Сверхпроводящий гравиметр

 

Изобретение относится к гравиметрическим устройствам для прецизионных измерений изменений силы тяжести . Целью изобретения .является повышение стабильности работы гравиметра . Эта цель достигнута целым рядом конструктив} ых особ еин остей предлагаемого устройства. Основным из них является выполнение нижней торцово | стенки резо} атора в виде сверхпроводяшего шара, что позволяет избавиться от илиянин перекосов Г Той стенки. Магнитная система пол,песа представляет собой соленоид, вмполненный КЗ двух цил 1идров, верхнего и нижнего Верхний охватывает корпус резонатора. Внутренний диаметр нижнего равен диаметру полости резонатора . На нижнем намотаны две секции обмотки, внешняя и внутренняя. Нижние края их совпадают, длина внейней секции составляет 0,,9 диаметра шаровой торцовой стенки. Длина внутренней секции больше длины внешней секции на ;-1,3 диаметра этого шара. Такое выполнение позволяет расподожить шар при работе в зоне максимальной однородности поля, а сверхпроводящий подвес при этом имеет минимальную вертикальную жесткость .Описанные в форме изобретения схемы выполнения цепей управления способствуют достижешда цели, так как позволяют сохранить устойчивость системы демпфирования при большом коэффициенте демпфирования колебаний торцовой стенки-под действие -; помех. 3 з.п. ф-лы, 3 HjT. а (О к: ос ос Сл: ос с:

СОВХОЗ СОВЕТСНИХ

СОИИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А1

„„SU„„1289336

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

М ABTOPGHOMV СВИДЕТЕЛЬС ГВУ

Р

p t, !

М (Х

Я

С : (Г-

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

1 1О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (46) 23. 10. 90. Бюл. У 39 (21) 3881068/31-25 (22) 09.04.85 (7 1) Физико-технический институт низких температур AH УССР (72) Ф.Ф.Менде, В.А,Чаркин, А.И,Ива-. нов, А,E.Пишиц, П.Л,Адамович, Н,Ф.Рыбалка, M.И,Костромицкий и В.И,Тюкова (53) 621.326 (088,8) (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, с. 184-186.

Ф.Ф,Менде, И.Н.Бондаренко, А,В.Трубицын. Сверхпроводящие и охлаждаемые резонансные системы. Киев, "Наукова думка", 1976, с. 238-239, рис, 6. 12, с. 188, рис, 5. 14.

1 (54) СВЕРХПРОВОДЯЩИИ ГРАВИМЕТР (57) Изобретение относится к гравиметрическим устройствам для прецизионных измерений изменений cHJIbl тяжести. Целью изобретения .является певышение стабильности работы гравиметра, Эта цель достигнута цельгм (51)5 Н 01 1. 39/16 5 О1 Ч 7 02 рядом консгруктивных особенностей нредлагаемого устройства, Основным из них является выполнение нижней торцсвой стенки резонатора в ьпде свет.:- » ol3àдяшегс шара, что позволяет изба; иться от влияния TIE pBKocoB . той стенки, Магнитная система по,:;веса представляет собой соленоид, выполненный из двух цилиндров, :ерхнего нижнего. Верхний охватывает корпус резонатора, Внутренний диаметг: нижнего равен диаметру полости резона тора. На нижнем намотаны две секции обмотки, внешняя и внутренняя, Нижние края их совпадают, длина внеш ней секции составляег 0,5-0,9 диаметра шаровой торцовой стенки, Длина внутренней секции больше длины внешней секции на i-1,3 диаметра этого шара, Такое вь.полнение позволяет распоцожить шар при работе в зоне максимальной однородности поля, а сверхпроводящий полвес при этом имеет минимальную вертикальную жесткость. Описанные в форме изобретения схемы выполнения цепей у-правления способствуют достижешпо цели, так как позволяют сохранить устойчивость системы демпфирования при большом коэффициенте демпфирования колебаний торцовой стенки-под действием помех.

3 з.п. ф-лы, 3 ил.

12893

Изобретение 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 изображен чувствительный элемент предлагаемого гравиметра; на фиг,2 и 3 — два варианта выполнения гравиметра, 10

В обоих случаях чувствительный элемент гравиметра содержит сверхпроводящий цилиндрический СВЧ резонатор

1 с подвижной торцовой стенкой, выполненной в форме шара 2 из сверхпро- 15 водящего материала (фиг.1), Диаметр шара 2 выбирается таким образом, чтобы между ним и стенкой резонатора 1.оставался зазор, приблизительно равный 1 мм. Это позволяет обеспечить20 свободное перемещение шара 2 при сохранении .высокой добротности резонатора 1. IIIap 2 свободно подвешен в магнитном поле сверхпроводящего. коротко25 замкнутого соленоида 3. Обмотка соленоидэ 3 расположена на цилиндре 4, внутрь которого введен шар 2, и выполнена в виде двух последовательно соединенных секций, внешней 5 и внутренней 6. Секции 5, 6 расположены од- 30 на поверх другой, нижние края их сов-, падают. Длина внешней секции 5 составляет 0,5-0,9 диаметра шара 2, а длина внутренней секции б больше дли-. ны внешней секции 5 на 1-1,3 диамет" 35 ра шара 2.

Выбор таких размеров был обусловлен необходимостью создания конфигурации поддерживающего шар 2 магнйт- .10 ного, поля, при котором создается широкая зона минимальной вертикальной жесткости сверхпроводящего подвеса при устойчивом положении шара 2. Поверх обмотки верхней секции 5 распо" 4g

1 ложена. сверхпроводящая обмотка,демпфирующей катушки 7. Тонкостенный металлический цилиндр 4 прикреплен к верхней части корпуса резонатора 1 посредством жестко соединенного с ним50 металлического тонкостенного цилиндра 8. Цилиндр 8 охватывает корпус резонатора 1, Причем диаметр полости резонатора 1 равен внутреннему диаметру цилиндра 4, Жестко соединен- 55 ные цилиндры 4, 8 представляют, собой каркас сверхпроводящего соленоида 3.

Цилиндр 4 изготовлен иэ немагнитлого металла с высокой проводимостью

36 2 (например, иэ 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 цилиндра 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 из 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

1 близка к критическому полю Нс (0,30,8 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 с высокой проводимостью, имеет зазор

17 шириной 0,1-0,2 мм, Это обеспечи" вает отсутствие контакта металлсверхпроводник в местах, где имеется электромагнитное поле, что позволяет исключить потери на постоянном токе и практически устранить взаимное влияние полей резонатора 1 и соленоида 3.

12893

На фиг.2 резонатор 1 подключен в цепь положительной обратной связи

СВЧ усилителя 18, образуя ГВЧ автогенератор 19. Выход СВЧ автогенератора 19 соединен с частотомером

20 и подключен к демпфирующей катушке 7 посредством цепи управления, состоящей иэ последовательно соединенных частотного детектора 21, фазокорректирующей цели 22, усилителя fQ

23 постоянного тока и раэвяэывающего трансфдрматора 24.

На фиг.3 резонатор 1 подключен в цепь положительной обратной связи СВЧ усилителя с амплитудой модуляции и переносом усиления на промежуточную частоту (не показан), образуя СВЧ автогенератор 25, В состав СВЧ усилителя с амплитудной модуляцией и переносом усиления на промежуточную 20 частоту входит СВЧ генератор 26, (например, отражательный клистрон), подключенный одновременно к смесителю 27 и амплитудному модулятору 28, между которыми включен усилитель 29 промежуточной частоты. Резонатор 1 подключен между смесителем 27 и амплйтудным модулятором 28, СВЧ выход автогенератора 25 (выход СБЧ генератора 26) подключен к частотомеру 20.

Выход промежуточной частоты автогеиератора 25 (т.е. выход усилителя

29 промежуточной частоты) чодключен к демпфирующей катушке 7 посредством цепи управления, состоящей из после- 35 довательно соединенных фазового детектора 30, фаэокорректирующей цепи 31, усилителя 32.постоянного тока и развязывающего трансформатора 33. При этом СВЧ автогенератор. 25 подключен. в систему фазовой автоподстройки частоты СВЧ генератора 26, т,е, выход соединенного с опорным кварцевым генератором 34 фазового детектора 30 подключей через фильтр 35 нижних час- 45 тот к электроду управления частотой (не показан) СВЧ генератора 26. l .

Сверхпроводящий гравиметр работает следующим образом, 50

В момент охлаждения системы гравиметра до гелиевых температур шар 2 лежит на опоре 16, После перевода резонатора 1 с шаром 2 и секций 5,.

6 обмотки соленоида 3 в сверхпроводящее состояние в соленоид 3 подается ток, величина которого подбирается таким образом, чтобы центр шара 2 расположился на расстоянии от верх°

16 4 нижн < Й cc K IHH 6

3, составляющем 0,7-1 радиуса шара 2.

При этом HIBp 2 ока эыва ется в э онс с максимальной однородностью магнитного поля, а сверхпроводятий под-. вес имеет минимальную вертикальную жесткость, о чем свидетельствует измеряемый при этом минимум частоты собственных колебаний сверхпроводящего подвеса. После установления оптимального режима функционирования сверхпроводящего подвеса соленоид 3 переводится в режим циркулируюшего тока (режим коротксгo замыкания) с помощью TenJIoBого ключа (1;p. показан), Сбмотка соленоица 3 в состоянии сверхпровоцимост :. обладает нулевым омическим сопротивлением. Если она замкнута накоротко, то наведенный в

Йей электрический ток циркулпрует сколь угодно долго и его магнитное поле остается стабильным, Положение шара 2 определяется одновременным депствием на него силы со стороны удерживающего его во взвешенном состоянии магнитного поля соленоида 3 и силы тяжести, При изменении ускорения силы тяжести положе; ие шара 2 изменяется, что приводит к изменению размеров резонатора 1, торцовой стенкой которого является map 2, При этом изменяется резонансная частота резонатора 1, В первом варианте выполнения гравиметра (фиг.2} при изменении резонансной частоты резонатора 1 изменяется частота СВЧ автогенератора 19, измеряемая частотомером 20, По изменению Настоты СВЧ автогенератора 19 можно судить однозначно об изменении силы тяжести. В случае воздействия на шар 2 вибрации или других помех, приводящих к вертикальным колебаниям. его возле положения равновесия, воэ" никает сигнал ошпбки па частотном детекторе 21. Этот сигнал ошибки подается через фазокорректируюшую цепь

22 на усилитель 23 постоянного тока, а дахгее через раэвязывающий трансформатор 24 на обмотку демпфирующей катушки 7. Вследствие наличия отрицательной обратной связи в демпфирующей катушке 7 возникает управляющий ток, создаюший магнитное поле, устраняющее колебания mapa 2 вокруг положения его равновесия. Регулировка степени демпфирования возможных колебаний шара 2 под действием помех осуществляется регулировкой коэффициен89336

5 12 та усиления усилителя ?3 постоянного тока. Фазокорректирующая цепь 22 позволяет сохранить устойчивость работы системы демпфирования при большом коэффициенте демпфирования возможных колебаний шара 2 вокруг положения его равновесия, Во втором варианте выполнения гравиметра (фиг.3) при изменении резонансной частоты резонатора 1, обусловленной изменением положения шара 2 эа счет изменения ускорения силы тяжести, изменяется частота СВЧ автогенератора 25, выполненного на основе СВЧ усилителя с амплитудной модуляцией и переносом усиления на промежуточную 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 f определяется резонансной частотой резонатора 1 f и отличается or нее на веР личину промежуточной частоты F, на которую настроен усилитель 29 промежуточной частоты и которая равна час-тоте кварцевого генератора Зч Х

f + F. При этом учитывается на ка- кой из боковых составляющих спектра амплитудного моду -;ятора 28 (fp + или f .- Г) работает автогенератор

25. Сигналы с усилителя 29 промежуточной частоты и опорного кварцевого генератора 34 поступают на фазовый детектор 30, с выхода которого сигнал ошибки подается для автоподстройки частоты СВЧ генератора 26 и для демпфирования возможных вертикальных колебаний шара 2 вокруг положения его равновесия в случае воздействия на шар 2 вибрации или других помех, Сигнал ошибки, возникающий в фазовом детекторе 30, через последовательно соединенные фазокорректирующую цепь

31, усилитель 32 постоянного тока и развязывающий трансформатор 33 подается на обмотку демпфирующей катушки

7 и вызывает в ней появление управ= ляющего тока, устраняющего колебания шара 2 вокруг положения равновесия создающимся магнитным полем. Регули" ровка степени демпфирования возможных колебаний шара 2 под действием помех осуществляется регулировкой ко= эффициента усиления усилителя 32 постоянного тока. Фаэокорректирующая цепь 31 позволяет сохранить устойчивость работы системы демпфирования при большом коэффициенте демпфирова-, ния возможных колебаний шара 2 ВоК руг положения его равновесия под действием помех.

Предлагаемый гравиметр отличается высокой стабильностью работы, т,е, при воздействии помех он обладает высоКоН 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, Сверхп оводящий гравиметр, содержащий соединенный с частотомером

СВЧ автогенератор, выполненный на основе СВЧ усилителя, в цепь положительной обратной связи которого включен сверх роводящий СВЧ резонатор, размещенный в герметичном корпусе вместе со сверхпроводящим короткозамкнутым соленоидом, в магнитном поле которого подвешена ниж25 ъяя подвижная торцовая стенка резо- натора, к корпусу которого прикреплен каркас соленоида, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повыше- ния стабильности работы гравиметра, З9 каркас соленоида выполнен в виде двух разнесенных по высоте цилиндров, верх нйй из которых охватывает корпус резонатора, диаметр полости которого равен внутреннему дйаметру нижнего из цилиндров, на котором расположена обмотка соленоида, выполненная из двух последовательно соединенных секций, внешней и внутренней, причем их нижние края совпадают, длина внешней щ секции составляет 0,5-0,9 диаметра выполненной в виде шара подвижной торцовой стенки, а длина, внутренней секции больше длины внешней секции на 1-1,3 диаметра шара, при этбм вы 5 ход СВЧ автогенератора посредством цепи управления подключен к демпфирующей катушке, расположенной поверх, обмотки соленоида.

2. Гравиметр по п.-1, о т л и—

5п ч а ю шийся тем, что цепь управления выполнена в виде последовательно соединеннь1х частотного детектора фазокорректирующей цепи, усилителя постоянного тока и развяэывающего трансформатора, Зе 1равиметр по п61у О T л и ч а ю щ и и с н тем, что цепь управления:, выполнена в виде последовательно соединенных фазового детектора, фаэокор4. 1рннимс тр 1п пп. 1 — ",, o т л ил я ю щ и и с л тем пто Гарме";ил ный корпус «ыпо п и r ниде вакуумированного двухстепного цилиндра, между крьппкОЙ которогс и нерхнеЙ частью корпуса резонатора расположен вакуумный зазор.

1 1.! Я 3 36 ректирующей цепи, усилите., я и< стояп— ного тока и развязынающег трансформатора и подсоединена к выходу промежуточной частоты СВЧ автогенератора, выполненного на основе СВЧ усилителя с амплитудной модуляцией и переносом усилителя на промежуточную частоту.

1289336

Составитель А,Ваганов

Техред В.Кадар

Редактор H.Ñóõàíoâà

Корректор T. Колб

Заказ 4355 Тираж 455 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, N(-35, Раушская наб., д. 4/5

Произв щстненно-полиграфическое предприятие, г,ужгород, ул. II) сктная, 4