ITPI20070036A1

ITPI20070036A1 - Microgravimetro per prospezioni geofisiche

Info

Publication number: ITPI20070036A1
Application number: IT000036A
Authority: IT
Inventors: Alessandro Bertolini; Nicolo Beverini; Michele Andrea De; Francesco Fidecaro; Francesco Mango
Original assignee: Univ Pisa
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2008-09-30
Also published as: CA2681609A1; WO2008120075A3; GB2460005A; NO20093036L; WO2008120075A2; MY146323A; EA016757B1; EA200901079A1; BRPI0808871A2; GB2460005B; US20100071461A1; AU2008234589B2; GB0916715D0; CN101663598A; AU2008234589A1; US8661894B2

Description

"MICROGRAVIMETRO PER PROSPEZIONI GEOFISICHE"

DESCRIZIONE

Ambito dell'invenzione

La presente invenzione riguarda una apparecchiatura ed un metodo per la misura dell'accelerazione di gravità sul campo.

Le possibili applicazioni vanno dall'esplorazione petrolifero-mineraria a ricerche con finalità ambientali, per la localizzazione nel sottosuolo di cavità o comunque di strutture di discontinuità di origine naturale o artificiale. Altre applicazioni possono riguardare indagini strutturali su scala più vasta con un vettore aereo o marino.

Brevi cenni alle tecniche già note

L'indagine geofisica tramite prospezioni microgravimetriche è una metodologia con molte potenzialità e in crescente sviluppo.

Esistono sensori per la misurazione della accelerazione di gravità. Un primo tipo di sensori è commercializzato dalla ditta LRS (LaCoste & Romberg -Scintrex) Ine., e consiste essenzialmente in una molla, mantenuta in condizioni di lavoro critiche in modo da esaltare minime variazioni della forza esercitata su di essa. Queste apparecchiature misurano il valore della gravità ottenendo una misura di gradiente sulla base di due letture successive dello stesso strumento in differenti posizioni. Queste apparecchiature hanno però lo svantaggio di avere bisogno di uno stretto controllo delle isteresi e delle derive meccaniche, per evitare che tali effetti sistematici superino il segnale utile.

Per evitare la presenza di tali effetti sistematici sulla misura, è nota la rivelazione differenziale, utilizzando due microgravimetri in parallelo. Questo tipo di indagine, ha anche il vantaggio fondamentale di ottenere una misura diretta del gradiente del campo gravitazionale. La rivelazione differenziale è attualmente utilizzata in apparecchiature di tipo non commerciale, ad uso esclusivo di laboratori per applicazioni spaziali o in esperimenti di fisica fondamentale. Un esempio è il gravimetro superconduttore della Maryland University e il gravimetro dell'IFSI del CNR. Questi strumenti hanno risoluzioni notevolissime, ad esempio e inferiori a 0,01 Eòtvòs, ma sono non trasportabili e inidonei all'impiego sul campo.

Uno strumento portatile noto sul mercato è il gravimetro GGI (Gravity Gradiometer Instrument), sviluppato dalla Lockheed Martine utilizzato sia per scopi militari che civili. Strumenti di questo tipo sono espressamente costruiti per l'utilizzo su aeromobili o natanti e consistono in due coppie di accelerometri identici montati ortogonalmente su una piattaforma rotante. L'accelerazione lineare in direzione perpendicolare all'asse di rotazione è così modulata alla frequenza di rotazione, mentre l'effetto del gradiente è modulato a frequenza doppia. Questi strumenti hanno una sensibilità dell'ordine di 5 Eòtvòs.

È altresì noto il Bell Geospace Full Tensor Gravimeter, costituito dall'insieme di più GGI in grado di misurare allo stesso tempo tutte le componenti del tensore gradiente gravitazionale Γ, permettendo una completa ricostruzione della mappa gravimetrica. Le elevatissime prestazioni di tale strumento sono però associate ad un altrettanto elevato costo, ingombro e peso.

È altresì noto il Falcon Gravity Gravimeter della ditta australiana BHP Billiton Discovery Technologies, in grado di osservare sorgenti che producano anomalie Γzz>10 Eö rms, con una risoluzione spaziale di 500 m.

Un altro strumento noto è un gravimetro mobile superconduttore a bracci oscillanti bilanciati, sviluppato dalla Università di Western Australia nel 1994 e commercializzato dalla Gedex Inc. Lo strumento, sviluppato per prospezioni aeree, è in grado di avere un CMRR > 190 dB e una risoluzione migliore di 1 Eo a 1 Hz. È tuttavia poco maneggevole per le dimensioni della piattaforma inerziale e per la necessità di avere un sistema di refrigerazione a elio liquido.

Sintesi dell'invenzione

È scopo della presente invenzione fornire una apparecchiatura ed un metodo per la misura del gradiente dell'accelerazione di gravità sul campo, per varie applicazioni nel campo delle prospezioni geofisiche, in grado di raggiungere precisioni significative dal punto di vista applicativo, pur mantenendo dimensioni contenute in modo da essere alloggiato in un piccolo mezzo semovente.

È un altro scopo della presente invenzione fornire una siffatta apparecchiatura che consenta di ridurre il tempo necessario ad acquisire un singolo punto sperimentale, in modo da ridurre notevolmente il costo di una campagna di misure.

È un'ulteriore scopo dell'invenzione fornire una siffatta apparecchiatura che abbia una efficiente reiezione del rumore sia ambientale sia strumentale, e che abbia un elevato valore di reiezione rispetto al rumore meccanico o sismico, in grado anche di alleggerire le condizioni di stretto controllo delle condizioni di lavoro strumentale.

È anche scopo dell'invenzione fornire una apparecchiatura in grado di avere una elevata precisione di misurazione del gradiente di gravità.

Un ulteriore scopo dell'invenzione è fornire una apparecchiatura che riduca la necessità di controllo di isteresi sia meccaniche che termiche, e che eviti effetti legati alla fatica dei materiali.

È un'ulteriore scopo dell'invenzione fornire un'apparecchiatura che non risenta di variazioni termiche.

Questi e altri scopi sono raggiunti da una apparecchiatura per misurazioni microgravimetriche per prospezioni geofisiche secondo la presente invenzione, la cui caratteristica è di comprendere:

- un basamento;

- una prima massa solidale a detto basamento;

- una seconda massa disposta a minima distanza da detta prima massa e sulla verticale di detta prima massa in modo che detta prima e detta seconda massa formino un risonatore per radiazione elettromagnetica;

- mezzi di sospensione di detta seconda massa, detti mezzi di sospensione essendo fissati a detto basamento e sostenendo elasticamente detta seconda massa in modo da fornire una costante elastica stabile;

- mezzi per applicare un segnale elettromagnetico a detto risonatore;

- mezzi per misurare la frequenza di risonanza di detto risonatore in funzione di detto segnale elettromagnetico,

- mezzi per correlare la variazione di detta frequenza di risonanza alla variazione di distanza tra dette due masse, e

- mezzi per correlare la variazione di distanza alla accelerazione locale di gravità.

Preferibilmente, detta seconda massa è sopra detta prima massa.

Preferibilmente, sono previsti un primo ed un secondo risonatore come sopra definiti accoppiati e montati su due rispettivi basamenti tra loro solidali per misurare il gradiente in direzione verticale della accelerazione di gravità.

Vantaggiosamente, detti risonatori sono contenuti in una scatola chiusa in cui è stato ottenuto il vuoto. In tal modo le masse sono libere di muoversi in assenza di viscosità.

Preferibilmente, la frequenza di risonanza del risonatore elettromagnetico è nella regione delle microonde.

Vantaggiosamente, i mezzi per misurare la differenza tra le frequenze di risonanza dei due risonatori comprendono un circuito interferometrico rivelatore di fase. In tal modo tale differenza è letta in modo diretto confrontando, col suddetto circuito interferometrico, lo sfasamento della radiazione riflessa dai due risonatori.

Vantaggiosamente, i mezzi per generare il segnale a microonde comprendono un loop oscillator. Il loop oscillator può utilizzare come cavità di riferimento uno o più risonatori del gravimetro ovvero un risonatore esterno.

Vantaggiosamente, dette masse sono costituite da dischi di zaffiro posti ad una distanza predeterminata. Preferibilmente, detta distanza è compresa la 50 e 500 micron.

Preferibilmente, i mezzi per sospendere detta seconda massa comprendono un pendolo di torsione.

Vantaggiosamente, detto pendolo di torsione è ottenuto a partire da una lamina di silicio incisa, in particolare una lamina di silicio monocristallina, detta lamina presentando due incisioni a C contrapposte, in modo da separare una porzione fissa e una porzione mobile, tra loro unite mediante due porzioni di collegamento sollecitate a torsione per effetto di detta seconda massa sospesa e detta porzione mobile. In tal modo, è possibile evitare isteresi e effetti di fatica del materiale. L'uso di materiale monocristallino per la realizzazione di detto braccio permette di evitare effetti legati alla fatica dei materiali e al creep. In particolare, detta lamina di silicio è incisa mediante lavorazione ad ultrasuoni.

Vantaggiosamente, detta lamina costituisce una trave scelta tra: una trave incastrata ad un solo estremo, formando un braccio a sbalzo, oppure una trave incastrata ad entrambi gli estremi, in entrambi i casi la variazione di distanza tra dette due masse essendo la freccia di inflessione di detta lamina.

Vantaggiosamente, detti dischi di zaffiro sono atti a formare un risonatore che risuoni su un modo cosiddetto "whispering gallery".

Vantaggiosamente, nel caso di misurazione differenziale, detti due risonatori sono disposti in modo che le masse superiori siano sospese su lamine identiche e in grado di fornire la medesima risposta elastica.

Vantaggiosamente, affinché dette due lamine abbiano identica sensibilità all'accelerazione di gravità, sono previsti mezzi per smorzare il moto di oscillazione proprio di ciascuna lamina senza ridurre il coefficiente di merito meccanico né aumentare il rumore termico.

Preferibilmente, detti mezzi per smorzare comprendono:

- un avvolgimento elettrico solidale con il basamento e disposto in modo da creare un campo magnetico lungo la verticale di detta prima massa, affacciato su detta seconda massa;

- un magnete permanente fissato su detta lamina mobile di ciascuno di detti risonatori.

Il segnale di correzione in corrente da inviare all'avvolgimento è preferibilmente proporzionale alla velocità di movimento della lamina stessa.

Preferibilmente, detta velocità di movimento della lamina è misurata con un sistema laser. In alternativa, detta velocità di movimento può essere misurata con un circuito derivatore rivelando la fase dell'onda riflessa dal singolo risonatore rispetto ad un segnale di riferimento.

Vantaggiosamente, è prevista l'applicazione di un contrappeso per bilanciare la frequenza meccanica d'oscillazione della lamina, agendo sul momento d'inerzia della lamina stessa.

Vantaggiosamente, detta lamina ha una porzione sulla quale viene applicato uno strato metallico, detto strato metallico essendo affacciato ad almeno un elettrodo fisso rispetto al basamento, tra detto strato metallico e detto almeno un elettrodo essendo pilotato un campo elettromagnetico al fine di indebolire la costante elastica efficace del sistema.

Preferibilmente, sono previsti mezzi per variare la distanza a riposo tra i dischi, comprendenti un dispositivo piezoelettrico su cui è montata detta prima massa. In tal modo è possibile controllare la frequenza di risonanza elettrica f0e il fattore di trasduzione tra la distanza 1 e la frequenza f0.

Vantaggiosamente, sono previsti mezzi per bloccare il movimento della lamina quando il sensore non è in misura o in caso di shock violento durante il funzionamento .

In particolare, detti mezzi per bloccare comprendono mezzi di comando di un magnete posto su detta lamina di dette due coppie di dischi con una seconda bobina che entri in azione per scostamenti della posizione di lavoro superiore a qualche micron, fornendo forze di richiamo elevate.

Vantaggiosamente, detti mezzi di comando di un magnete comprendono un circuito di smorzamento di ciascuna di dette prime masse, comprendente un sensore laser atto a fornire un riferimento del sistema di blocco che entra in funzionamento quando avviene un superamento di un livello di soglia.

Breve descrizione dei disegni

Ulteriori caratteristiche e i vantaggi della apparecchiatura secondo l'invenzione risulteranno più chiaramente con la descrizione che segue di una sua forma realizzativa, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni annessi, in cui:

- la figura 1 mostra schematicamente in sezione un esempio di un sensore gravimetrico formato da un unico risonatore secondo l'invenzione, avente una coppia di dischi, uno fisso ed uno oscillante, in cui il disco oscillante è sospeso ad una lamina a sbalzo;

- la figura la mostra un siffatto esempio di sensore gravimetrico avente uno smorzatore attivo;

- la figura 2 mostra in vista prospettica un siffatto sensore gravimetrico avente un disco fisso ed uno oscillante, la lamina cui è sospeso il disco è una lamina intagliata;

- la figura 3 mostra schematicamente in sezione un esempio di sensore gradiometrico secondo l'invenzione comprendente due risonatori, come quello di fig. 1, atta ad essere usata per effettuare una misura differenziale tra le frequenze di risonanza dei due risonatori (la distanza tra i due risonatori non è disegnata in scala);

- la figura 4 mostra in vista prospettica un siffatto gravimetro differenziale in cui le masse oscillanti sono sostenute da rispettive lamine monocristalline come mostrate in fig. 2;

- la figura 5 mostra schematicamente in sezione un gravimetro differenziale avente due coppie di dischi oscillanti sostenuti da lamine incastrate ad entrambe le estremità;

- la figura 6 mostra una possibile realizzazione di mezzi per smorzare.

- la figura 7 mostra un esempio di circuito interferometrico rivelatore di fase;

Descrizione di alcune forme realizzative preferite Con riferimento alla figura 1 è descritto schematicamente un risonatore a microonde 10 di un microgravimetro secondo l'invenzione, in particolare per prospezioni geofisiche, ad esempio adatto per indagini di geofisica applicata alla ricerca mineraria. Il risonatore 10 comprende due masse oscillanti ed in particolare una coppia di dischi di zaffiro 1 e 2, posti ad una distanza d tra loro ad esempio dell'ordine di 100μm. Il disco superiore 1 è connesso ad un braccio 41 a sbalzo connesso ad un telaio fisso comprendente una parete rigida verticale 30 ed una base 31 in materiale omogeneo.

Lunghezza e materiali della parete verticale 30, della base 31 e di tutta la struttura portante saranno scelti dal tecnico del ramo senza difficoltà, in modo da minimizzare l'effetto termico globale sul segnale, sia a causa della dilatazione che della variazione delle costanti elastiche e dielettriche.

Il segnale a microonde è ottenuto con un "loop oscillator" che include in trasmissione il risonatore 10. In particolare, in figura 1 sono mostrate per semplicità una sonda magnetica 11 disposta su un piano esistente tra i due dischi 1 e 2. Il segnale viene ripreso da una sonda elettrica costituita da conduttore lineare 12 disposto sotto il disco fisso 2 sulla verticale del suo bordo laterale.

Sempre con riferimento alla figura 1, la distanza d tra i due dischi di zaffiro 1 e 2 è regolata in modo tale che essa, per valori standard di g, risulti dell'ordine di 100 μm.

Secondo l'invenzione, la frequenza di risonanza del risonatore 10 è influenzata dai differenti valori della accelerazione di gravità g. Pertanto, è possibile valutare le variazioni di g effettuando un monitoraggio della frequenza di risonanza del risonatore 10 nella regione delle microonde (tipicamente intorno a 11 GHz) intorno a 10.8GHz. Il monitoraggio viene fatto ripetendo la misura di frequenza in diversi punti geofisici ravvicinati o durante uno spostamento continuo.

Il braccio mobile 41 deve essere estremamente sensibile al segnale accelerometrico. Inoltre, essendo, il range dinamico di risposta del sensore, inferiore al μm è preferibile smorzare il moto di oscillazione del braccio 41, senza con questo ridurre il coefficiente di merito meccanico ed aumentare di conseguenza il rumore termico. Come mostrato in figura 1A, questo viene ottenuto con l'applicazione vantaggiosa della metodologia dello smorzamento attivo tramite un attuatore, avente un magnete 8 di dimensioni ridotte fissato al braccio 41 e comandato da una bobina 9, solidale al telaio fisso, che applica al braccio mobile 41 un segnale di correzione a.c. proporzionale alla velocità di movimento del braccio stesso 41. Tale segnale può essere ricavato tramite un circuito derivatore da un sensore di posizione laser, non mostrato, ovvero misurando lo spostamento della frequenza di risonanza del risonatore rispetto ad un oscillatore locale.

Come mostrato in figura 2, in una forma realizzativa preferita, il braccio 41 può essere vantaggiosamente realizzato come un pendolo di torsione incernierato attorno all'asse orizzontale 45. Il braccio 41 fa parte di un supporto 5 ottenuto da una lamina 40 monocristallina di silicio, incisa ad esempio tramite lavorazione ad ultrasuoni. In particolare, tramite la lavorazione ad ultrasuoni nella lamina 40 vengono ottenute le cave passanti 42 e 43 a forma di C contrapposte di lunghezze diverse che permettono di ottenere il braccio 41, separandolo per gran parte dalla lamina 40. Il braccio 41, la lamina 40 e le cerniere di torsione 44 attorno all'asse 45 sono dunque parti di un unico cristallo monolitico. Questa soluzione è vantaggiosa per evitare isteresi, creep ed effetti di fatica del materiale. La lamina monocristallina 40 è connessa alla parete 30 del telaio fisso.

In una forma realizzativa preferita, come mostrato nelle figure 3, 4 e 5, viene utilizzato un secondo oscillatore 20 associato all'oscillatore 10, denominato Server, tra loro identici. A titolo di semplice esempio, la distanza tra i risonatori 10 e 20 può essere di 20 cm, contro un diametro dei dischi di 4 cm.

In tal modo, le variazioni di g sono monitorate con altissima risoluzione confrontando le frequenze di risonanza nella regione delle microonde in banda X di un modo "whispering gallery" dei due risonatori 10 e 20 costituiti ciascuno dai due dischi di zaffiro affacciati 1, 2, 3 e 4. Le variabili indipendenti del dispositivo secondo l'invenzione sono la frequenza di risonanza meccanica fm, la frequenza di risonanza elettrica f0e la separazione d tra i dischi, che determina il fattore di trasferimento

Il campo elettromagnetico risonante può essere applicato in modo noto da un tecnico del ramo, ad esempio mediante una sorgente di eccitazione non mostrata e di tipo noto.

I due risonatori 10 e 20 e i relativi elementi al contorno devono essere perfettamente identici.

Per procedere alla correzione delle inevitabili imprecisioni di lavorazione e di assemblaggio si prevede di operare piccole correzioni nel modo seguente. Viene operata una prima correzione grossolana per regolare il momento di inerzia bilanciando la frequenza meccanica d'oscillazione aggiungendo micropesi al braccio 41, in modo noto e quindi non mostrato per semplicità. Viene, inoltre, operata una regolazione fine, operabile da remoto, sulla costante elastica con metodi elettrici. A tal fine, come è mostrato in Fig. 6, è prevista la metallizzazione di una porzione di estremità 61 del braccio mobile 41, opposta rispetto all'asse 45, eventualmente avente un contrappeso, sia sulla superficie superiore che su quella inferiore, e delle superfici 62 e 63 della struttura fissa ad esso affacciate. In particolare, applicando un campo elettrico tra le superfici 62 e 63, con funzione di elettrodo, si ha l'effetto di indebolire la costante elastica efficace di torsione attorno all'asse 45. La frequenza di risonanza elettrica f0ed il fattore di trasferimento sono controllati regolando il valore della distanza a riposo tra i dischi di zaffiro del server (associato al risonatore 10), tramite un supporto di lunghezza variabile 7, ad esempio un dispositivo piezoelettrico, su cui è montato il disco inferiore 2 del risonatore 10.

Per prevenire gli effetti potenzialmente distruttivi di urti tra i dischi di zaffiro 1 e 2 è previsto un sistema di blocco del movimento del braccio 41 quando il risonatore 10 non è in misura o in caso di shock violento durante il funzionamento. Tale blocco è ottenuto comandando il magnete 8 (fig. 1A) posto sul braccio mobile 41 con una seconda bobina (non mostrata) che entri in azione per scostamenti dalla posizione di lavoro superiori a qualche μm, fornendo forze di richiamo elevate. Un sensore laser (non mostrato) in uso per il circuito di smorzamento 9 del braccio mobile fornisce il riferimento a cui asservire, al superamento del livello di soglia, il sistema di blocco.

La figura 4 mostra schematicamente ed in sezione una forma realizzativa di un gravimetro secondo l'invenzione avente una coppia di risonatori 10 e 20 analoghi ciascuno a quello di figura 2, aventi i rispettivi dischi superiori 1 e 3 solidali a rispettivi bracci 41 e 51 a mensola ed incastrati in una loro estremità alle pareti rigide verticali 30 e 32. I due risonatori 10 e 20, sono poi montati in un carter 50, indicato schematicamente in figura 4, che forma una scatola chiusa e che separa i due risonatori 10 e 20 tramite una base in materiale omogeneo. All'interno della scatola chiusa 50 è ottenuto il vuoto, pertanto i dischi sono liberi di muoversi in assenza di viscosità.

La figura 5 mostra una ulteriore forma realizzativa di un gravimetro secondo l'invenzione avente due risonatori 10 e 20, i cui dischi superiori sono connessi a rispettive lamine 41' e 51' incastrate alle estremità a rispettive pareti rigide verticali 30 e 32, in modo analogo al sistema a lamina incisa per ottenere un braccio mobile come pendolo di torsione.

La configurazione di gravimetro comprendente due risonatori 10 e 20 montati in serie, come mostrato in figure 3 - 5, permette di effettuare la misura diretta del dato gravimetrico, confrontando in modo differenziale la frequenza di risonanza f dei due risonatori a microonde 10 e 20. Un tale gravimetro consente di misurare il gradiente gravitazionale in direzione verticale del vettore accelerazione di gravità con una risoluzione progettuale di 10 Eotvos (10<-8>s<-2>). La differenza tra le frequenze di risonanza dei due risonatori 10 e 20 è letta in modo diretto, confrontando, con un circuito interferometrico rivelatore di fase, le frequenze di risonanza dei due risonatori.

Un esempio di un siffatto circuito interferometrico è rappresentato in figura 7, in particolare riferentesi ad un gradiometro gravimetrico secondo l'invenzione, in cui un segnale a microonde è ottenuto con un loop oscillator 70 che include in trasmissione il risonatore 10 del gradiometro come cavità di riferimento. Tale radiazione è inviata ad interrogare in riflessione le due cavità 10 e 20. In particolare, la radiazione dell'oscillatore locale LO è equiripartita su due linee di trasmissione che tramite un cireolatore 75, andando ad interrogare i due risonatori 10 e 20, rispettivamente con le antenne 12 e 72. Lo sfasamento dell'onda riflessa da ciascun risonatore 10 e 20 è proporzionale al detuning tra la frequenza di LO e la frequenza di risonanza del risonatore stesso. I segnali riflessi vengono ricombinati in opposizione di fase, eliminando così i rumori di modo comune di LO, e rivelati con un mixer 76.

Questa disposizione garantisce un'efficiente reiezione di modo comune dei rumori esterni, ivi compreso il rumore della cinematica di traslazione, purché si garantisca al medesimo tempo un bilanciamento il più possibile corretto delle proprietà meccaniche ed elettriche dei due risonatori 10, 20. Il risonatore master 10 comprende due antenne, una con accoppiamento elettrico 12 e una con accoppiamento magnetico 11, mentre il secondo risonatore 20 necessita di un'unica antenna d'accoppiamento 72.

La differenza nel valore di g viene rivelata misurando il mismatch di frequenza fra i due risonatori per mezzo del circuito interferometrico di figura 7. Il segnale a microonde è ottenuto con un loop oscillator 75 che include uno dei risonatori del gravimetro come cavità di riferimento, un phase shifter 77, 78 e un amplificatore a microonde 79 a basso rumore ed alto guadagno.

La radiazione a microonde è inviata nei due rami 81 e 82 dell'interferometro dove è accoppiata attraverso dei circolatori 12 e 72 alle due cavità 10 e 20, usate in riflessione. La potenza riflessa dalle due cavità 10 e 20 è ricombinata sfasando uno dei rami di 180° (81 o 82) in modo da avere all'uscita 80 un segnale nullo quando il circuito è perfettamente bilanciato. Questo segnale è osservato demodulandolo in fase rispetto al loop oscillator 70 che alimenta l'intero circuito in un Doublé Balanced Mixter (DBM) 76. L'uscita del DBM 76 è proporzionale alla differenza di frequenza tra le due cavità 73 e 74 e quindi alla differenza di accelerazione.

Esempio

È di seguito riportato un esempio di dimensionamento di gradiometro gravimetrico secondo l'invenzione. Tale esempio si riferisce ad un gradiometro avente due risonatori a microonde WGM formati ciascuno da due dischi di zaffiro sostanzialmente identici (vedi figura 4), di diametro 42mm, altezza 5mm, con εr=9.750 ed εz=11.350, dei quali sono stati misurati sia i fattori di merito delle varie risonanze nella banda di interesse, nell'intorno dei 10-12 GHz, sia i valori del coefficiente di trasferimento df/dz. Alla luce dei risultati ottenuti è stato scelto il modo TM11 ,1 ,0+dche rappresenta il più alto fattore Qx (df/dz) , ossia quasi 300000 MHz/mm, avendo un fattore di merito Q≈58000 e df/dz≈5 MHz/mm, con un gap fra i due dischi di circa 100 μm.

Per ottenere la sensibilità necessaria a misurare 10 Eotvos, si devono misurare piccolissimi spostamenti, dell'ordine di 10<-13>m, e fra le molte cause di rumore è particolarmente rilevante l'effetto della temperatura sull'apparato nel suo complesso, cioè pendolo di torsione risonatore a microonde. È vantaggioso porre pareti assorbenti la cui posizione deve essere scelta in modo da disaccoppiare il risonatore dall'ambiente esterno, senza perturbare eccessivamente il modo Whispering Gallery di interesse.

È possibile compensare in temperatura i risonatori, o accelerometri, in modo tale da ridurre a livello compatibile con la precisione richiesta l'influenza della temperatura sul singolo accelerometro, a condizione di conoscere con precisione elevata, migliore di 1 ppm/K, i valori dei parametri che determinano la variazione della frequenza di risonanza delle cavità. A tal fine, va considerato che gli effetti della temperatura sulla risonanza possono esse causati dalla dipendenza della costante dielettrica dello zaffiro dalla temperatura. Infatti, aumentando la temperatura aumenta ε e diminuisce la frequenza che dipende dall'inverso di indice di rifrazione, cioè da ε 1/2

Gli effetti della temperatura sulla risonanza possono essere causati anche dall'aumento di volume dei dischi di zaffiro, che provoca una diminuzione della frequenza di risonanza. In particolare, le misure effettuate danno come risultato un valore di circa 63.2 ppm/kelvin per l'effetto complessivo.

La descrizione di cui sopra di una forma realizzativa specifica è in grado di mostrare l'invenzione dal punto di vista concettuale in modo che altri, utilizzando la tecnica nota, potranno modificare e/o adattare in varie applicazioni tale forma realizzativa specifica senza ulteriori ricerche e senza allontanarsi dal concetto inventivo, e, quindi, si intende che tali adattamenti e modifiche saranno considerabili come equivalenti della forma realizzativa specifica. I mezzi e i materiali per realizzare le varie funzioni descritte potranno essere di varia natura senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione. Si intende che le espressioni o la terminologia utilizzate hanno scopo puramente descrittivo e per questo non limitativo.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Una apparecchiatura per misurazioni microgravimetriche per prospezioni geofisiche, la cui caratteristica è di comprendere: un basamento; - una prima massa solidale a detto basamento; - una seconda massa disposta a minima distanza da detta prima massa e sulla verticale di detta prima massa in modo che detta prima e detta seconda massa formino un risonatore per radiazione elettromagnetica; - mezzi di sospensione di detta seconda massa, detti mezzi di sospensione essendo fissati a detto basamento e sostenendo elasticamente detta seconda massa in modo da fornire una costante elastica stabile; - mezzi per applicare un segnale elettromagnetico a detto risonatore; - mezzi per misurare la frequenza di risonanza di detto risonatore in funzione di detto segnale elettromagnetico, - mezzi per correlare la variazione di detta frequenza di risonanza alla variazione di distanza tra dette due masse, e mezzi per correlare la variazione di distanza alla accelerazione locale di gravità.
2. Una apparecchiatura, secondo la rivendicazione 1, in cui detta seconda massa è sopra detta prima massa.
3. Una apparecchiatura, secondo la rivendicazione 1, in cui sono previsti un primo ed un secondo risonatore come definiti nelle rivendicazioni 1 o 2, accoppiati e montati su due rispettivi basamenti tra loro solidali per compiere una misurazione differenziale misurando il gradiente in direzione verticale della accelerazione di gravità.
4. Una apparecchiatura, secondo la rivendicazione 3, in cui detti risonatori sono contenuti in una scatola chiusa in cui è stato ottenuto il vuoto.
5. Una apparecchiatura, secondo la rivendicazione 3, in cui la frequenza di risonanza del risonatore elettromagnetico è nella regione delle microonde.
6. Una apparecchiatura, secondo la rivendicazione 1, in cui i mezzi per misurare la differenza tra le frequenze di risonanza dei due risonatori comprendono un circuito interferometrico rivelatore di fase.
7. Una apparecchiatura, secondo la rivendicazione 1, in cui i mezzi per generare il segnale a microonde comprendono un loop oscillator, detto loop oscillator utilizzando in particolare come cavità di riferimento uno o più risonatori del gravimetro oppure un risonatore esterno.
8. Una apparecchiatura, secondo la rivendicazione 1, in cui dette masse sono costituite da dischi di zaffiro posti ad una distanza predeterminata, in particolare detta distanza è compresa la 50 e 500 micron
9. Una apparecchiatura, secondo la rivendicazione 8, in cui detti dischi di zaffiro sono atti a formare un risonatore che risuoni su un modo cosiddetto "whispering gallery".
10. Una apparecchiatura, secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di sospensione di detta seconda massa comprendono un pendolo di torsione, in particolare detto pendolo di torsione essendo ottenuto a partire da una lamina di silicio incisa, in particolare una lamina di silicio monocristallina, detta lamina presentando due incisioni a C contrapposte, in modo da separare una porzione fissa e una porzione mobile, tra loro unite mediante due porzioni di collegamento sollecitate a torsione per effetto di detta seconda massa sospesa e detta porzione mobile.
11. Una apparecchiatura, secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di sospensione comprendono una lamina che costituisce una trave scelta tra: una trave incastrata ad un solo estremo, formando un braccio a sbalzo, oppure una trave incastrata ad entrambi gli estremi, in entrambi i casi la variazione di distanza tra dette due masse essendo la freccia di inflessione di detta lamina.
12. Una apparecchiatura, secondo la rivendicazione 3, in cui, nel caso di misurazione differenziale, detti due risonatori sono disposti in modo che le masse superiori siano sospese su lamine identiche e in grado di fornire la medesima risposta elastica.
13. Una apparecchiatura, secondo la rivendicazione 12, in cui, affinché dette due lamine abbiano identica sensibilità all'accelerazione di gravità, sono previsti mezzi per smorzare il moto di oscillazione proprio di ciascuna lamina senza ridurre il coefficiente di merito meccanico né aumentare il rumore termico; ed in particolare detti mezzi per smorzare comprendono: - un avvolgimento elettrico solidale con il basamento e disposto in modo da creare un campo magnetico lungo la verticale di detta prima massa, affacciato su detta seconda massa; - un magnete permanente fissato su detta lamina mobile di ciascuno di detti risonatori.
14. Una apparecchiatura, secondo la rivendicazione 13, in cui detta velocità di movimento può essere misurata con un circuito derivatore rivelando la fase dell'onda riflessa dal singolo risonatore rispetto ad un segnale di riferimento.
15. Una apparecchiatura, secondo la rivendicazione 12, in cui è prevista l'applicazione di un contrappeso per bilanciare la frequenza meccanica d'oscillazione della lamina, agendo sul momento d'inerzia della lamina stessa.
16. Una apparecchiatura, secondo la rivendicazione 12, in cui detta o ciascuna lamina ha una porzione sulla quale viene applicato uno strato metallico, detto strato metallico essendo affacciato ad almeno un elettrodo fisso rispetto al basamento, tra detto strato metallico e detto almeno un elettrodo essendo pilotato un campo elettromagnetico al fine di indebolire la costante elastica efficace del sistema.
17. Una apparecchiatura, secondo la rivendicazione 9, in cui sono previsti mezzi per variare la distanza a riposo tra i dischi, comprendenti un dispositivo piezoelettrico su cui è montata detta prima massa.
18. Una apparecchiatura, secondo la rivendicazione 12, in cui sono previsti mezzi per bloccare il movimento della lamina quando il sensore non è in misura o in caso di shock violento durante il funzionamento.
19. Una apparecchiatura, secondo la rivendicazione 18, in cui detti mezzi per bloccare comprendono mezzi di comando di un magnete posto su detta lamina di dette due coppie di dischi con una seconda bobina che entri in azione per scostamenti della posizione di lavoro superiore a qualche micron, fornendo forze di richiamo elevate.
20. Una apparecchiatura, secondo la rivendicazione 19, in cui detti mezzi di comando di un magnete comprendono un circuito di smorzamento di ciascuna di dette prime masse, comprendente un sensore laser atto a fornire un riferimento del sistema di blocco che entra in funzionamento quando avviene un superamento di un livello di soglia,