Mobiele gravimetrie is een belangrijke techniek in de metrologie, navigatie, geodesie en geofysica. Hoewel atomaire gravimeters momenteel worden gebruikt voor nauwkeurigheid, ze worden beperkt door instrumentale kwetsbaarheid en complexiteit. In een nieuwe studie, Xuejian Wu en een interdisciplinair onderzoeksteam in de departementen natuurkunde, de U.S. Geological Survey, moleculaire biofysica en geïntegreerde bio-imaging, demonstreerde een mobiele atomaire gravimeter. Het apparaat meet variaties in de getijde-zwaartekracht in het laboratorium en onderzocht de zwaartekracht in het veld.

Ze gebruikten de apparatuur om een ​​hoge gevoeligheid te bereiken voor metingen van de getijdenzwaartekracht met langdurige stabiliteit om de effecten van getijdenbelasting op de oceaan te onthullen, evenals verschillende verre aardbevingen. Het onderzoeksteam onderzocht de zwaartekracht in de Berkeley Hills om de dichtheid van ondergrondse rotsen te bepalen aan de hand van de verticale zwaartekrachtgradiënt. Het eenvoudige en gevoelige instrument dat in het onderzoek is ontwikkeld, zal de weg vrijmaken om atomaire gravimeters naar veldtoepassingen te brengen. Het werk is nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

Natuurkundigen gebruiken doorgaans lichtpuls-atoominterferometers om traagheidskrachten te meten naast studies om sub-zwaartekrachtkrachten op atomen te begrijpen. Gravimeters op basis van atoominterferometrie behoren tot de meest nauwkeurige en gevoelige instrumenten om de zwaartekracht nauwkeurig te meten, in tegenstelling tot bestaande instrumenten op basis van veren, supergeleidende spoelen, micromechanische apparaten of vallende hoekkubussen. Atoomgravimeters vertrouwen op materie-golf interferometriemetingen met een vrij vallende atomaire wolk. In zijn werkingsmechanisme, wetenschappers kunnen materiegolven in twee interferometerarmen sturen met behulp van het momentum van fotonen die extreem goed worden gedefinieerd door de geïntegreerde lasergolflengte.

Onderzoekers ontwikkelen momenteel verplaatsbare atomaire gravimeters voor toepassingen in de metrologie, waarneming in de lucht, scheepsonderzoeken en veldtoepassingen. Dergelijke instrumenten bereiken doorgaans gevoeligheden rond 5 tot 100 µGalileo (µGal) in het laboratorium, terwijl de atomaire gravimeter in zwaartekrachtonderzoeken slechts een precisie van ongeveer 1 mGal op een zeeschip had bereikt. Nauwkeurige mobiele gravimetrie is daarom waardevol voor zwaartekrachtmetingen met een onzekerheid van enkele microGalileo's in de metrologie. Bijvoorbeeld, ter ondersteuning van traagheidsnavigatie op zee, zwaartekrachtreferentiekaarten vereisen gravimeters met ten minste miliGalileo-nauwkeurigheid aan boord. Als resultaat, atomaire gravimeters moeten zowel gevoelig als mobiel zijn voor betrouwbare toepassingen in het veld.

In het huidige werk, Wu et al. demonstreerde een mobiele atomaire gravimeter in het laboratorium en tijdens veldoperaties. Het onderzoeksteam vergeleek de zwaartekracht gemeten in de experimenten met een solide aardtijmodel om de atomaire gevoeligheid aan te geven. Op basis van de instrumentele gevoeligheid Wu et al. waargenomen effecten van oceaangetijden en gemeten seismische golven van verre aardbevingen. Het onderzoeksteam voerde vervolgens zwaartekrachtonderzoeken uit in Berkeley Hills met behulp van het instrument. De atomaire gravimeter kan worden gebruikt voor geodetische en geofysische studies om de geoïde te verfijnen tijdens het verkennen van hulpbronnen, hydrologische studies en gevarenmonitoring voor nauwkeurige veldmetingen in de toekomst.

Wu et al. ontwierp de mobiele atomaire gravimeter op een atoominterferometer met een magneto-optische val (MOT) in een piramidespiegel met een doorgaand gat. Deze nieuwe geometrie bood veel voordelen; door eerst een differentiële pompfase te vormen tussen de MOT- en atoominterferometriegebieden, met een dampdrukverhouding van meer dan 10:1 om de snelheid van het laden van atomen te versnellen en verminderd achtergrondgeluid voor atoomdetectie. Door de opstelling konden de MOT- en interferometerlaserstralen verschillende tailles hebben om een ​​groot MOT-volume en een hoge Raman-straalintensiteit te bereiken met beschikbaar laservermogen. Als derde kenmerk, het onderzoeksteam stelde de atomaire gravimeter in staat om te profiteren van retroreflectie van een trillingsgeïsoleerde spiegel die ongevoelig is voor trillingen van de piramidespiegel. De trillingsisolatie was eenvoudiger en effectiever in vergelijking met traditionele piramidale atomaire gravimeters. Voor zijn vierde functie, Wu et al. gebruikte een platte spiegel als retroreflector om systematische effecten van onvolkomenheden in de piramidale opstelling te elimineren.

Het team voerde atoominterferometrie uit onder de piramidespiegel met behulp van Doppler-gevoelige twee-foton Raman-overgangen aangedreven door twee laserstralen en een Mach-Zehnder-geometrie. Omdat de atomen in vrije val bewogen, de wetenschappers verhoogden het laserfrequentieverschil tussen de twee bundels met een snelheid van α, die ze varieerden om versnelling in het systeem te verkrijgen. Ze gebruikten een enkele diodelaser met drie akoesto-optische modulatoren (AOM's) en één op vezels gebaseerde elektro-optische fasemodulator (EOM), om alle laserstralen te genereren die nodig zijn voor de APK, tijdens interferometrie en detectieprocedures van het onderzoek.

De wetenschappers maten de variatie van de getijde-zwaartekracht op lange termijn gedurende 12 dagen met behulp van de atomaire gravimeter. Vervolgens bedienden ze de atoominterferometer met actieve trillingsisolatie en verkregen ze om de 2 uur gemiddelde waarden van zwaartekrachtgegevens. vergeleken met een solide aardtijmodel. Aangezien het onderzoekslaboratorium ongeveer 4,5 km ten oosten van de San Francisco Bay Area lag, het effect van de getijdenbelasting van de oceaan op de zwaartekracht was opmerkelijk op de precieze locatie in tegenstelling tot eerdere rapporten. De onderzoekers corrigeerden voor het vaste aardtij en bereikten binnen een half uur een gevoeligheid van 37 µGal/√Hz voor de atomaire gravimeter met een stabiliteit groter dan 2 µGal. Tijdens metingen van de getijde-zwaartekracht de atomaire gravimeter zou seismische golftreinen van verschillende verre aardbevingen kunnen registreren om de verticale versnelling van de seismische golven te meten. Wu et al. vergeleek de atomaire gravimeter met een van de seismometers in het Berkeley Digital Seismic Network. Bijvoorbeeld, toen een aardbeving met een kracht van 6,8 op de schaal van Richter en een diepte van 570 km plaatsvond in Brazilië op 5 januari, 2019, zowel de atomaire gravimeter als de seismometer detecteerden lichaamsgolven van de aardbeving na ongeveer 20 minuten. Het team in Berkeley ontdekte op dezelfde manier metingen op 6 januari, 2019, toen een aardbeving met een kracht van 6,6 op de schaal van Richter en een diepte van 43 km plaatsvond in Indonesië.

Om de nauwkeurigheid van de atomaire gravimeter te onderzoeken, het onderzoeksteam schatte systematische effecten. Ze berekenden de totale systematische fout op 0,015 mGal met een meetafwijking van ongeveer -0,008 mGal. De onderzoekers hebben de herhaalbaarheid van het experiment intern geverifieerd na het transport van de atomaire gravimeter naar de Campbell Hall op de University of California Berkeley Campus, om de zwaartekracht op verschillende verdiepingen te meten, met de zwaartekracht op de kelderverdieping als referentie. De waarden kwamen overeen met die berekend met behulp van standaard zwaartekrachtonderzoekstechnieken. Afhankelijk van het trillingsgeluid, de atomaire gravimeter bereikte een gevoeligheid van ongeveer 0,2 mGal/√Hz. Echter, de gevoeligheid op hogere verdiepingen nam af door sterkere trillingen. De resultaten gaven het zwaartekrachtseffect van de massa van het Campbell-gebouw aan.

Daarna, het team gebruikte de atomaire gravimeter in het veld om de absolute zwaartekracht in de Berkeley Hills te onderzoeken. Ze bedienden de gravimeter in een voertuig op een routelengte van 7,6 km en een hoogteverschil van 400 m, terwijl passieve trillingsisolatie wordt gebruikt om de zwaartekracht op 6 locaties te meten. Het team besteedde ongeveer 15 minuten aan het opzetten van de gravimeter op elke locatie, waaronder het koppelen van het instrument en het uitlijnen van de interferometerstraal op de zwaartekrachtas. Als gevolg van toegenomen trillingsgeluid in het veld, Wu et al. de gevoeligheid van de gravimeter gemeten bij 0,5 mGal//√Hz. In totaal, de metingen toonden geschatte zwaartekrachtveranderingen van 92,6 mGal, van de basis tot de top van de Berkeley Hills.

Op deze manier, Xuejian Wu en collega's ontwikkelden een mobiele atomaire gravimeter om metingen van de getijdenzwaartekracht en zwaartekrachtonderzoeken uit te voeren. Het nieuwe piramidale MOT-instrument maakte gebruik van single-beam atoominterferometrie om een ​​eenvoudige laser-zwaartekrachtuitlijning en verbeterde trillingsisolatie te bieden. Het apparaat is mobiel, compact en robuust voor transport in het veld, met behoud van een relatief hogere gevoeligheid voor de bestaande atomaire gravimeters. De functies maken geodetische en geofysische toepassingen mogelijk voor nauwkeurige mobiele gravimetrie in het laboratorium en in het veld. Het instrument wordt momenteel beperkt door trillingsgeluid met ruimte voor verbetering. Geavanceerde gravimeters zullen extra toepassingen vinden als tunneldetectoren, sensoren voor ondergrondse wateropslag en monitoren aardbevingen en vulkanische activiteit.

© 2019 Wetenschap X Netwerk