超导重力仪工作原理.pdf

超导重力仪 工作原理 台站式超导重力仪（OSG ），电子设备和4K制冷系统 为什么命名为SG ？ 一个球形的超导体，悬浮在磁场中，磁力正好精确地平衡重力。零电阻的超导性 能，允许产生磁场的电流可以稳恒流动，只要保持在临界温度以下，就永远没有 电阻带来的损耗。这就解释了传感器极强的稳定性，以及这个名字- 超导重力仪 （SG ）。 超导重力仪的工作原理 在其他的相对重力仪和地震仪中，用于 测试的感应体是由弹簧悬挂连接到仪器 的本体上。重力的变化或地面的运动， 将推动测试的感应体，而这种移动所产 生的电压变为输出信号（速度或加速 度）。即使在一个管理良好的热环境中， 弹簧悬挂的机械方面的因素，也会给带 来不稳定漂移，而且在数据处理中难以 去除。SG采用磁悬浮测试感应体，从根 本上解决了机械弹簧重力仪的漂移问题。 图中（对页右上角）显示的是GSU系统 结构的三大部分：超导悬浮测试体 （球），磁场线圈，和磁屏蔽。GS 的位 移传感器由一个包围着超导球体的电容 桥组成，密封在磁场线圈内部的一个单 独的氦气压力腔内。 OSG的杜瓦，隔振架和coldhead低温制冷机 磁场是由两个铌丝线圈（超导温度低于9.2K ）产生，完全稳定和持久的超导电流提 供一个非常稳定的磁场。稳定取决于超导体的零电阻特性- 电流被“困”后就没有 电阻损耗（欧姆）来导致它的衰减。测试的质量是一个小2.5厘米直径的铌球，重约 5克。线圈轴向对齐; 一个线圈略低于中心，另一个在约2.5厘米以下的位置。当电流 被困在线圈中，球体的表面上也相应产生诱发电流。与线圈电流相同，球面上的感 应电流也非常稳定，没有任何欧姆损耗。 悬浮力来自于超导球表面的诱发 电流和线圈磁场之间的相互作用。 下图显示了超导球体，线圈，电 容电桥，和超导球表面的感应磁 通线的示意。 通过调节线圈中的电流，可精确 地平衡位于位移传感器中心的球 体的重力。对上部和下部线圈的 电流的比例进行调整，可以使磁 力梯度（等同于弹簧常数）非常 微弱。因此，重力（加速度）的 非常小的变化，会引起测试质量 大的移动。这样，超导重力仪实 现了非常高的灵敏度。 由于悬浮是磁性的，地球磁场的 重力感应装置（GSU ）的剖面图 变化会降低其稳定性。超导屏蔽 的使用排除了地球的磁场进入传 •为了保持超导状态，SG传感器的工作温度为4开 感器所在的空间。 氏度，在高效真空绝缘杜瓦内的液态氦里。 •OSG使用一个4K 的制冷系统，只需1.3千瓦的能耗。 4K 的coldhead将杜瓦颈部的氦气在液化，使其回 流到杜瓦的液态氦里。 •杜瓦-Coldhead作为一个“封闭的循 环体系”运作，可以无限期地工作， 而不需要作补充。无液氦需要！ iGrav™杜瓦的新进展，可几天之内从 室温降到工作温度！ •在低温下，所有材料都极其稳定。传 感器温度可保持稳定，变化不超过几 个micro-Kelvin。因此，完全消除了对 材料的“蠕变”，以及当地的温度和 湿度变化的敏感性。 Conceptual drawing of flux l