfläche enthält, die den Betriebsspulen zugewandt sind.
• Die acht Spulen jedes Satzes sind, wie in Fig. 9 schematisch dargestellt, in supraleitenden Kreisen verdrahtet, und ausführliche Anmerkungen zu diesen Kreisen finden sich im folgenden.
• Die von den Spulen kommenden supraleitenden Drähte 80 werden über maschinell eingearbeitete Kanäle in der Umhüllung 22 einer supraleitenden Verbindungsschnittstelle 41 im Innern der Umhüllung 40 zugeführt. Die verschiedenen benötigten Transformatoren sind ebenfalls innerhalb der Umhüllung 40 untergebracht.
• Weitere von dieser Schnittstelle kommende Leitungen durchlaufen Durchführungen 46 zum Äußeren des Montageaufbaus. Die Druckspulen werden betrieben, indem von Wärmeschaltern Gebrauch gemacht wird, um die Einführung gesteuerter Dauerströme zu ermöglichen, während die Einrichtung zum Ermitteln von Induktivitätsveränderungen in den Lesespulen ein oder mehrere supraleitende Quanteninterferometer (engl. Abk.: SQUIDs) einschließt, um eine Differentialbewegung zu erfühlen. Die Wärmeschalter und die Quanteninterferometer sind im Innern des Vakuum-Abschirmbechers 16 untergebracht. Die Schalter und die Stromquelle sind typischerweise computergesteuert.
• Da das Quanteninterferometer-Fühlsystem gegenüber äußerst geringen Veränderungen im Magnetfluß sehr empfindlich ist, sind sämtliche Leitungen und Bauteile durch geschlossene, supraleitende Schilde geschützt, welche z. B. aus Edelniobrohr bestehen. Externe Felder werden nach einem Exponentialgesetz gedämpft, während sie in die von den Schilden geschaffene Umhüllung eintreten: Die Geometrie des Rohrs ist so ausgelegt, daß das Umgebungs-Magnetfeld der Erde weniger als ein Flußquant im Innern des Schildes hervorruft.
• Die dargestellte, supraleitend betriebene Vorrichtung ist in der Lage, Winkelverschiebungen in der Größenordnung von 10&supmin;¹² Radianten zu messen. Es versteht sich, daß andere Materialien als Niob bei der Konstruktion des dargestellten Montageaufbaus Verwendung finden können. Die gewählten Materialien haben jedoch vorzugsweise ähnliche Wärmeexpansionskoeffizienten, und zumindest die Drähte, die Drahtabschirmungen und die Staboberflächen bestehen aus supraleitendem Material. Die Umhüllungen sind zum Zwecke einer guten Temperatursteuerung wünschenswerterweise aus einem Material hergestellt, das ein guten Wärmeleiter ist, um Temperaturgradienten quer über das Gradiometer zu minimalisieren. Das bevorzugte Material für den Gradiometerkörper (Stäbe, Umhüllungen, Schilde) ist Niob.
• Die bevorzugte Kreisanordnung für das Gradiometer besteht aus fünf Kreisen dreier unterschiedlicher Arten. Es sind dies die HAUPTAUSLESUNG (Fig. 9A), die BESCHLEU- NIGUNGSÜBERWACHUNGSKREISE (Fig. 9B) und die DRUCKKREISE (Fig. 9C). Es sind zwei Beschleunigungsüberwachungskreise zum Messen von Beschleunigungen in den x- und y-Richtungen und zwei Druckkreise für die betreffenden Stäbe 25, 25' vorhanden. Ehe die drei Kreisarten beschrieben werden, sind einige allgemeine Bemerkungen angebracht:
• 1. Die Vorrichtung kann im Prinzip so ausgerichtet sein, daß sie jede beliebige außerdiagonale Komponente des Gravitationsgradienttensors mißt. In den Zeichnungen zeigen alle Figuren durchgehend ein Gradiometer mit parallel zur Vertikalen verlaufender z-Achse. Fig. 3, die die x-Achse parallel zur Längsachse des Stabes verlaufend zeigt, ist der Querschnitt durch die untere Spulenumhüllung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Das heißt: Die x-Achse verläuft parallel zur Längsachse des unteren Quadrupolstabes 25, und die y-Achse verläuft parallel zur Längsachse des oberen Stabes 25'.
• 2. In den Kreisen sind die zum Erfühlen einer supraleitenden Oberfläche eines Stabes verwendeten Flachspulen entsprechend ihres Benutzungszwecks etikettiert. DRUCK 1 und DRUCK 2 sind daher Druckspulen, X und Y sind Beschleunigungslesespulen, und R+ und R- sind Rotationslesespulen.
• 3. Die Kreise bestehen aus mehreren Elementen. Der Ausgang jedes Kreises geht von einem Quanteninterferometer aus, dessen Eingang mit dem Rest seines Kreises mittels eines abgeschirmten, toroidalen, eisenkernlosen Transformators gekoppelt ist. Somit sind fünf Quanteninterferometer vorhanden, und zwar eines für jeden Kreis.
• 4. Es gibt zwei Arten von Induktoren: die der toroidalen Art und die der Flachspiral-Art (Flach-Art). Alle Spulen, die einer Quadrupol-Oberfläche zugewandt sind, sind Flachspulen. Die übrigen Induktoren sind toroidal.
• 5. Bei dem dargestellten Instrument besteht ein "Wärmeschalter" aus einem Heizdraht, der sich in engem Wärmekontakt mit einem dünnen, supraleitenden Rohr befindet, das eine Schleife aus supraleitendem Draht enthält, welcher sich zwar mit dem Rohr in gutem Wärmekontakt befindet, aber von diesem elektrisch isoliert ist. Das Rohr bewirkt eine elektromagnetische Abschirmung für die Schleife, die ein Teil des supraleitenden Kreises ist. Durch Aktivierung des Heizdrahts kann ein Teil der Schleife auf eine Temperatur über seine Supraleitungs-Übergangstemperatur erwärmt werden. Dieser nicht supraleitende Teil wird dann zu einem elektrischen Widerstand, der jeden durch die Schleife gehenden Strom abführt und das Injizieren eines neuen Stroms über die Pumpleitungen gestattet.
• Im Prinzip kann die Wärmeschalterkonstruktion verfeinert oder durch irgendein anderes Verfahren ersetzt werden, das die Abführung und die Injektion von Strömen in den supraleitenden Kreisen erlaubt.
• Obwohl ein Gravitationsgradiometer linearen Beschleunigungen gegenüber eigentlich unempfindlich ist, können diese Beschleunigungen in der Praxis wegen Begrenzungen des erzielbaren Beschleunigungsabschwächungsfaktors der allgemeinen Betriebsart und wegen Effekte zweiter Ordnung, die durch elastische Verformungen des Mikropivotstegs 29 und des Quadrupolstabes 25, 25' induziert werden, schon eine Auswirkung haben. Folglich sind für die Messung von Beschleunigungen Beschleunigungsmesser erforderlich, so daß die Beschleunigungseffekte vom Gradientensignal auf geeignete Weise subtrahiert und die Beschleunigungen für eine beliebige nachfolgende Datenanalyse aufgezeichnet werden können.
• Als Beschleunigungsmesser kann die Bewegung des Quadrupolstabes 25 oder 25' als Ergebnis der vorerwähnten elastischen Verformungen verwendet werden oder es können separate Beschleunigungsmesser auf dem Gradiometerpaket montiert sein, um diese Funktion auszuführen. Auf jeden Fall finden zwei Beschleunigungsmesser Verwendung, die jeweils die linearen Beschleunigungen messen, welche parallel zur Längsachse eines Quadrupolstabes auftreten. Diese sind je nach den Richtungen dieser Achsen mit den Etiketten X und Y versehen. Die beiden Beschleunigungsüberwachungskreise (ein repräsentativer Kreis dieser Art ist in Fig. 9B dargestellt) , die ebenfalls mit den Etiketten X und Y versehen sind, führen einfach die Funktion des Lieferns von Beschleunigungsdaten zum Aufzeichnen aus.
• Die beiden Druckkreise (einer für jeden Stab) sind identisch, und deshalb ist in Fig. 9C nur einer dargestellt. Die folgende Beschreibung eines dieser Kreise trifft also in gleichem Maße auf den anderen zu.
• Die Druckkreisschleife führt einen Dauerstrom, der reguliert und gespeichert werden kann. Der sich ergebende Magnetfluß in der Schleife bedeutet, daß die Druckspulen als magnetische Federn wirken; dadurch wird die mechanische Torsionsresonanzfrequenz des Quadrupolstabes erhöht. Diese Technik wird zum Anpassen der Torsionsresonanzfrequenzen der beiden Stäbe verwendet. Die Abschwächung von Winkelbeschleunigungen um die z-Achse hängt davon ab, wie gut diese Frequenzen angepaßt sind. Aufgrund der Winkelbewegung des Stabes ergeben sich Modulationen des Stroms, und diese werden durch Kopplung der Druckschleife mit einem Quanteninterferometer erfühlt. Diese Ausgabe kann in Rückkopplung zur Servosteuerung von Winkelbeschleunigungen um die z-Achse verwendet werden.
• Der in Fig. 9A abgebildete Hauptauslesekreis führt die Funktion des Zusammenlegens der Winkelinformationen aus jedem der Ansprechkreise mit den x- und y-Beschleunigungsinformationen aus, um ein temperaturkompensiertes Ausgangssignal zu liefern, das proportional dem Gravitationsgradienten ist. Es sind fünf Schleifen vorhanden; in jeder von ihnen kann der Magnetfluß unabhängig eingestellt und dann gehalten werden. Es sind dies: die R- Schleife für den oberen Stab; die R-Schleife für den unteren Stab; die X-Beschleunigungsschleife (unterer Stab); die Y-Beschleunigungsschleife (oberer Stab) und schließlich eine Temperaturfühlschleife, in die hinein der Quanteninterferometer-Ausgangstransformator gekoppelt ist. Der Fluß in den X, Y-Schleifen wird getrimmt, so daß die Quanteninterferometer-Ausgabe von diesen beiden Beschleunigungen unabhängig ist. Auf ähnliche Weise wird der Fluß in jeder der beiden R-Schleifen eingestellt, um die Effekte einer Rotationsbeschleunigung um die z-Achse aufzuheben. Der Temperaturschleifenfluß wird so reguliert, daß er eine Tilgung erster Ordnung von geringen Temperaturinhomogenitäten im Gradiometer vornehmen kann.

Claims (17)

1. Gravitationsgradiometer, bestehend aus einem Gehäuse (22, 23); einer Einrichtung, die derart im Innern des Gehäuses montiert ist, daß sie auf einen Gravitationsgradienten auf demselben anspricht, und einer Einrichtung zum Überwachen dieses Ansprechens, dadurch gekennzeichnet, daß die auf einen Gravitationsgradienten ansprechende Einrichtung einen Körper (25) umfaßt, der im Innern des Gehäuses zum Zwecke einer Feindrehbiegung als Massenquadrupol um eine Achse montiert ist, welche im wesentlichen durch den Massenmittelpunkt des Körpers verläuft; daß die Überwachungseinrichtung eine Anordnung von Wandlervorrichtungen (30) einschließt, die im Innern des Gehäuses (22, 23) gehalten werden und in dichter Nachbarschaft zum Körper (25) positioniert sind, um eine Rotationskraft auf den Körper mit Bezug auf die Biegungsachse aufzubringen und/oder um durch Induktivitäts- oder Kapazitätsmodulation auf die Drehbiegung des Körpers, die aus einem Gravitationsgradienten quer über den Körper entsteht, anzusprechen, und daß die Anordnung derart eingerichtet ist, daß die Kraft in jeder Rotationsrichtung um die Achse aufgebracht wird und daß ein Ansprechen auf Biegung in jeder Rotationsrichtung um die Achse stattfindet.

2. Gravitationsgradiometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse ein Paar von elektromagnetischen Abschirmungsumhüllungen (22, 23) enthält, von denen die eine in der anderen angeordnet ist; daß der Körper (25) supraleitendes Material aufweist und daß die Wandlervorrichtungen aus supraleitenden Spulen (30) bestehen, welche von der äußeren (22) der Umhüllungen getragen werden und welche zum diamagnetischen Aufbringen der Rotationskraft dienen.

3. Gravitationsgradiometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Umhüllungen zweckmäßigerweise in dichtem Festsitz befindliche, längliche Kästen (22, 23) sind und daß der Körper vorzugsweise ein passender, fester Körper (25) von Komplementärform ist.

4. Gravitationsgradiometer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegungsachse den Körper jeweils in Arme des Körpers zu jeder Seite der Achse unterteilt und daß auf gegenüberliegenden Seiten jedes Arms eine supraleitende Spule (30a, 30c, 30b, 30d) vorhanden ist.

5. Gravitationsgradiometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu jeder Seite des Körpers an der Achse und an jedem Ende des Körpers weitere Spulen (30) vorhanden sind, um die Translationsbewegung des Körpers zu überwachen.

6. Gravitationsgradiometer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das supraleitende Material Niob ist.

7. Gravitationsgradiometer nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem System gehalten wird, das gegen Elektrizität, Magnetismus, Wärme und Schwingungen geschützt ist.

8. Gravitationsgradiometer nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper mittels eines Biegedrehlagers montiert ist, das ein Paar von Teilen mit gegenüberliegenden, dicht beabstandeten Flächen (28b, 31b) einschließt, welche durch einen Steg (29) von mikroskopischer Dicke in einer die Flächen schneidenden Ebene verbunden sind; daß die Teile und der Steg aus einem einstückigen Körper aus im wesentlichen einheitlichem Material bestehen und daß die Biegungsachse längs des Stegs ausgerichtet ist.

9. Gravitationsgradiometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager aus einer einzigen Masse aus einem supraleitenden Material geschnitten ist.

10. Gravitationsgradiometer nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Teile mit dem Quadrupolkörper einstückig ausgebildet ist.

11. Gravitationsgradiometer nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile des Lagers ein im allgemeinen ringförmiger Körper und ein zweiter Körper innerhalb des ringförmigen Körpers sind.

12. Instrument, bestehend aus einem Paar von Gradiometern nach einem vorhergehenden Anspruch, die in einem einzigen Instrument zusammengekoppelt sind, wobei die Biegungsachsen ihrer jeweiligen Quadrupolkörper parallel verlaufen, aber wobei die Quadrupolkörper wechselseitig orthogonal und orthogonal zu den Biegungsachsen ausgerichtet sind.

13. Instrument nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegungsachsen der jeweiligen Quadrupolkörper im wesentlichen zusammenfallen.

14. Instrument nach Anspruch 12 oder 13, im Falle einer Anfügung an Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Quadrupolkörpern zugeordnete, supraleitende Spulen in fünf supraleitende Schleifen hineingekoppelt sind, wobei in jeder von ihnen der Magnetfluß unabhängig reguliert und gehalten werden kann und wobei die Schleifen eine erste Schleife, die eine oder mehrere Spulen an einem oder beiden Enden eines der Quadrupolkörper enthält, eine zweite Schleife, die eine oder mehrere Spulen an einem oder beiden Enden des anderen der Quadrupolkörper enthält, dritte und vierte Schleifen, die die Spulen zum Aufbringen von Rotationskraft auf den und/oder zum Ansprechen auf Drehbiegung des betreffenden Quadrupolkörpers enthalten, und eine fünfte Schleife einschließen, die auf die Temperatur um die Quadrupolkörper anspricht.

15. Biegedrehlager, das insbesondere zum Erzielen der Drehbiegung des Körpers (25) eines Gravitationsgradiometers nach Anspruch 1 geeignet ist, gekennzeichnet durch ein Paar von Teilen mit gegenüberliegenden, dicht beabstandeten Flächen (28b, 31b), welche durch einen Steg (29) von mikroskopischer Dicke in einer die Flächen schneidenden Ebene verbunden sind, und dadurch gekennzeichnet, daß die Teile und der Steg aus einem einstückigen Körper aus im wesentlichen einheitlichem Material bestehen und daß die Teile für eine wechselseitige Drehbiegung um eine Lagerung geeignet sind, die längs des Stegs ausgerichtet ist.

16. Biegedrehlager nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager aus einer einzigen Masse aus einem supraleitenden Material geschnitten ist.

17. Biegedrehlager nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile des Lagers ein im allgemeinen ringförmiger Körper und ein zweiter Körper innerhalb des ringförmigen Körpers sind.