Mobil gravimetri är en viktig teknik inom metrologi, navigering, geodesi och geofysik. Även om atomgravimetrar för närvarande används för noggrannhet, de begränsas av instrumentell bräcklighet och komplexitet. I en ny studie, Xuejian Wu och ett tvärvetenskapligt forskargrupp vid fysiska institutioner, U.S. Geological Survey, molekylär biofysik och integrerad biobildning, visat en mobil atomgravimeter. Enheten mätte tidvattenvariationer i labbet och undersökte gravitationen i fältet.

De använde utrustningen för att uppnå en hög känslighet för tidvattenmått med långsiktig stabilitet för att avslöja effekterna av tidvattenbelastning i havet, samt flera avlägsna jordbävningar. Forskargruppen undersökte tyngdkraften i Berkeley Hills för att bestämma tätheten av stenar under ytan från den vertikala gravitationsgradienten. Det enkla och känsliga instrumentet som utvecklats i studien kommer att bana väg för att föra atomgravimetrar till fältapplikationer. Arbetet publiceras nu den Vetenskapliga framsteg .

Fysiker använder vanligtvis ljuspulsatominterferometrar för att mäta tröghetskrafter tillsammans med studier för att förstå sub-gravitationskrafter på atomer. Gravimetrar baserade på atominterferometri är bland de mest exakta och känsliga verktygen för att exakt mäta gravitationen, i motsats till befintliga instrument baserade på fjädrar, supraledande spolar, mikromekaniska anordningar eller fallande hörnbitar. Atomgravimetrar förlitar sig på materia-våginterferometri mätningar med ett fritt fallande atommoln. I sin verkningsmekanism, forskare kan styra materievågor in i två interferometerarmar med hjälp av fotonen som är extremt väldefinierade av den integrerade laservåglängden.

Forskare konstruerar för närvarande transportabla atomgravimetrar för applikationer inom metrologi, luftburen avkänning, skeppsburna undersökningar och fältapplikationer. Sådana instrument når vanligtvis känsligheter runt 5 till 100 µGalileo (µGal) i labbet, medan atomgravimetern i gravitationsundersökningar bara hade uppnått en precision på ungefär 1 mGal på ett marint fartyg. Exakt mobil gravimetri är därför värdefull för gravitationsmätningar med en osäkerhet om några mikroGalileos i metrologi. Till exempel, för att underlätta inertial marin navigering, gravitationens referenskartor kräver gravimetrar med minst miliGalileos noggrannhet ombord. Som ett resultat, atomgravimetrar ska vara både känsliga och rörliga för pålitliga applikationer på fältet.

I det nuvarande arbetet, Wu et al. visat en mobil atomgravimeter i labbet och under fältoperationer. Forskargruppen jämförde gravitationen uppmätt i experimenten med en fast jordvattenmodell för att indikera dess atomkänslighet. Baserat på den instrumentella känsligheten Wu et al. observerade havsvattenbelastningseffekter och uppmätta seismiska vågor av avlägsna jordbävningar. Forskargruppen genomförde sedan gravitationskäter i Berkeley Hills med hjälp av instrumentet. Atomgravimetern kan användas för geodetiska och geofysiska studier för att förfina geoiden under resursutforskning, hydrologiska studier och riskövervakning för exakta fältmätningar i framtiden.

Wu et al. konstruerade den mobila atomgravimetern på en atominterferometer med en magneto-optisk fälla (MOT) inuti en pyramidspegel med ett genomgående hål. Denna nya geometri erbjöd många fördelar; genom att först bilda ett differentiellt pumpsteg mellan MOT- och atominterferometriregionerna, med ett ångtrycksförhållande på mer än 10:1 för att accelerera atombelastningshastigheten och minskat bakgrundsbrus för atomdetektering. Uppsättningen gjorde att MOT och interferometer laserstrålar kunde ha olika midjor för att uppnå en stor MOT -volym och hög Raman -strålintensitet med tillgänglig laserkraft. Som en tredje funktion, forskargruppen gjorde det möjligt för atomgravimetern att dra nytta av återreflektion från en vibrationsisolerad spegel som är okänslig för vibrationer i pyramidspegeln. Vibrationsisoleringen var enklare och effektiv jämfört med traditionella pyramidala atomgravimetrar. För sin fjärde funktion, Wu et al. använde en platt spegel som retroreflektorn för att eliminera systematiska effekter från brister i pyramidformningen.

Teamet utförde atominterferometri under pyramidspegeln med hjälp av Doppler-känsliga två-foton-Raman-övergångar som drivs av två laserstrålar och en Mach-Zehnder-geometri. Eftersom atomerna rörde sig i fritt fall, forskarna ökade laserfrekvensskillnaden mellan de två strålarna med en hastighet av α, som de varierade för att få acceleration i systemet. De använde en enda diodlaser med tre akusto-optiska modulatorer (AOM) och en fiberbaserad elektro-optisk fasmodulator (EOM), för att generera alla laserstrålar som är nödvändiga för MOT, under interferometri och detekteringsprocedurer av studien.

Forskarna mätte långvarig tidvattenvariation i 12 dagar med hjälp av atomgravimetern. De drev sedan atominterferometern med aktiv vibrationsisolering och erhöll medelvärden för gravitationsdata varannan timme, jämfört med en solid jordvattenmodell. Eftersom forskningslaboratoriet var beläget cirka 4,5 km öster om San Francisco Bay -området, havets tidvattenbelastningseffekt på gravitationen var anmärkningsvärd på den exakta platsen i motsats till tidigare rapporter. Forskarna korrigerade för den solida tidvattnet och fick en känslighet på 37 µGal/√Hz för atomgravimetern med stabilitet större än 2 µGal inom en halvtimme. Under tidvattenmätningar, atomgravimetern kan registrera seismiska vågtåg från flera avlägsna jordbävningar för att mäta vertikal acceleration av de seismiska vågorna. Wu et al. jämförde atomgravimetern med en av seismometrarna i Berkeley Digital Seismic Network. Till exempel, när en jordbävning på 6,8 och 570 km djup inträffade i Brasilien den 5 januari, 2019, både atomgravimeter och seismometer detekterade kroppsvågor från jordbävningen efter cirka 20 minuter. Teamet i Berkeley upptäckte på samma sätt mätningar den 6 januari, 2019, när en jordbävning på 6,6 och 43 km djup inträffade i Indonesien.

För att undersöka atomgravimeterns noggrannhet, forskargruppen uppskattade systematiska effekter. De beräknade det totala systematiska felet till 0,015 mGal med en mätförskjutning som var ungefär -0,008 mGal. Forskarna verifierade upprepningen av experimentet internt efter att ha transporterat atomgravimetern till Campbell Hall vid University of California Berkeley Campus, för att mäta gravitationen på olika golv, med gravitation på källargolvet som referens. Värdena stämde överens med de som beräknades med hjälp av standard gravitationsteknik. Beroende på vibrationsljud, atomgravimetern uppnådde en känslighet på cirka 0,2 mGal/√Hz. Dock, känsligheten på högre våningar minskade på grund av starkare vibrationer. Resultaten indikerade gravitationseffekten av massan av Campbell -byggnaden.

Därefter, laget använde atomgravimetern i fältet för att undersöka absolut gravitation i Berkeley Hills. De körde gravimetern inuti ett fordon på en ruttlängd på 7,6 km och en höjdförändring på 400 m, medan du använder passiv vibrationsisolering för att mäta gravitationen på 6 platser. Teamet ägnade cirka 15 minuter åt att ställa in gravimetern på varje plats, som inkluderade parning av instrumentet och anpassning av interferometerstrålen till gravitationens axel. På grund av ökat vibrationsbuller i fältet, Wu et al. mätte gravimeterkänsligheten vid 0,5 mGal // √Hz. Totalt, mätningarna visade ungefärliga tyngdkraftsförändringar med 92,6 mGal, från basen till toppen av Berkeley Hills.

På det här sättet, Xuejian Wu och kollegor utvecklade en mobil atomgravimeter för att utföra tidvattenmätningar och gravitationskontroller. Det nya pyramidala MOT-instrumentet utnyttjade enkelstråles atominterferometri för att erbjuda enkel laser-till-gravitation-justering och förbättrad vibrationsisolering. Enheten är mobil, kompakt och robust för transport på fältet, med bibehållen jämförelsevis högre känslighet för de befintliga atomgravimetrarna. Funktionerna möjliggör geodetiska och geofysiska applikationer för exakt mobil gravimetri i laboratoriet och på fältet. Instrumentet begränsas för närvarande av vibrationsbrus med utrymme för förbättringar. Avancerade gravimetrar hittar ytterligare applikationer som tunneldetektorer, sensorer för underjordisk vattenlagring och övervaka jordbävningar och vulkanisk aktivitet.

© 2019 Science X Network