Tyngdekraftundersøgelser ved hjælp af et mobilt atominterferometer

Mobil gravimetri er en vigtig teknik inden for metrologi, navigation, geodesi og geofysik. Selvom atomgravimetre i øjeblikket bruges til nøjagtighed, de er begrænset af instrumentel skrøbelighed og kompleksitet. I en ny undersøgelse, Xuejian Wu og et tværfagligt forskerhold i fysiske afdelinger, den amerikanske geologiske undersøgelse, molekylær biofysik og integreret bio-billeddannelse, demonstreret et mobilt atomgravimeter. Enheden målte variationer i tidevandsgravitation i laboratoriet og undersøgte tyngdekraften i feltet.

De brugte udstyret til at opnå en høj følsomhed for målinger af tidevandets tyngdekraft med langsigtet stabilitet til at afsløre effekter af havets tidevandsbelastning, samt flere fjerne jordskælv. Forskergruppen undersøgte tyngdekraften i Berkeley Hills for at bestemme tætheden af ​​sten under jorden fra den lodrette tyngdekraftgradient. Det enkle og følsomme instrument udviklet i undersøgelsen vil bane vejen for at bringe atomiske gravimetre til feltapplikationer. Værket er nu offentliggjort den Videnskab fremskridt .

Fysikere bruger typisk lyspulsatominterferometre til at måle inertialkræfter sammen med undersøgelser for at forstå subgravitationskræfter på atomer. Gravimetre baseret på atominterferometri er blandt de mest nøjagtige og følsomme værktøjer til præcist at måle tyngdekraften, i modsætning til eksisterende instrumenter baseret på fjedre, superledende spoler, mikromekaniske anordninger eller faldende hjørneterninger. Atomgravimetre er afhængige af stofbølgeinterferometri-målinger med en frit faldende atomsky. I sin virkningsmekanisme, videnskabsfolk kan styre stofbølger ind i to interferometerarme ved hjælp af momenten i fotoner, der er ekstremt veldefineret af den integrerede laserbølgelængde.

Forskere konstruerer i øjeblikket transportable atomgravimetre til applikationer inden for metrologi, luftbåren sansning, skibsbårne undersøgelser og feltapplikationer. Sådanne instrumenter når typisk følsomheder omkring 5 til 100 µGalileo (µGal) i laboratoriet, mens atomgravimeteret i tyngdekraftsundersøgelser kun havde opnået en præcision på cirka 1 mGal på et marineskib. Præcis mobil gravimetri er derfor værdifuld til tyngdekraftsmålinger med en usikkerhed på et par microGalileos i metrologi. For eksempel, at støtte inert marinefart, tyngdekraftens referencekort kræver gravimetre med mindst miliGalileo -nøjagtighed om bord. Som resultat, atomgravimetre skal være både følsomme og mobile til pålidelige applikationer i marken.

I det nuværende arbejde, Wu et al. demonstreret et mobilt atomgravimeter i laboratoriet og under feltoperationer. Forskergruppen sammenlignede tyngdekraften målt i eksperimenterne med en solid jordvandsmodel for at angive dens atomfølsomhed. Baseret på den instrumentelle følsomhed Wu et al. observerede effekter ved havvandet og målte seismiske bølger af fjerne jordskælv. Forskergruppen implementerede derefter tyngdekraftsundersøgelser i Berkeley Hills ved hjælp af instrumentet. Atomgravimeteret kan bruges til geodetiske og geofysiske undersøgelser til at forfine geoiden under ressourceudforskning, hydrologiske undersøgelser og fareovervågning til præcise feltmålinger i fremtiden.

Wu et al. konstrueret den mobile atomgravimeter på et atominterferometer med en magneto-optisk fælde (MOT) inde i et pyramidespejl med et gennemgående hul. Denne nye geometri gav mange fordele; ved først at danne et differentielt pumpetrin mellem MOT- og atominterferometriområderne, med et damptryksforhold på mere end 10:1 for at accelerere atomindlæsningshastighed og reduceret baggrundsstøj til atomdetektering. Opsætningen tillod MOT og interferometer laserstråler at have forskellige taljer for at opnå et stort MOT volumen og høj Raman stråleintensitet med tilgængelig lasereffekt. Som en tredje funktion, forskergruppen gjorde det muligt for atomgravimeteret at drage fordel af retroreflektion fra et vibrationsisoleret spejl, der ikke er følsomt over for vibrationer i pyramidespejlet. Vibrationsisoleringen var enklere og effektiv i forhold til traditionelle pyramidale atomgravimetre. For sit fjerde træk, Wu et al. brugte et fladt spejl som retroreflektor til at eliminere systematiske effekter fra ufuldkommenheder i pyramideformet.

Teamet udførte atominterferometri under pyramidespejlet ved hjælp af Doppler-følsomme to-foton-Raman-overgange drevet af to laserstråler og en Mach-Zehnder-geometri. Siden atomerne bevægede sig i frit fald, forskerne øgede laserfrekvensforskellen mellem de to stråler med en hastighed på α, som de varierede for at opnå acceleration i systemet. De brugte en enkelt diodelaser med tre akustisk-optiske modulatorer (AOM'er) og en fiberbaseret elektrooptisk fasemodulator (EOM), at generere alle laserstråler, der er nødvendige for MOT, under interferometri og detektionsprocedurer af undersøgelsen.

Forskerne målte langsigtede tidevandsvariationer i 12 dage ved hjælp af atomgravimeteret. De betjente derefter atominterferometeret med aktiv vibrationsisolering og opnåede middelværdier for tyngdekraftsdata hver 2. time, sammenlignet med en solid tidevandsmodel. Da forskningslaboratoriet var placeret omkring 4,5 km øst for San Francisco Bay -området, havets tidevandsbelastningseffekt på tyngdekraften var bemærkelsesværdig på det præcise sted i modsætning til tidligere rapporter. Forskerne korrigerede for det solide tidevand og opnåede en følsomhed på 37 µGal/√Hz for atomgravimeteret med stabilitet større end 2 µGal inden for en halv time. Under målinger af tidevandets tyngdekraft, atomgravimeteret kunne registrere seismiske bølgetog fra flere fjerne jordskælv for at måle lodret acceleration af de seismiske bølger. Wu et al. sammenlignede atomgravimeteret med et af seismometre i Berkeley Digital Seismic Network. For eksempel, da et jordskælv på 6,8 og 570 km dybt skete i Brasilien den 5. januar, 2019, både atomgravimeteret og seismometeret registrerede kropsbølger fra jordskælvet efter cirka 20 minutter. Holdet i Berkeley opdagede på samme måde målinger den 6. januar, 2019, da et jordskælv på 6,6 og 43 km dybt skete i Indonesien.

For at undersøge nøjagtigheden af ​​atomgravimeteret, forskergruppen vurderede systematiske effekter. De beregnede den samlede systematiske fejl til 0,015 mGal med en måleforsinkelse på omtrent -0,008 mGal. Forskerne bekræftede gentagelsen af ​​eksperimentet internt efter at have transporteret atomgravimeteret til Campbell Hall på University of California Berkeley Campus, at måle tyngdekraften på forskellige gulve, med tyngdekraften på kældergulvet som reference. Værdierne matchede dem, der blev beregnet ved hjælp af standard tyngdekraftundersøgelsesteknikker. Afhængigt af vibrationsstøj, atomgravimeteret opnåede en følsomhed på omkring 0,2 mGal/√Hz. Imidlertid, følsomheden på højere etager faldt på grund af stærkere vibrationer. Resultaterne angav gravitationsvirkningen af ​​massen af ​​Campbell -bygningen.

Derefter, holdet brugte atomgravimeteret i feltet til at undersøge den absolutte tyngdekraft i Berkeley Hills. De betjente gravimeteret inde i et køretøj på en rutelængde på 7,6 km og en højdeændring på 400 m, mens du bruger passiv vibrationsisolering til at måle tyngdekraften på 6 steder. Holdet brugte cirka 15 minutter på at opsætte gravimeteret på hvert sted, som omfattede parring af instrumentet og tilpasning af interferometerstrålen til tyngdekraftaksen. På grund af øget vibrationsstøj i marken, Wu et al. målte gravimeterfølsomheden ved 0,5 mGal // √Hz. I alt, målingerne viste omtrentlige ændringer i tyngdekraften med 92,6 mGal, fra basen til toppen af ​​Berkeley Hills.

På denne måde, Xuejian Wu og kolleger udviklede et mobilt atomgravimeter til at udføre tidevandsmålinger og tyngdekraftundersøgelser. Det nye pyramideformede MOT-instrument udnyttede single-beam atominterferometri til at tilbyde enkel laser-til-tyngdekraft-justering og forbedret vibrationsisolering. Enheden er mobil, kompakt og robust til transport i marken, samtidig med at man bevarer en relativt højere følsomhed over for de eksisterende atomgravimetre. Funktionerne tillader geodetiske og geofysiske applikationer til præcis mobil gravimetri i laboratoriet og på marken. Instrumentet er i øjeblikket begrænset af vibrationsstøj med plads til forbedringer. Avancerede gravimetre finder yderligere applikationer som tunneldetektorer, sensorer til underjordisk vandlagring og overvågning af jordskælv og vulkansk aktivitet.

© 2019 Science X Network