Development and model-based test of a SQUID-based high-resolution superconducting gravimeter (HR-1D-SG)
Measurement Systems
Final Report Abstract
Das Forschungsprojekt stellt eine Kooperation der Friedrich-Schiller-Universität Jena (FSU), der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (IPHT) dar. Ziel war es, ein neues hochauflösendes supraleitendes Gravimeter zu entwickeln, zu bauen und zu testen. Die drei Projektpartner haben zu diesem Ziel folgende, zusammengefasste Ergebnisse beigetragen. Da für das neue Gravimeter eine deutlich höhere Messgenauigkeit angestrebt wurde, bestand die Aufgabe der FSU darin, die notwendigen hydrologischen und barometrischen Korrekturen so zu verbessern, dass die Vorteile des neuen Gravimeters auch wirklich genutzt werden können. Die Arbeiten konzentrierten sich in einem ersten Schritt auf die signifikante Verbesserung der lokalen hydrologisch-gravimetrischen Modellierungen. Dafür wurde die Modellierung des Nahbereichs um das SG CD034 neu entwickelt, wobei insbesondere die Situation auf dem Dach, unter dem Sockel, im benachbarten Hang, die nahen Gesteinsklüftungen sowie lang- und kurzzeitig wirkende Grundwasserspeicher berücksichtig. Neben den oberflächennahen Fließpfaden wurden insbesondere auch Starkregenereignisse sowie die Schneeauflast und die Schneeschmelze im Hydromodell erfasst und in ein gravimetrisches 3D Modell transferiert. Die damit erstellten Zeitreihen wurden als Korrekturen an die beobachteten Schweredaten angebracht und das Ergebnis mit globalen Kenntnissen (Hydromodellierung GLDAS und Satellitenbeobachtungen GRACE) verglichen. Diese Vergleiche bestätigen die erfolgreiche Verbesserung der hydrologisch-gravimetrischen Korrektur. Parallel dazu konnte die notwendige Luftdruckkorrektur unter Verwendung der 3D Modellierung der wirksamen Luftmassen (Programm ATMACS, BKG) in Verbindung mit einer detaillierteren lokalen Korrektur weiter entwickelt und signifikant verbessert werden. Obwohl das im Antrag angestrebte Ziel, das neue Gravimeter parallel zum vorhandenen SG zu betreiben nicht erreicht werden konnte, liefern die neuen hydrologischen und barometrischen Korrekturmöglichkeiten einen Meilenstein für die Korrektur von Umgebungsparameter-Effekten der SG-Beobachtungen im Observatorium Moxa. Die Projektarbeiten der PTB führten zu einer Reihe neuer experimenteller Ergebnissen. So wurde eine vakuumtaugliche Messlanze mit geringer Wärmeleitung im Einsatz von flüssigem Helium entwickelt. Dabei konnte die Fertigungstechnologie zur Herstellung von komplexen Präzisionstestmassen aus unterschiedlichen Materialien vorangetrieben werden. Die Beschichtungstechnik zur Abscheidung von Nb auf komplexen, 3D Körpern wurde weiterentwickelt. Die Fertigungstechnologie zur Herstellung von komplexen Präzisionsmassen aus dem hochduktilen und schlecht spanbaren Material Niob unter Verzahnung von Dreh- und Erodiermethoden mit integrierter Messtechnik wurde neu entwickelt. Ebenso konnten die Technologie zur Herstellung von Präzisionsspulenträgern mittels 5-achs Fräsbearbeitung und Additiver Fertigung sowie die Wickeltechnik zur Herstellung von supraleitenden Spulen für die Komponenten Levitations- und Pick-up-Spulen weiter und neu entwickelt werden. Ein Projektziel, der Nachweis zur grundsätzlichen Funktion der Einzelkomponenten (Positionssensorik, Kontaktierung, Temperaturmessung, Testmassen) im Tieftemperaturbereich konnte erfolgreich erbracht werden. Die Arbeiten des IPHT konzentrierten sich auf die Entwicklung eines an die auslesende Position der supraleitenden Testmasse angepasstes SQUID-Messsystem, welches höchste Stromauflösung mit geringer Drift bieten muss. Bei der verwendeten SQUID-Sensorfamilie sind alle wichtigen Bauelemente, wie Heizer, Modulationsspulen sowie Flusstransformator im Einkoppelkreis auf dem Chip integriert. In der SQUID-Verkapselung wurde ein Chip-Thermoschalter implementiert, der die Einkoppelspule zur Auslese des Gravimeters hochohmig schaltet. Die entwickelten SQUID-Stromsensoren erfüllen die gestellten Anforderungen und können für das neue Gravimeter verwendet werden. Das neue SQUID-System wurde in den Messaufbau implementiert, wobei noch eine Bleiabschirmung, eine Thermische Ankerung sowie eine Filterbox entwickelt werden musste. Eine umfassende Charakterisierung des SQUID-Instruments und des Signalaufnehmerkreises wurde vorgenommen. Dabei zeigt sich, dass die für das Projekt angestrebten Arbeiten sehr erfolgreich abgeschlossen werden konnten.
