基本介紹
- 中文名：絕對重力儀
- 外文名：absolute gravimeter
- 作用：直接測量重力加速度值
- 性質：精密計量儀器
- 學科：測繪科學與技術
- 分類：經典類型、原子干涉類型
基本介紹,研究現狀,經典儀器,測量原理,測量方法,凸輪式,原子干涉,
基本介紹
絕對重力儀是國際上研製用來直接測量重力加速度值的主要精密計量儀器，精確的重力值g對大地測量、地球物理和精密計量具有十分重要的意義。高精度絕對重力儀是直接獲得全球不同位置精確重力值的重要工具。目前國際上主要研製的絕對重力儀分為兩類，一類是經典絕對重力儀、另一類是原子干涉絕對重力儀。這兩類絕對重力儀利用當代先進的電子技術、雷射技術和原子干涉技術使絕對重力值測量水平提高到新的高度。
研究現狀
絕對重力儀是探測地球重力場信息的重要手段，是人類社會認識地球不可缺少一個方面。它在國家重力基準點建立、地震與海平面監測、大地水準面的精確測定、地殼垂直形變以及國防建設等方面將發揮越來越多的作用。絕對重力儀是國際上從七十年代開始研究的一種集光、電、計算機、真空技術於一體化的精密儀器，只有美國等少數國家能製造。在地球物理環境、地震、石油勘探、測量等領域有廣泛套用，我國只有一台實驗樣機，市場上沒有產品。 該產品綜合使用了雷射、真空、自動控制、精密機械、電子和計算機等先進技術。美國、德國等少數國家的絕對重力儀為自由下落式。國內正在研製的絕對重力儀大部分是上拋式的，具有更高的精度和綜合性能。
中國計量院獲得2017年全球絕對重力儀關鍵比對主辦權。在法國巴黎國際計量局（BIPM）召開的第14屆國際計量委員會質量及相關量諮詢委員會（CIPM-CCM）會議上，中國計量科學研究院（NIM），以下簡稱“中國計量院”昌平院區被正式批准為2017年全球絕對重力儀關鍵比對（ICAG-2017）主辦地，中國計量院為ICAG-2017主導實驗室。這是該重要國際關鍵比對自開始組織的30多年以來，首次移出歐洲舉辦。
全球絕對重力儀關鍵比對（ICAG）是由國際計量委員會（CIPM）和國際大地測量協會（IAG）共同組織，每4年舉辦1屆，至今已舉辦了8屆，其中從1981年至2009年都在BIPM舉辦。2010年，BIPM宣布，將ICAG活動交由各個簽署《國家計量基標準和國家計量院頒發的校準和測量證書互認協定》（CIPM-MRA）的米制公約成員國申辦。2010年12月，中國計量院向CIPM遞交了主辦ICAG-2017的申請。2012年9月，中國計量院以“壓倒性多數”的投票結果，贏得了與俄羅斯計量局（VNIIM）、法國國家計量研究院（LNE）的競爭，被推薦為ICAG-2017主辦地。
中國計量院獲得ICAG-2017主辦權，是國際社會對我國相關工作的認可，將增強我國在國際相關科學領域的影響力和話語權，同時也將促進我國在國家層面建立“國家重力計量基標準體系”，確保國內重力測量量值的準確、可靠、有效及與國際量值的一致性，以達到國際互認，更好地服務於國民經濟及國防建設。
經典儀器
測量原理
經典絕對重力儀的測量原理是在高真空條件下測量物體在豎直方向自由運動所經歷的時間和距離，根據牛頓第二定律計算重力值g。物體所做的自由運動又細分為上拋運動和自由下落運動。絕對重力測量就是利用物體一次“上拋”或“下落”，測量多點位的運動時間和距離，通過牛頓第二定律，用最小二乘法擬合出物體所受到的重力值g，“上拋法”由於其屬於對稱運動，可以抵消一部分外界因素產生的誤差；但是“上拋法”的結構複雜，目前國際上只有義大利和波蘭的儀器採用“上拋”法。與“上拋法”相比，“自由下落法”實現方法簡單，現在大多數國家均採用“自由下落法”。
測量方法
經典絕對重力儀所採用的主要技術是：用銣(或銫)原子頻標作為測量時間的標準，用高穩定度的雷射作為測量長度的標準，用高解析度的時間間隔測量儀測量微小時間段，用長周期彈簧懸掛參考稜鏡來隔離地面震動，採用落體在高真空中多次下落測量多點位法得到精確的重力值。
絕對重力儀的測長系統由麥可遜干涉儀和氦氖雷射器組成。干涉儀的兩個稜鏡一個裝在落體內、另一個作為參照點固定在干涉儀上。落體的下落運動會造成兩稜鏡之間的光程變化，每移動半波長距離，干涉條紋將出現一個明暗交替變化，由此記錄干涉條紋數便可以實現精確的長度測量。在測量時先預設固定的條紋數，當記錄干涉條紋數的計數器值達到預設的條紋數時，用高解析度的時間間隔測量儀測量出所對應的微小時間段，這樣就得到多組時間和距離的參數，最後通過最小二乘法擬合得到所需要的重力值。
凸輪式
絕對重力儀
在經典絕對重力儀中，新出現的凸輪式絕對重力儀由於其巧妙的機械設計而引起國際上的普遍關注。凸輪式絕對重力儀的關鍵技術之一就是凸輪輪廓線的設計，所設計凸輪的長半徑不足9cm，用直流電機恆速帶動凸輪轉動，凸輪邊沿帶動一個小拖車做上下運動。當凸輪運行到最高位置時，凸輪會帶動拖車快速向下運動，此時，拖車中的落體與拖車分離而自由下落；當拖車減速時接住落體，此後拖車帶動落體再運行到最高位置，由此周而復始。凸輪每轉動一周，落體自由下落約3.4cm，用其中的2cm進行下落時間和距離的測量，經過多次轉動和多點位測量，最後擬合出重力值g。為了使凸輪轉動過程平穩，整個裝置還使用另一套相同的凸輪和拖車與之一同轉動，達到動平衡，這樣不論凸輪轉動到任何位置，質心都始終在轉軸上。另外，為了減少地面震動對測量的影響，凸輪式絕對重力儀還設計了一套簡單且能快速建立的彈簧一質量塊隔震系統。圖1是凸輪式絕對重力儀器的照片。
圖1
原子干涉
絕對重力儀
1997年美國加州史丹福大學的朱棣文教授憑藉其在雷射冷卻和陷俘原子領域內的突出成就獲得了諾貝爾物理學獎。1999年朱棣文教授所領導的小組又成功的利用原子干涉技術實現了原子絕對重力測量的實驗，實驗結果表明：原子干涉絕對重力儀在一分鐘內可使測量的相對不確定度達到
，測量時間比經典絕對重力儀要縮短100倍以上，且最好測量的相對不確定度可達
。
原子干涉絕對重力儀的原理是這樣的：首先利用雷射冷卻原子。我們知道光可以看成一束粒子流，這種粒子流叫作光子。光子可認為沒有質量，但具有一定的動能，其動能的大小由光的頻率所決定。當雷射打向原子時，光子和原子發生碰撞，（如果光子的能量滿足原子躍遷的條件）原子將吸收光子而產生躍遷，原子運動的速度會減慢，在原子躍遷的同時會釋放同樣的光子。這樣通過光子與原子的不斷交換能量，可使原子運動的速度大大降低，從而形成極低溫條件（μK量級）。這時用兩兩相對，沿三個正交方向的六束雷射把原子引到雷射的交匯處。這六束雷射會使原子不管企圖向何方運動，都會遇上具有恰當能量的光子，並被推回到六束雷射交匯的區域，這樣原子會被陷人其中並不斷降低速度，形成“光學粘膠”。由於重力的作用，這些原子會在1秒鐘內從光學粘膠中落下來。為了真正囚禁原子，就需要建立“磁光阱”。磁光阱由上述排列的六束雷射，再加上兩個磁性線圈構成。磁光阱中的磁場會對原子的特徵能級起作用，就會產生一個比重力大的力，從而把原子拉回到陷阱中心，這時原子會被雷射和磁場約束在一個很小的範圍里。這時再把高度冷卻的原子向上拋出，讓原子在無磁條件下與重力場相互作用。用相隔一定時間的多束拉曼脈衝對原子進行態製備，從而形成原子干涉。通過對量子態布居的測量，就可以得到重力參數的g值，整個原子干涉絕對重力儀的示意圖如圖2。
原子干涉絕對重力儀實現了從雷射干涉技術向原子干涉技術的轉變，它被認為是今後絕對重力儀發展的另一個方向。
圖2
