WO2023152307A1 - Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät und verfahren zum messen einer gravitationsfeldgradientenänderung - Google Patents

Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät und verfahren zum messen einer gravitationsfeldgradientenänderung Download PDF

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WO2023152307A1
WO2023152307A1 PCT/EP2023/053335 EP2023053335W WO2023152307A1 WO 2023152307 A1 WO2023152307 A1 WO 2023152307A1 EP 2023053335 W EP2023053335 W EP 2023053335W WO 2023152307 A1 WO2023152307 A1 WO 2023152307A1
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WO
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mass
gravitational field
mass element
measuring device
field property
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Application number
PCT/EP2023/053335
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Rothleitner
Zhi Li
Original Assignee
Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig Und Berlin
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig Und Berlin filed Critical Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig Und Berlin
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V7/00—Measuring gravitational fields or waves; Gravimetric prospecting or detecting
    • G01V7/005—Measuring gravitational fields or waves; Gravimetric prospecting or detecting using a resonating body or device, e.g. string

Definitions

  • the invention relates to a gravitational field property measuring device for measuring a gravitational field gradient change, comprising (a) a first mass element which has a first mass, (b) a second mass element which has a second mass and is rigidly connected to the first mass element, and (c) a bearing , To which the first mass element and the second mass element are rotatably mounted together.
  • the invention relates to a method for measuring a gravitational field gradient change.
  • Gradiometers are known, by means of which vertical gradients of the gravitational field can be determined.
  • a vertical gradient is the spatial derivative of the gravitational field in the vertical direction.
  • a disadvantage of known gravitational field curvature measuring devices is that they can only measure the inhomogeneity of the gravitational field well in a linear approximation.
  • a gravity gradiometer for determining all components of the gravity gradient tensor is known from DD 269456 A1, which has rotating discs and acceleration sensors.
  • the discs are arranged vertically one above the other in a horizontal position with an identical axis of symmetry.
  • At each of the Discs are four orthogonal accelerometers arranged vertically one below the other.
  • the upper and middle disks rotate at a constant rotational frequency and are moved irregularly by a random number generator by 90° around the axis of symmetry of the gravity gradiometer.
  • DE 10 2014 009 003 A1 describes a gravitational acceleration measuring device with three mass elements which are each connected to a base plate via an elastic rod. At least one rod is arranged in such a way that the gravitational characteristic has a symmetrical sinusoidal characteristic. The bars are arranged mirror-inverted and unwound at least twice. The gravitational acceleration is determined from the positions of the three mass elements.
  • US 2008/0115377 A1 describes a method for tuning the properties of a gravity gradiometer having a pair of first and second transverse sensor masses arranged to move about an axis and relative to each other in response to a gravity gradient.
  • the gravity degree meter further includes first and second capacitors for detecting and influencing movement of the first and second sensor masses.
  • a bias voltage is applied to at least one of the capacitors to generate an electrostatic force which acts on one of the sensor masses and thereby affects the movement of that sensor mass.
  • the object of the invention is to detect inhomogeneities in the gravitational field with greater accuracy.
  • the invention solves the problem with a generic gravitational field property measuring device which has a third mass element, the three mass elements being arranged in such a way that they can be brought into a zero position in which (i) a first mass element height on which the first mass element is arranged , is greater than a second mass element height at which the second mass element is disposed, and (ii) a third mass element height at which the third mass element is disposed is between the first mass element height and the second mass element height.
  • this gravitational field property meter is a gravitational field curvature meter.
  • the invention also solves the problem with a method for measuring a gravitational field property with the steps (a) automatically measuring a deflection of at least one mass element of a gravitational field property measuring device according to the invention and (b) automatically calculating a spatial gravitational field gradient change from the deflection.
  • gravitational field gradient change the term gravitational field curvature could also be used.
  • the advantage of the gravitational field property measuring device according to the invention is that the curvature of the gravitational field can be measured directly.
  • the curvature of the gravitational field must be determined indirectly by deduction, which is error-prone.
  • the gravitational field property measuring device can be built in such a way that, in the case of a gravitational field, there is no torque applied to a hypothetical point mass in the bearing. In other words, the torques with respect to an axis of rotation of the bearing add up to at least essentially zero in this case.
  • the third mass element is preferably connected to the first mass element and/or to the second mass element. This means in particular that the mass elements cannot move independently of one another. In particular, the three mass elements are rigidly connected to one another. This means in particular that a movement of a mass element always leads to a movement of the other mass elements.
  • each of the three mass elements is rotatably mounted about a pivot point, with all three mass elements preferably being rotatably mounted about the same pivot point.
  • the gravitational field property measuring device preferably has an evaluation unit.
  • the evaluation unit is preferably designed for the numerical integration of the gravitational field curvatures measured at a number of points, so that a gravitational field gradient and/or the gravitational field strength is obtained in a spatially resolved manner.
  • a mass element is understood to be an object that is designed and positioned in such a way that the gravitational force of the mass element can be used to measure the gravitational field curvature.
  • the mass element is formed by a thickening.
  • the bearing is understood in particular as a structure that restricts the freedom of movement of the mass elements in particular in at least four, in particular five, degrees of freedom.
  • the bearing allows movement in one rotational degree of freedom.
  • the mass elements In the zero position, the mass elements preferably experience no rotational acceleration and/or no change in their speed. Alternatively or additionally, in the zero position in the case of a gravitational field of a—hypothetical—point mass in the bearing there is at least essentially no torque.
  • the zero position is a reference position. If the gravitational field property measuring device is moved locally, the angle of rotation changes if the spatial distribution of the gravitational field changes, ie a new torque results. In the zero position, a torque can already act, but this is compensated for by the restoring torque of the restoring torque generator.
  • the feature that there is at least essentially no torque in the bearing means in particular that although it is possible and desirable for no torque to be present, it is sufficient if the torque is at most one fifth, in particular at most one tenth, of the maximum possible torque.
  • the feature that the first mass element is rigidly connected to the second mass element means in particular that there is a connection structure between the two mass elements whose—inevitable—bending elasticity is so small that it can be ignored.
  • the third mass element is preferably rigidly connected to the first mass element and/or the second mass element.
  • a structure that connects the three ground elements together is called a connection structure.
  • the connecting structure is pivotally supported by the bearing.
  • the gravitational field property measuring device is also a force measuring device because a (additional) force applied to a point spaced from the bearing of an object pivoted about the bearing can be measured with high accuracy. The reason for this is that otherwise occurring systematic errors can be compensated for by the constant and the linear part of the earth's gravitational field.
  • the first mass element is arranged directly above the second mass element. This means in particular that the first mass element would fall onto the second mass element if it were not attached.
  • the gravitational field property measuring device has a rotational angle change meter for measuring a rotational deflection of at least one of the mass elements from the zero position.
  • the zero position can also be referred to as zero position.
  • the rotation angle change meter has a laser interferometer, for example.
  • the rotation angle change meter is a capacitive rotation angle change meter.
  • the rotation angle change meter can also be based on a different measuring principle.
  • the rotation angle change meter can be designed to detect a rotary displacement and/or a linear displacement.
  • the only decisive factor is that the change in the angle of rotation can be calculated from the measured data.
  • the gravitational field property measuring device preferably has a restoring torque generator, by means of which a force can be generated on the mass elements, which brings them into the zero position.
  • the restoring torque generator is designed in such a way that it brings the mass elements into the zero position when no external gravitational field is present.
  • the restoring torque generator can be passive, for example a spring.
  • the passive restoring torque generator is designed to generate a restoring force that corresponds to a restoring torque with respect to a rotation about an axis of rotation of the bearing.
  • the spring preferably generates a restoring torque with a torsional constant of at most 10' 3 Nm/rad (Newton meters per radian), in particular at most 10' 4 Nm/rad.
  • the restoring torque generator can be active and, for example, have a drive, in particular an electrostatic or magnetic drive.
  • the restoring torque generator is preferably connected to the connection structure and arranged in such a way that the mass elements can be brought into the zero position by exerting a force on the connection structure.
  • the three mass elements and the connection structure have a natural frequency of at most 2 Hz, in particular at most 1 Hz, with respect to a rotation about an axis of rotation of the bearing.
  • the natural frequency is preferably at least 0.01 Hz.
  • the gravitational field property measuring device preferably has an evaluation unit.
  • the evaluation unit is also preferably designed to control the drive so that it moves the mass elements into the zero position.
  • An electrical voltage or an electrical current is preferably applied to the drive by the evaluation unit, so that the drive exerts a restoring force on the mass elements.
  • the evaluation unit is preferably designed to calculate the restoring force and/or the gravitational field curvature from the electrical voltage or the electrical current.
  • the gravitational field property measuring device is preferably designed as a microsystem. It is favorable if the distance between the center of gravity of the first mass element and the second mass element is at most 10 cm, in particular at most 5 cm, preferably at most 1 cm.
  • the microsystem is machined, in particular etched, out of a homogeneous material, in particular a single crystal.
  • the mass elements are preferably connected to one another in one piece.
  • One-piece means that there are no joints.
  • the gravitational field property measuring device has a quality factor of at least, ie higher than, 270,000. The higher the quality factor, the better the achievable measurement uncertainty.
  • the gravitational field property measuring device preferably includes a calibration certificate in which this measurement uncertainty is certified on the basis of a traceable measurement.
  • the mass elements are made of non-magnetizable material.
  • the connection structure is preferably constructed from non-magnetizable material.
  • the bearing is preferably constructed from non-magnetizable material.
  • the susceptibility of the material is preferably less than 10' 3 in absolute terms.
  • the first mass corresponds to the second mass. This means in particular that the mass of the first mass element differs from the mass of the second mass element by at most 10 ⁇ 2 , in particular at most 10 3 .
  • the first mass corresponds to the third mass. This means in particular that the mass of the first mass element differs from the mass of the third mass element by at most 10 ⁇ 2 , in particular at most 10 3 .
  • the first mass and the second mass are connected by a first web and (b) the third mass is connected by a second web to the first web, with (c) the second web being rotatably mounted on the bearing .
  • a lever arm length between the center of mass of the third mass element and the axis of rotation of the bearing is twice as long as a distance between the axis of rotation of the bearing and one common center of gravity of the system from the first and second mass element.
  • the distance between the center of mass of the second mass element and the center of mass of the first mass element preferably corresponds to twice the length of the lever arm between the center of mass of the third mass element and the axis of rotation of the bearing.
  • the gravitational field property measuring device is preferably mounted by means of an inertial bearing.
  • the inertial bearing and the gravitational field property measuring device form a gravitational field property measuring system.
  • the gravitational field property measuring device is arranged in a vacuum chamber.
  • the evaluation unit is preferably designed to automatically detect a deflection of at least one mass element and to automatically calculate a gravitational field curvature and/or a gravitational field gradient change from the deflection.
  • the evaluation unit is preferably designed to automatically (i) detect positions of at least one mass element, (ii) detect the rotary deflections of at least one of the mass elements and (iii) calculate a spatial gravitational field gradient change from at least one deflection.
  • the position is determined, for example, using a satellite navigation system and/or entered using an input device of the gravitational field property measuring device and is thus recorded by the evaluation unit.
  • According to the invention is also a method for navigation using gravitational maps, in which the curvature of the gravitational field is measured using a gravitational field property measuring device according to the invention and compared with a map on which the gravitational field curvature is entered.
  • a map the respective assignment of a large number of positions on the earth's surface to the gravitational field curvature.
  • the first mass element 12.1 is preferably arranged at a first mass element height Hi, the second mass element 12.2 at a second mass element height H2 and the third mass element 12.3 at a third mass element height H3.
  • H ⁇ Hs ⁇ Hi Preferably, H ⁇ Hs ⁇ Hi.
  • the gravitational field property measuring device 10 has a rotational angle change measuring device 18 which preferably has an interferometer 20 .
  • the interferometer 20 preferably sends a laser beam 22 from a laser 24 onto a retroreflector 26 which is fixed relative to, in particular directly on, the second web 14.2. If the second web 14.2 rotates about the axis of rotation Aw, an interference pattern changes on a detector 28 of the interferometer 20.
  • a preferably present evaluation unit 30 detects this change and uses it to calculate a change in the angle of rotation of an angle of rotation 0 by which the mass elements
  • a return torque generator 32 which is preferably present, for example in the form of a spring 34
  • the mass elements and a connecting structure 36 which is formed from the webs 14.1, 14.2, are prestressed into a zero position.
  • the rotation angle ⁇ depends linearly on a torque N caused by the effect of a gravitational field curvature, so that
  • the restoring torque generator 32 can preferably have a drive, for example an electrostatic drive 38.
  • the drive 38 can be an electrostatic comb drive.
  • the evaluation unit 30 preferably controls the drive 38 in such a way that the angle of rotation 0 has a constant value. From the control parameter, in the case of a comb drive off the electrical voltage applied between the electrodes, the evaluation unit determines the gravitational field curvature according to a preferred embodiment.
  • the first mass element 12.1 has a first mass rm
  • the second mass element 12.2 has a second mass m2
  • the third mass element 12.3 has a third mass m3.
  • d is the length of the lever arm between the center of mass of the third mass element 12.3 and the axis of rotation A .
  • the mass elements are preferably arranged in such a way that the resulting torque N applies, where N L is the torque on the left and N R is the torque on the right side of the lever.
  • g t designates the gravitational value acting on the mass element 12.i.
  • the mass elements are preferably arranged in such a way that the torsional constant D
  • 0 s applies to the resulting torque AN to be resolved and the resolution s of the rotary angle change meter, where 0 indicates the rotary angle, which can also be referred to as the deflection angle, s is the path that the retroreflector 26 travels from the zero position.
  • the mass elements are arranged so that for the natural frequency applies.
  • the gravitational field property measuring device 10 and the vacuum chamber 40 form a gravitational field property measuring system 41. It is favorable if the gravitational field property measuring device 10 is mounted using an inertial bearing 42.
  • the inertial bearing 42 comprises a gimbal.
  • the inertial bearing 42 preferably also has rotating gyros which rotate about the axes of the gimbal and thus stabilize the inertial bearing 42 .
  • the gravitational field property measuring device is used to detect changes in the mass composition of the immediate vicinity, in particular within a radius of at most 20 m, in particular at most 10 m, preferably at most 5 m.
  • the gravitational field property meter is used in a method to detect objects having a density of at least 18 grams per cubic centimeter, such as nuclear material.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a gravitational field property measuring device according to the invention in a gravitational field property measuring system according to the invention.
  • Figure 1 shows a gravitational field property measuring device 10 according to the invention with a first mass element 12.1, a second mass element 12.2 and a third mass element 12.3.
  • the first mass element 12.1 is connected to the second mass element 12.2 by means of a first web 14.1.
  • the third mass element 12.3 is connected to the first web 14.1 by means of a second web 14.2. It is favorable if a second web longitudinal axis L2 of the second web 14.2 intersects a first web longitudinal axis L1 of the first web 14.1 at a point of intersection which is halfway between a first center of mass of the first mass element 12.1 and a second center of mass of the second mass element 12.2.
  • the second web 14.2 is mounted in a bearing 16.
  • the bearing 16 is, for example, a solid joint or a blade bearing.
  • the second web 14.2 is rotatably mounted about an axis of rotation A by means of the bearing 16.
  • FIG. 1 shows the gravitational field property measuring device 10 in its zero position.
  • the first mass element 12.1 is arranged at a first mass element height Hi
  • the second mass element 12.2 at a second mass element height H2
  • the third mass element 12.3 at a third mass element height H3.
  • H 2 ⁇ H 3 ⁇ HI applies.
  • the gravitational field property measuring device 10 has a rotation angle change meter 18 which has an interferometer 20 in the present case.
  • the interferometer 20 emits a laser beam 22 from a laser 24 onto a retroreflector 26 which is fixed relative to, in particular directly on, the second web 14.2. If the second web 14.2 rotates about the axis of rotation A, an interference pattern changes on a detector 28 of the interferometer 20.
  • An evaluation unit 30 detects this change and uses it to calculate a change in the angle of rotation of a rotation angle 9 by which the mass elements 12.1, 12.2, 12.3 rotate about the axis of rotation A were rotated.
  • a restoring torque generator 32 for example in the form of a spring 34, the mass elements and a connecting structure 36, which is formed from the webs 14.1, 14.2, are preloaded into a zero position, which is shown in FIG.
  • the rotation angle 0 depends linearly on a torque N, which is caused by the effect of a gravitational field curvature. It applies with the torsional constant D.
  • the restoring torque generator 32 can also have a drive, for example an electrostatic drive 38.
  • the drive 38 can be act an electrostatic comb drive.
  • the evaluation unit 30 controls the drive 38 in such a way that the angle of rotation 0 has a constant value.
  • the evaluation unit determines the gravitational field curvature from the control parameters, in the case of a comb drive from the electrical voltage applied between the electrodes.
  • the first mass element 12.1 has a first mass rm
  • the second mass element 12.2 has a second mass m2
  • the third mass element 12.3 has a third mass m3.
  • the interconnection structure 36 has a mass which compared to the masses m;
  • N is the torque on the left side of the lever and N R is the torque on the right side of the lever.
  • g t designates the gravitational value acting on the mass element 12.i.
  • TNEAA 0.1 E Hz -1/2
  • TNEAA thermal noise equivalent angular acceleration
  • the gravitational field property meter 10 is placed in a vacuum chamber 40 .
  • a pressure p4o of preferably p4o ⁇ 100 hPa prevails therein. It is favorable if p4o ⁇ 10′ 6 Pa, in particular P4o ⁇ 10′ 5 Pa, applies.
  • the gravitational field property measuring device 10 and the vacuum chamber 40 form a gravitational field property measuring system 41. It is favorable if the gravitational field property measuring device 10 is mounted by means of an inertial bearing 42.
  • the inertial bearing 42 includes a cardanic suspension 44, which is shown in outline.
  • the inertial bearing 42 preferably also has rotating gyros which rotate about the axes of the gimbal and thus stabilize the inertial bearing 42 .
  • the gravitational field property meter 10 can be used to detect changes in the bulk composition of the surrounding environment. Because of the low measurement uncertainty, such a gravitational field property measuring device 10 can be used to detect objects with a high density, for example nuclear material, in a container.
  • the gravitational field of the earth also has a gravitational field curvature that depends on the position on the earth's surface.
  • a gravitational field curvature that depends on the position on the earth's surface.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät (10) zum Messen einer Gravitationsfeldgradientenänderung, mit einem ersten Masseelement (12.1), das eine erste Masse (m1) hat, einem zweiten Masseelement (12.2), das eine zweite Masse (m2) hat und mit dem ersten Masseelement (12.1) starr verbunden ist, einem Lager (16), um das das erste Masseelement (12.1) und das zweite Masseelement (12.2) gemeinsam drehbar gelagert sind, wobei ein drittes Masseelement (12.3), wobei die Masseelemente (12.1, 12.2, 12.3) so angeordnet sind, dass die Masseelemente (12.1, 12.2, 12.3) in eine Nullstellung bringbar sind, in der eine erste Masseelement-Höhe (H1), auf der das erste Masseelement (12.1) angeordnet ist, größer ist als eine zweite Masseelement-Höhe (H2), auf der das zweite Masseelement (12.2) angeordnet ist, und eine dritte Masseelement-Höhe (H3), auf der das dritte Masseelement (12.3) angeordnet ist, das zwischen der ersten Masseelement-Höhe (H1) und der zweiten Masseelement-Höhe (H2) liegt.

Description

Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät und Verfahren zum Messen einer Gravitationsfeldgradientenänderung
Die Erfindung betrifft ein Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät zum Messen einer Gravitationsfeldgradientenänderung mit (a) einem ersten Masseelement, das eine erste Masse hat, (b) einem zweiten Masseelement, das eine zweite Masse hat und mit dem ersten Masseelement starr verbunden ist, und (c) einem Lager, um das das erste Masseelement und das zweite Masseelement gemeinsam drehbar gelagert sind. Gemäß einem 2. Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen einer Gravitationsfeldgradientenänderung.
Die Messung der Gravitation ist problematisch, da die Gravitationswechselwirkung im Vergleich zu den anderen drei Fundamentalkräften sehr schwach ist und sich zudem nicht abschirmen lässt.
Bekannt sind Gradiometer, mittels denen vertikale Gradienten des Gravitationsfelds bestimmt werden können. Ein vertikaler Gradient ist die räumliche Ableitung des Gravitationsfelds in vertikaler Richtung.
Bekannt sind zudem Relativgravimeter, die Feder-Masse-Systeme enthalten. Je nach Stärke des Gravitationsfelds ändert sich deren Federlänge.
Nachteilig an bekannten Gravitationsfeldkrümmungsmessgeräten ist, dass sie die Inhomogenität des Gravitationsfelds nur in linearer Näherung gut messen können.
Aus der DD 269456 A1 ist ein Schweregradiometer zur Bestimmung aller Komponenten des Schweregradienttensors bekannt, das rotierende Scheiben und Beschleunigungsaufnehmer aufweist. Die Scheiben sind in horizontaler Lage mit identischer Symmetrieachse vertikal übereinander angeordnet. An jeder der Scheiben sind vier orthogonal zueinander angeordnete Beschleunigungsaufnehmer vertikal genau untereinander angeordnet. Die obere und die mittlere Scheibe rotieren mit konstanter Rotationsfrequenz und werden über einen Zufallsgenerator unregelmäßig jeweils um 90° um die Symmetrieachse des Schweregradiometers bewegt.
Die DE 10 2014 009 003 A1 beschreibt ein Gravitationsbeschleunigungsmessgerät mit drei Masseelementen, die über jeweils ein elastischen Stab mit einer Grundplatte verbunden sind. Mindestens ein Stab ist so angeordnet, dass die Gravitationskennlinie eine symmetrische sinusförmige Charakteristik hat. Die Stäbe sind spiegelbildlich angeordnet und zumindest zweifach abgewickelt. Aus den Positionen der drei Masseelemente wird die Gravitationsbeschleunigung bestimmt.
Die US 2008/0115377 A1 beschreibt ein Verfahren zur Abstimmung der Eigenschaften eines Schwerkraftgradiometers, das ein Paar von ersten und zweiten quer angeordneten Sensormassen aufweist, die so angeordnet sind, dass sie sich in Reaktion auf einen Schwerkraftgradienten um eine Achse und relativ zueinander bewegen. Das Schwerkraftgrad iometer umfasst ferner einen ersten und einen zweiten Kondensator zum Erfassen und Beeinflussen der Bewegung der ersten und der zweiten Sensormasse. Es wird eine Vorspannung an mindestens einen der Kondensatoren zur Erzeugung einer elektrostatischen Kraft angelegt, die auf eine der Sensormassen wirkt und dadurch die Bewegung dieser Sensormasse beeinflusst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Inhomogenitäten des Gravitationsfelds mit höherer Genauigkeit zu erfassen.
Die Erfindung löst das Problem durch ein gattungsgemäßes Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät, das ein drittes Masseelement aufweist, wobei die drei Masseelemente so angeordnet sind, dass sie in eine Nullstellung bringbar sind, in der (i) eine erste Masseelement-Höhe, auf der das erste Masseelement angeordnet ist, größer ist als eine zweite Masseelement-Höhe, auf der das zweite Masseelement angeordnet ist, und (ii) eine dritte Masseelement-Höhe, auf der das dritte Masseelement angeordnet ist, zwischen der ersten Masseelement-Höhe und der zweiten Masseelement-Höhe liegt. Insbesondere ist dieses Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät ein Gravitationsfeldkrümmungsmessgerät. Die Erfindung löst das Problem zudem durch ein Verfahren zum Messen einer Gravitationsfeldeigenschaft mit den Schritten (a) automatisches Messen einer Auslenkung zumindest eines Masseelementes eines erfindungsgemäßen Gravitationsfeldeigenschaftsmessgeräts und (b) automatisches Berechnen einer räumlichen Gravitationsfeldgradientenänderung aus der Auslenkung. Statt des Begriffs Gravitationsfeldgradientenänderung könnte auch der Begriff Gravitationsfeldkrümmung verwendet werden.
Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät ist, dass die Krümmung des Gravitationsfelds direkt gemessen werden kann. Bei bekannten Gravitationsfeldeigenschaftsmessgeräten muss die Krümmung des Gravitationsfelds indirekt durch Ableiten ermittelt werden, was fehleranfällig ist.
Günstig ist zudem, dass das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät so gebaut werden kann, dass es im Fall eines Gravitationsfelds einer hypothetischen Punktmasse im Lager kein Drehmoment anliegt. In anderen Worten addieren sich die Drehmomente bezüglich einer Drehachse des Lagers in diesem Fall zumindest im Wesentlichen zu null.
Das dritte Masseelement ist vorzugsweise mit dem ersten Masseelement und/oder mit dem zweiten Masseelement verbunden. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass die Masseelemente sich nicht unabhängig voneinander bewegen können. Insbesondere sind die drei Masseelemente starr miteinander verbunden. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass eine Bewegung eines Masseelements stets zu einer Bewegung der anderen Masseelemente führt. Insbesondere ist jedes der drei Masseelemente um einen Drehpunkt drehbar gelagert, wobei vorzugsweise alle drei Masseelemente um den gleichen Drehpunkt drehbar gelagert sind.
Das erfindungsgemäße Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät weist vorzugsweise eine Auswerteeinheit auf. Die Auswerteeinheit ist vorzugsweise ausgebildet zum numerischen Integrieren von an mehreren Stellen der gemessenen Gravitationsfeldkrümmungen, sodass ein Gravitationsfeldgradient und/oder die Gravitationsfeldstärke ortsaufgelöst erhalten wird. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Masseelement ein Objekt verstanden, das so ausgebildet und positioniert ist, dass die Schwerkraft des Masseelements zum Messen der Gravitationsfeldkrümmung verwendbar ist. Beispielsweise ist das Masseelement durch eine Verdickung gebildet.
Unter dem Lager wird insbesondere eine Struktur verstanden, die die Bewegungsfreiheit gerade der Masseelemente in zumindest vier, insbesondere fünf, Freiheitsgraden einschränkt. Vorzugsweise ermöglicht das Lager eine Bewegung in einem Drehfreiheitsgrad.
In der Nullstellung erfahren die Masseelemente vorzugsweise keine Drehbeschleunigung und/oder keine Änderung ihrer Geschwindigkeit. Alternativ oder zusätzlich liegt in der Nullstellung im Fall eines Gravitationsfelds einer - hypothetischen - Punktmasse im Lager zumindest im Wesentlichen kein Drehmoment an.
Die Nullstellung ist eine Referenzposition. Wird das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät örtlich bewegt, so ändert sich der Drehwinkel, falls die räumliche Verteilung des Gravitationsfeldes sich ändert, also ein neues Drehmoment resultiert. In der Nullstellung kann auch schon ein Drehmoment angreifen, welches aber durch das Rückstellmoment des Rückstellmomenterzeugers kompensiert wird. Unter dem Merkmal, dass im Lager zumindest im Wesentlichen kein Drehmoment anliegt, wird insbesondere verstanden, dass es zwar möglich und wünschenswert ist, dass kein Drehmoment anliegt, dass es aber ausreicht, wenn das Drehmoment höchstens ein Fünftel, insbesondere höchstens ein Zehntel, des maximal möglichen Drehmoments beträgt.
Unter dem Merkmal, dass das erste Masseelement mit dem zweiten Masseelement starr verbunden ist, wird insbesondere verstanden, dass eine Verbindungsstruktur zwischen den beiden Masseelementen existiert, deren - unvermeidliche - Biegeelastizität so klein ist, dass sie vernachlässigbar ist.
Vorzugsweise ist das dritte Masseelement mit dem ersten Masseelement und/oder dem zweiten Masseelement starr verbunden. Eine Struktur, die die drei Masseelemente miteinander verbindet, wird Verbindungstruktur genannt. Die Verbindungsstruktur ist mittels des Lagers schwenkbar gelagert. Das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät ist zudem ein Kraftmessgerät, da eine (zusätzliche) Kraft, die auf eine vom Lager beabstandete Stelle eines Objekts, das um das Lager schwenkbar gelagert ist, mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann. Der Grund dafür ist, dass ansonsten entstehende systematische Fehler durch den konstanten und den linearen Anteil des Erd-Gravitationsfeldes kompensierbar sind.
Günstig ist es, wenn in der Nullstellung das erste Masseelement direkt oberhalb des zweiten Masseelements angeordnet ist. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass das erste Masseelement auf das zweite Masseelement fiele, wenn es nicht befestigt wäre.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät einen Drehwinkeländerungsmesser zum Messen einer Drehauslenkung zumindest einer der Masseelemente aus der Nulllage. Die Nulllage kann auch als Nullstellung bezeichnet werden. Der Drehwinkeländerungsmesser weist beispielsweise ein Laserinterferometer auf. Alternativ oder zusätzlich ist der Drehwinkeländerungsmesser ein kapazitiver Drehwinkeländerungsmesser. Der Drehwinkeländerungsmesser kann zudem auf einem anderen Messprinzip beruhen.
Der Drehwinkeländerungsmesser kann ausgebildet sein zum Erfassen einer Drehverschiebung und/oder einer linearen Verschiebung. Maßgeblich ist lediglich, dass aus den gemessenen Daten die Drehwinkeländerung berechnet werden kann.
Das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät weist vorzugsweise einen Rückstellmomenterzeuger auf, mittels dem eine Kraft auf die Masseelemente erzeugbar ist, die diese in die Nullstellung bringt. In anderen Worten ist der Rückstellmomenterzeuger so ausgebildet, dass er die Masseelemente in die Nullstellung bringt, wenn kein externes Gravitationsfeld anliegt.
Der Rückstellmomenterzeuger kann passiv sein, beispielsweise eine Feder. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der passive Rückstellmomenterzeuger ausgebildet zum Erzeugen einer Rückstellkraft, die einem rückstellenden Drehmoment bezüglich einer Drehung um eine Drehachse des Lagers entspricht. Die Feder erzeugt vorzugsweise ein rückstellendes Drehmoment mit einer Torsionskonstante von höchstens 10'3 Nm/rad (Newtonmeter pro Radiant), insbesondere höchstens 10'4 Nm/rad.
Alternativ oder zusätzlich kann der Rückstellmomenterzeuger aktiv sein und beispielsweise einen Antrieb aufweisen, insbesondere einen elektrostatischen oder magnetischen Antrieb. Vorzugsweise ist der Rückstellmomenterzeuger mit der Verbindungsstruktur verbunden und so angeordnet, dass durch ein Ausüben einer Kraft auf die Verbindungstruktur die Masseelemente in die Nullstellung bringbar sind.
Günstig ist es, wenn die drei Masseelemente und die Verbindungstruktur bezüglich einer Drehung um eine Drehachse des Lagers eine Eigenfrequenz von höchstens 2 Hz, insbesondere höchstens 1 Hz, hat. Vorzugsweise beträgt die Eigenfrequenz zumindest 0,01 Hz.
Vorzugsweise besitzt das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät eine Auswerteeinheit. Auch die Auswerteeinheit ist vorzugsweise ausgebildet zum Ansteuern des Antriebs, sodass diese die Masseelemente in die Nulllage bewegt. Der Antrieb wird von der Auswerteeinheit vorzugsweise mit einer elektrischen Spannung oder einem elektrischen Strom beaufschlagt, sodass der Antrieb eine rückstellende Kraft auf die Masseelemente ausübt. Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit ausgebildet zum Berechnen der rückstellenden Kraft und/oder der Gravitationsfeldkrümmung aus der elektrischen Spannung oder dem elektrischen Strom.
Vorzugsweise ist das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät als Mikrosystem ausgebildet. Günstig ist es, wenn ein Abstand zwischen den Masseschwerpunkt des ersten Masseelements und des zweiten Masseelements höchstens 10 cm, insbesondere höchstens 5 cm, vorzugsweise höchstens 1 cm, beträgt.
Günstig ist es, wenn das Mikrosystem aus einem homogenen Material, insbesondere einem Einkristall, herausgearbeitet, insbesondere herausgeätzt, ist. Vorzugsweise sind die Masseelemente miteinander einstückig verbunden. Einstückig bedeutet dabei fügestellenfrei. Günstig ist es, wenn das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät einen Gütefaktor von mindestens, also höher als, 270 000 aufweist. Je höher Gütefaktor, desto besser die erreichbare Messunsicherheit.
Vorzugsweise hat das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät eine Messunsicherheit von höchstens, also besser als, 0,1 Eötvös = 0,1 nm/(s2m), also Nanometer pro Sekundenquadrat und Meter. Das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät umfasst vorzugsweise einen Kalibrierschein, in dem diese Messunsicherheit auf Basis einer rückgeführten Messung bescheinigt ist.
Günstig ist es, wenn die Masseelemente aus nicht magnetisierbarem Material aufgebaut sind. Alternativ oder zusätzlich ist vorzugsweise die Verbindungsstruktur aus nicht magnetisierbarem Material aufgebaut. Wiederum alternativ oder zusätzlich ist vorzugsweise das Lager aus nicht magnetisierbarem Material aufgebaut.
Vorzugsweise ist die Suszeptibilität des Materials betragsmäßig kleiner als 10'3.
Günstig ist es, wenn die erste Masse der zweiten Masse entspricht. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass sich die Masse des ersten Masseelements von der Masse des zweiten Masseelements relativ um höchstens 10-2, insbesondere höchstens 103, unterscheidet.
Günstig ist es, wenn die erste Masse der dritten Masse entspricht. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass sich die Masse des ersten Masseelements von der Masse des dritten Masseelements relativ um höchstens 10-2, insbesondere höchstens 103, unterscheidet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind (a) die erste Masse und die zweite Masse mittels eines ersten Stegs verbunden und (b) die dritte Masse ist mittels eines zweiten Stegs mit dem ersten Steg verbunden, wobei (c) der zweite Steg drehbar am Lager gelagert ist.
Besonders günstig ist es in diesem Fall, wenn eine Hebelarm länge zwischen dem Masseschwerpunkt des dritten Masseelements und der Drehachse des Lagers doppelt so lang ist wie ein Abstand zwischen der Drehachse des Lagers und einem gemeinsamen Masseschwerpunkt des Systems aus dem ersten und zweiten Masseelement. Vorzugsweise entspricht der Abstand zwischen dem Masseschwerpunkt des zweiten Masseelements und dem Masseschwerpunkt des ersten Masseelements der doppelten Hebelarmlänge zwischen dem Masseschwerpunkt des dritten Masseelements und der Drehachse des Lagers.
Vorzugsweise ist das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät mittels eines Inertialla- gers gelagert. Das Inertiallager und das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät bilden ein Gravitationsfeldeigenschaftsmesssystem.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät in einer Vakuumkammer angeordnet.
Die Auswerteeinheit ist vorzugsweise ausgebildet zum automatischen Erfassen einer Auslenkung zumindest eines Masseelements und zum automatischen Berechnen einer Gravitationsfeldkrümmung und/oder einer Gravitationsfeldgradientenänderung aus der Auslenkung.
Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit ausgebildet ist zum automatischen (i) Erfassen von Positionen zumindest eines Masseelements, (ii) Erfassen der Drehauslenkungen von jeweils zumindest einer der Masseelemente und (iii) Berechnen einer räumlichen Gravitationsfeldgradientenänderung aus zumindest einen Auslenkung. Die Position wird beispielsweise per eines Satellitennavigation-Systems ermittelt und/oder mittels einer Eingabevorrichtung des Gravitationsfeldeigenschaftsmessgeräts eingegeben und so durch die Auswerteeinheit erfasst.
Erfindungsgemäß sind zudem Verfahren zum Detektieren von Objekten aus hochdichtem Material, zur Materialprüfung und zum Erfassen von unterirdischen Hohlräumen, bei denen ein erfindungsgemäßes Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät eingesetzt wird.
Erfindungsgemäß ist zudem ein Verfahren zur Navigation anhand von Gravitationskarten, bei dem mittels eines erfindungsgemäßen Gravitationsfeldeigenschaftsmessgeräts die Krümmung des Gravitationsfelds gemessen und mit einer Karte verglichen wird, auf der die Gravitationsfeldkrümmung eingetragen ist. In anderen Worten ist eine solche Karte die jeweilige Zuordnung einer Vielzahl von Positionen auf der Erdoberfläche zur Gravitationsfeldkrümmung. Eine derartige Navigation ist insbesondere für Unterwasserfahrzeuge, insbesondere U-Boote, vorteilhaft, da andere Navigationsmethoden dafür unverfügbar oder stark fehlerbehaftet sind.
Vorzugsweise ist das erste Masseelement 12.1 auf einer ersten Masseelement-Höhe Hi angeordnet, das zweite Masseelement 12.2 auf einer zweiten Masseelement- Höhe H2 und das dritte Masseelement 12.3 auf einer dritten Masseelement-Höhe H3. Vorzugsweise gilt H < Hs< Hi.
Das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät 10 besitzt einen Drehwinkeländerungs- messer 18, der vorzugsweise ein Interferometer 20 aufweist. Wenn vorhanden sendet das Interferometer 20 vorzugsweise einen Laserstrahl 22 eines Lasers 24 auf einen Retroreflektor 26, der relativ zum, insbesondere direkt am, zweiten Steg 14.2 befestigt ist. Dreht sich der zweite Steg 14.2 um die Drehachse Aw, ändert sich ein Interferenzmuster auf einem Detektor 28 des Interferometers 20. Eine vorzugsweise vorhandene Auswerteeinheit 30 erfasst diese Änderung und berechnet daraus eine Drehwinkeländerung eines Drehwinkels 0, um den die Masseelemente
12.1 ,12.2,12.3 um die Drehachse A gedreht wurden.
Mittels eines vorzugsweise vorhandene Rückstellmomenterzeugers 32, beispielsweise in Form einer Feder 34, werden die Masseelemente und eine Verbindungsstruktur 36, die aus den Stegen 14.1 ,14.2 gebildet ist, in eine Nullstellung vorgespannt. Der Drehwinkel 9 hängt linear von einem Drehmoment N ab, das durch die Wirkung einer Gravitationsfeldkrümmung hervorgerufen wird, sodass
0 - D\N\. mit der Torsionskonstante D gilt.
Der Rückstellmomenterzeuger 32 kann vorzugsweise einen Antrieb aufweisen, beispielsweise elektrostatischen Antrieb 38. Beispielsweise kann es sich beim Antrieb 38 um einen elektrostatischen Kammantrieb handeln. In diesem Fall steuert die Auswerteeinheit 30 den Antrieb vorzugsweise 38 so an, dass der Drehwinkel 0 einen konstanten Wert hat. Aus dem Ansteuerparameter, im Falle eines Kammantriebs aus der angelegten elektrischen Spannung zwischen den Elektroden, bestimmt die Auswerteeinheit gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Gravitationsfeldkrümmung.
Das erste Masseelement 12.1 hat eine erste Masse rm, das zweite Masseelement 12.2 hat eine zweite Masse m2, das dritte Masseelement 12.3 hat eine dritte Masse m3. Die Verbindungsstruktur 36 hat vorzugsweise eine Masse, die im Vergleich zu den Massen mi (i = 1 , 2, 3) hinreichend klein ist, sodass sich das Trägheitsmoment I des Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät 10 zu 3,5 • m • d2
Figure imgf000012_0001
ergibt. Darin ist d die Hebelarmlänge zwischen dem Masseschwerpunkt des dritten Masseelements 12.3 und der Drehachse A .
Die Masseelemente sind vorzugsweise so angeordnet, dass für das resultierende Drehmoment N
Figure imgf000012_0002
gilt, wobei NL das Drehmoment auf der linken und NR das Drehmoment auf der rechten Hebelseite bezeichnet. gt bezeichnet den Schwerewert, der am Masseelement 12. i wirkt.
Es sei ein konstanter Schweregradient (der Erde) y und eine lokale Störung 8g der Schwere bei g3 angenommen. Dann lassen sich die Schwerewerte ausdrücken als, g2 = 9i + Yd 03 = 9i + 2yd + 8g.
Vorzugsweise sind die Masseelemente so angeordnet, dass für die Torsionskonstante D
AN ANd26 D = — = -
0 s gilt mit dem aufzulösenden resultierenden Drehmoment AN und der Auflösung s des Drehwinkeländerungsmessers, wobei 0 den Drehwinkel angibt, der auch als Auslenkwinkel bezeichnet werden kann, s ist der Weg, den der Retroreflektor 26 aus der Nullstellung zurücklegt. Vorzugsweise sind die Masseelemente so angeordnet, dass für die Eigenfrequenz
Figure imgf000013_0001
gilt.
Vorzugsweise bilden das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät 10 und die Vakuumkammer 40 ein Gravitationsfeldeigenschaftsmesssystem 41. Günstig ist es, wenn das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät 10 mittels eines Inertiallagers 42 gelagert ist. Insbesondere umfasst das Inertiallager 42 eine kardanische Aufhängung. Das Inertiallager 42 weist vorzugsweise zudem rotierende Kreisel auf, die um die Achsen der kardanischen Aufhängung rotieren und so das Inertiallager 42 stabilisieren.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren, bei dem das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät verwendet wird, um Änderungen der Massezusammensetzung der näheren Umgebung, insbesondere in einem Umkreis von höchstens 20 m, insbesondere höchstens 10 m, vorzugsweise höchstens 5 m, zu erfassen. Vorzugsweise wird das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät in einem Verfahren eingesetzt, bei dem Objekte mit einer Dichte von zumindest 18 Gramm pro Kubikzentimeter, beispielsweise nukleares Material, zu detektieren.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
Figur 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Gravitationsfeldeigenschaftsmessgeräts in einem erfindungsgemäßen Gravitationsfeldeigenschaftsmesssystem.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät 10 mit einem ersten Masseelement 12.1 , einem zweiten Masseelement 12.2 und einem dritten Masseelement 12.3. Das erste Masseelement 12.1 ist mit dem zweiten Masseelement 12.2 mittels eines ersten Stegs 14.1 verbunden. Das dritte Masseelement 12.3 ist mittels eines zweiten Stegs 14.2 mit dem ersten Steg 14.1 verbunden. Günstig ist es, wenn eine Zweitsteglängsachse L2 des zweiten Stegs 14.2 eine Erststeglängsachse L1 des ersten Stegs 14.1 in einem Schnittpunkt schneidet, der auf halbem Weg zwischen einem ersten Masseschwerpunkt des ersten Masseelements 12.1 und einem zweiten Masseschwerpunkt des zweiten Masseelements 12.2 liegt.
Der zweite Steg 14.2 ist in einem Lager 16 gelagert. Bei dem Lager 16 handelt es sich beispielsweise um ein Festkörpergelenk oder ein Schneidenlager. Mittels des Lagers 16 ist der zweite Steg 14.2 um eine Drehachse A drehbar gelagert.
Figur 1 zeigt das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät 10 in seiner Nullstellung. In dieser ist das erste Masseelement 12.1 auf einer ersten Masseelement-Höhe Hi angeordnet, das zweite Masseelement 12.2 auf einer zweiten Masseelement-Höhe H2 und das dritte Masseelement 12.3 auf einer dritten Masseelement-Höhe H3. Es gilt H2< H3< HI .
Das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät 10 besitzt einen Drehwinkeländerungs- messer 18, der im vorliegenden Fall ein Interferometer 20 aufweist. Das Interferometer 20 sendet einen Laserstrahl 22 eines Lasers 24 auf einen Retroreflektor 26, der relativ zum, insbesondere direkt am, zweiten Steg 14.2 befestigt ist. Dreht sich der zweite Steg 14.2 um die Drehachse A , ändert sich ein Interferenzmuster auf einem Detektor 28 des Interferometers 20. Eine Auswerteeinheit 30 erfasst diese Änderung und berechnet daraus eine Drehwinkeländerung eines Drehwinkels 9, um den die Masseelemente 12.1 ,12.2,12.3 um die Drehachse A gedreht wurden.
Mittels eines Rückstellmomenterzeugers 32, beispielsweise in Form einer Feder 34, werden die Masseelemente und eine Verbindungsstruktur 36, die aus den Stegen 14.1 ,14.2 gebildet ist, in eine Nullstellung vorgespannt, die in Figur 1 gezeigt ist. Der Drehwinkel 0 hängt linear von einem Drehmoment N ab, das durch die Wirkung einer Gravitationsfeldkrümmung hervorgerufen wird. Es gilt
Figure imgf000014_0001
mit der Torsionskonstante D.
Der Rückstellmomenterzeuger 32 kann zudem einen Antrieb aufweisen, beispielsweise elektrostatischen Antrieb 38. Beispielsweise kann es sich beim Antrieb 38 um einen elektrostatischen Kammantrieb handeln. In diesem Fall steuert die Auswerteeinheit 30 den Antrieb 38 so an, dass der Drehwinkel 0 einen konstanten Wert hat. Aus dem Ansteuerparameter, im Falle eines Kammantriebs aus der angelegten elektrischen Spannung zwischen den Elektroden, bestimmt die Auswerteeinheit die Gravitationsfeldkrümmung.
Das erste Masseelement 12.1 hat eine erste Masse rm, das zweite Masseelement 12.2 hat eine zweite Masse m2, das dritte Masseelement 12.3 hat eine dritte Masse m3. Die Verbindungsstruktur 36 hat eine Masse, die im Vergleich zu den Massen m;
(i = 1 , 2, 3) hinreichend klein ist, sodass sich das Trägheitsmoment I des Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät 10 zu
Figure imgf000015_0001
ergibt. Darin ist d die Hebelarmlänge zwischen dem Masseschwerpunkt des dritten Masseelements 12.3 und der Drehachse A .
Für das resultierende Drehmoment N findet man
Figure imgf000015_0002
wobei NL das Drehmoment auf der linken und NR das Drehmoment auf der rechten Hebelseite bezeichnet. gt bezeichnet den Schwerewert, der am Masseelement 12. i wirkt.
Es sei ein konstanter Schweregradient (der Erde) y und eine lokale Störung 8g der Schwere bei g3 angenommen. Dann lassen sich die Schwerewerte ausdrücken als, #2 = 51 + /^
(4) 93 = di + 2yd + 8g.
Als Beispiel seien ferner 8g = 1 ■ 10-11 m s-2, m = 1,42 ■ 10-3 kg angenommen, dann folgt mit (3) und (4) f = 0,1 E und A = 3,6 • 10-16. Darin ist E = 1 nm/(s2m).
Für die Torsionskonstante D folgt aus dem aufzulösenden resultierenden Drehmoment A und der Auflösung s des Drehwinkeländerungsmessers 18
Figure imgf000016_0001
wobei 0 den Drehwinkel angibt, der auch als Auslenkwinkel bezeichnet werden kann. s ist der Weg, den der Retroreflektor 26 aus der Nullstellung zurücklegt.
Figure imgf000016_0002
Mit obig aen Beispiel-Werten erhält man D = = 1,8 • 10 210-11 rad -5 Nm rad-1, wobei s = 1 pm angenommen wurde. Schließlich folgt für die Eigenfrequenz
Figure imgf000016_0003
bzw. mit den entsprechenden Werten f0 = 0,34 Hz.
Es ist noch der nötige Gütefaktor zu ermitteln, um eine spektrale Dichte von TNEAA = 0.1 E Hz-1/2 zu erzielen (TNEAA: thermal noise equivalent angular acceleration). Dazu werden T = 293 K und kb = 1.38 • 10-23 J K-1 in
Figure imgf000016_0004
gesetzt und es wird der Gütefaktor Q = 278210 (thermisches Rauschen der Massen) erhalten.
Um einen solchen Gütefaktor zu erreichen, ist das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät 10 in einer Vakuumkammer 40 angeordnet. Darin herrscht ein Druck p4o von vorzugsweise p4o < 100 hPa. Günstig ist es, wenn p4o < 10’6 Pa, insbesondere P4o < 10’5 Pa, gilt.
Das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät 10 und die Vakuumkammer 40 bilden ein Gravitationsfeldeigenschaftsmesssystem 41. Günstig ist es, wenn das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät 10 mittels eines Inertiallagers 42 gelagert ist. Insbesondere umfasst das Inertiallager 42 eine kardanische Aufhängung 44, die angedeutet eingezeichnet ist. Das Inertiallager 42 weist vorzugsweise zudem rotierende Kreisel auf, die um die Achsen der kardanischen Aufhängung rotieren und so das Inertiallager 42 stabilisieren. Das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät 10 kann verwendet werden, um Änderungen der Massezusammensetzung der näheren Umgebung zu erfassen. Wegen der geringen Messunsicherheit kann ein derartiges Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät 10 verwendet werden, um Objekte mit hoher Dichte, beispielsweise nukleares Ma- terial, in einem Container zu detektieren.
Das Gravitationsfeld der Erde besitzt zudem eine Gravitationsfeldkrümmung, die von der Position auf der Erdoberfläche abhängt. Anhand einer kartierten Gravitationsfeldkrümmung kann damit bei ungefährer Kenntnis der Position des Gravitationsfeld- eigenschaftsmessgeräts 10 auf dessen genaue Position auf der Erdoberfläche geschlossen werden.
Bezugszeichenliste
10 Gravitationsfeldeigenschaftsf0 Eigenfrequenz messgerät 8g lokale Störung der Schwere
12 Masseelement gt Schwerewert, der am Masseele¬
14 Steg ment 12. i wirkt
16 Lager H Masseelement-Höhe
18 Drehwinkeländerungsmesser i Laufindex i = 1 , 2, 3 (Masseelemente)
20 Interferometer I Trägheitsmoment
22 Laserstrahl kb Boltzmann-Konstante
24 Laser L1 Erststeglängsachse
26 Retroreflektor L2 Zweitsteglängsachse
28 Detektor m Masse
N Drehmoment
30 Auswerteeinheit P4o Druck in der Vakuumkammer
32 Rückstellmomenterzeuger Q Gütefaktor
34 Feder s Weg des Retroreflektors 26 aus
36 Verbindungstruktur der Nullstellung
38 Antrieb TNEAA thermal noise equivalent angular acceleration (äquivalen¬
40 Vakuumkammer tes thermisches Rauschen der
41 GravitationsfeldeigenschaftsWinkelbeschleunigung) messsystem V Vertikale
42 Inertiallager
44 kardanische Aufhängung
Y konstanter Schweregradient
(der Erde)
9 Drehwinkel
Ü)0 o)0 = 2nf0
Al6 Drehachse des Lagers 16 d Hebelarmlänge
D Torsionskonstante
E Eötvös (= nm/(s2m))

Claims

Patentansprüche
1 . Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät (10) zum Messen einer Gravitationsfeldgradientenänderung, mit
(a) einem ersten Masseelement (12.1 ), das eine erste Masse (mi) hat,
(b) einem zweiten Masseelement (12.2), das eine zweite Masse (m2) hat und mit dem ersten Masseelement (12.1 ) starr verbunden ist,
(c) einem Lager (16), um das das erste Masseelement (12.1 ) und das zweite Masseelement (12.2) gemeinsam drehbar gelagert sind, gekennzeichnet durch
(d) ein drittes Masseelement (12.3),
(e) wobei die Masseelemente (12.1 , 12.2, 12.3) so angeordnet sind, dass die Masseelemente (12.1 , 12.2, 12.3) in eine Nullstellung bringbar sind, in der
(i) eine erste Masseelement-Höhe (Hi), auf der das erste
Masseelement (12.1 ) angeordnet ist, größer ist als eine zweite Masseelement-Höhe (H2), auf der das zweite Masseelement (12.2) angeordnet ist, und
(ii) eine dritte Masseelement-Höhe (H3), auf der das dritte Masseelement (12.3) angeordnet ist, das zwischen der ersten Masseelement- Höhe (Hi) und der zweiten Masseelement-Höhe (H2) liegt.
Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das drittes Masseelement (12.3) mit dem ersten Masseelement (12.1 ) und/oder dem zweiten Masseelement (12.2), insbesondere starr, verbunden ist, Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Drehwinkeländerungsmesser (18) zum Messen einer Drehauslenkung zumindest einer der Masseelemente (12.1 , 12.2, 12.3) aus der Nullstellung um die Drehachse (Aw), um die die Masseelemente (12.1 , 12.2, 12.3) mittels des Lagers (16) drehbar gelagert sind. Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Rückstellmomenterzeuger (32), der einer Auslenkung der Masseelemente (12) aus der Nullstellung entgegenwirkt. Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Mikrosystem ausgebildet ist. Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Gütefaktor von mindestens 270 000 aufweist.
7. Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
(a) die Masseelemente (12.1 , 12.2, 12.3) und/oder eine Verbindungsstruktur (36), die die Masseelemente (12.1 , 12.2, 12.3) miteinander verbindet, und/oder das Lager (16) aus nicht magnetisierbarem Material aufgebaut sind und/oder
(b) die erste Masse (mi) der zweiten Masse (m2) entspricht und/oder die dritte Masse (m3) der ersten Masse (rm) entspricht oder dass
(c) die dritte Masse (m3) das Doppelte der ersten Masse (mi) beträgt und eine Hebelarm länge (d) zwischen dem Masseschwerpunkt des dritten Masseelements (12.3) und der Drehachse (Aw) des Lagers (16) doppelt so lang ist wie ein Abstand zwischen der Drehachse (Aw) und einem gemeinsamen Masseschwerpunkt eines Systems aus dem ersten Masseelement (12.1 ) und zweitem Masseelement (12.2).
8. Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
(a) das erste Massenelement (12.1 ) und die zweite Massenelement (12.2) eines ersten Stegs (14.1 ) verbunden sind und
(b) das dritte Masseelement (12.3) mittels eines zweiten Stegs (1 .2) mit dem ersten Steg (14.1 ) verbunden ist,
(c) wobei der zweite Steg (14.2) drehbar am Lager (16) gelagert ist.
9. Gravitationsfeldeigenschaftsmesssystem (41 ) mit
(a) einem Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche und
(b) einem Inertiallager (42), mittels dem das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät gelagert ist.
Gravitationsfeldeigenschaftsmesssystem (41 ) nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Vakuumkammer (40), in der das Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät (10) angeordnet ist. Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit (30), die ausgebildet ist zum automatischen
(i) Erfassen von Positionen zumindest eines Masseelements (12.1 , 12.2, 12.3)
(ii) Erfassen der Drehauslenkungen von jeweils zumindest einer der Masseelemente und
(iii) Berechnen einer räumlichen Gravitationsfeldgradientenänderung aus zumindest einen Auslenkung. Gravitationsfeldeigenschaftsmessgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (30) ausgebildet ist zum automatischen
(iv) Berechnen eines Gravitationsfeldgradienten aus den Gravitationsfeldgradientenänderungen und den zugehörigen Positionen. Verfahren zum Messen einer Gravitationsfeldeigenschaft mit den Schritten:
(a) automatisches Messen einer Auslenkung zumindest eines Masseelements (12.1 , 12.2, 12.3) eines Gravitationsfeldeigenschaftsmessgeräts (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche und
(b) automatisches Berechnen einer räumlichen Gravitationsfeldgradientenänderung aus der Auslenkung.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DD269456A1 (de) 1988-02-24 1989-06-28 Akad Wissenschaften Ddr Schweregradiometer zur bestimmung aller komponenten des schweregradienttensors
US20080115377A1 (en) 2006-11-20 2008-05-22 Technological Resources Pty -Limited Gravity Gradiometer
DE102014009003A1 (de) 2014-06-12 2015-12-17 Jens Hansen Vorrichtung zur parallelen Erfassung von Bewegungs- und Gravitationsbeschleunigung

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DD269456A1 (de) 1988-02-24 1989-06-28 Akad Wissenschaften Ddr Schweregradiometer zur bestimmung aller komponenten des schweregradienttensors
US20080115377A1 (en) 2006-11-20 2008-05-22 Technological Resources Pty -Limited Gravity Gradiometer
DE102014009003A1 (de) 2014-06-12 2015-12-17 Jens Hansen Vorrichtung zur parallelen Erfassung von Bewegungs- und Gravitationsbeschleunigung

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TOBAR M E ET AL: "SENSITIVITY ANALYSIS OF A RESONANT-MASS GRAVITATIONAL WAVE ANTENNA WITH A PARAMETRIC TRANSDUCER", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, 2 HUNTINGTON QUADRANGLE, MELVILLE, NY 11747, vol. 66, no. 4, 1 April 1995 (1995-04-01), pages 2751 - 2759, XP000501062, ISSN: 0034-6748, DOI: 10.1063/1.1146503 *
WINTERFLOOD J ET AL: "POSITION CONTROL SYSTEM FOR SUSPENDED MASSES IN LASER INTERFEROMETER GRAVITATIONAL WAVE DETECTORS", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, 2 HUNTINGTON QUADRANGLE, MELVILLE, NY 11747, vol. 66, no. 4, 1 April 1995 (1995-04-01), pages 2763 - 2776, XP000501064, ISSN: 0034-6748, DOI: 10.1063/1.1145623 *

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