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Production sequence of Si-spheres and interferometrical determination of the sphere volume

Neu entwickeltes Gravimeter für höchste Auflösungen

01.12.2015

Ziel des vom Wissenschaftlichen Gerätebau der PTB geleiteten DFG Kooperationsprojektes „High-resolution 1-dimensional Superconducting Gravimeter“ (HR-1D-SG), an dem auch zwei Institute der Friedrich-Schiller Universität in Jena beteiligt sind, ist die Erhöhung der Auflösung bei der lokalen Messung der Erdbeschleunigungsvariation. Angestrebt wird eine Auflösung im Bereich von 10-14 des Erdschwerefelds, womit ein Nachweis und die Bestimmung der sogenannten und bisher nur theoretisch berechneten Slichter-Moden möglich wären. Zudem soll das neu entwickelte Gravimeter eine hohe Langzeitstabilität aufweisen, um auch lange Perioden (d.h. länger als 1 Jahr) sicher messen zu können.

Diese Anforderungen bedingen eine grundsätzlich neue Herangehensweise an den Aufbau und die Konstruktion des Beschleunigungssensors. Um auch kleinste Bewegungen einer Testmasse sicher detektieren zu können, sollen in diesem Projekt anstatt der in kommerziell erhältlichen supraleitenden Gravimetern verwendeten kapazitiven Sensorik, hochempfindliche SQUIDs zum Einsatz kommen. Parallel dazu wird das geophysikalische Modell am Ort der Messung durch das Institut für Geowissenschaften (IGW) Jena weiter optimiert.

Die Entwicklung des Messkonzeptes und die Realisierung des Messaufbaus sowie der mechanische Aufbau des Instrumentes sind Aufgaben des Wissenschaftlichen Gerätebaus der PTB. Neben der Integration der SQUID-Sensoren, muss eine Testmasse, welche dem Erdschwerefeld ausgesetzt ist, zuverlässig und vor allem persistent zum Schweben gebracht werden.

Diese Levitation wird durch ein Magnetfeld erreicht, das durch eine geeignete, supraleitende Spulenanordnung erzeugt wird. Um die dafür benötigten Ströme möglichst gering zu halten, wurde die Testmasse klein und besonders leicht konstruiert. Dementsprechend wird eine Metalllegierung mit geringer Dichte verwendet und erst anschließend vollflächig mit Niob beschichtet (Schichtdicke größer 2 λL). Darüber hinaus erfolgt eine genaue Zentrierung der Testmasse durch eine weitere Spulenanordnung.

Zur Erreichung der geforderten Auflösung, müssen alle Bauteile des Beschleunigungssensors und hierbei insbesondere die Testmasse hochgenau gefertigt werden. Die Maß- und Rundlauftoleranzen liegen hierbei im Bereich weniger Mikrometer bei Bauteildimensionen von bis zu 40 mm. Gleichzeitig ist eine präzise Fertigungsmethode zum Wickeln des nur 100 µm dicken Niob-Drahtes der Levitationsspulen und der Pick-Up-Spulen für die Sensorik entwickelt worden. Abbildung 1 zeigt die beiden Spulen, eingepasst in die jeweiligen Bauteile.

Neben der Fertigung werden derzeit die ersten Funktionsversuche in der PTB durchgeführt. Die SQUID Sensorik wird anschließend durch das Leibniz-Institut für Photonische Technologien (IPHT) in Jena in den funktionsfähigen Aufbau integriert und darauf abgestimmt. Die eigentlichen Messungen der Erdbeschleunigung erfolgen anschließend im Geoobservatorium in Moxa bei Jena. Hierbei sind auch langfristige Messungen geplant, die über die eigentliche Projektlaufzeit hinausgehen.


Abb. 1 Levitationsspule eingesetzt in eingefräste Bahnen auf einer Kegeloberfläche (links) und Pick-Up-Spulen für die Sensorik (rechts), Bauteildurchmesser etwa 26 mm.

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