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“高精度超导重力仪的研制”通过验收 技术达到国际先进水平
dublicredits.com  2021-06-16 15:19  暣鍚

人们把处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失被称作零电阻效应。导体没有了电阻电流流经超导体时就不发生热损耗电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流从而产生超 强磁场。

日前国家自然科学基金重大科研仪器研制项目“高精度超导重力仪的研制”通过结题验收。该项目团队提出了基于脉冲超导开关技术的微弱超导磁力梯度精密调节与控制方法实现了亚纳米级超导体微位移测量与控制, dublicredits.com突破了极低温下高精度本体温度和倾斜控制等技术瓶颈完成了具有自主知识产权的高精度超导重力仪样机研制技术指标达到国际先进水平。

超导重力仪是利用超导电原理和技术以测量相对重力变化的新型仪器。它利用超导体在超导转变之后的无限导电性和完全抗磁性建立超导磁悬浮系统以代替常规重力仪的弹簧支撑机构;用电容电桥或磁通探测器来检测因重力变化而引起的超导悬浮体的位置变化以达到重力测量的目的。

为了保证整个磁悬浮系统处于超导状态相应的部件均处于液氦温度下工作使超导重力仪具有噪声低、稳定性好漂移小和灵敏度高的特点较常规重力仪优越它可以用来进行精细的长周期的重力变化的观测在地球物理、地震、探矿等研究以及国防上都具有重要价值。

首先设法在超导线圈内产生一个永 久性的闭合电流。由于超导体的电阻为零这一电流非常稳定。然后在超导线圈所产生的一次磁场中放置一个同样由超导材料做成的小球。由于超导体的完全抗磁性磁场不能穿入小球内部。小球表面感应电流所产生的二次磁场与线圈永 久电流所产生的一次磁场互相排斥使小球浮起当小球受到的浮力与其重量互相平衡时小球则浮在线圈上方的一定高度。

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超导重力仪的总体结构包括超导磁悬浮系统、磁电屏蔽及其支承部分。

超导磁悬浮系统

同轴地安装两个薄圆形超导线圈以适当的比例分别给每个线圈激励起一个持续电流由它们产生的磁场叠加后形成一个有一定梯度的磁场以对一超导球提供悬浮力。

处在其轴中心上的是一个被悬浮着的超导球它是直径为25毫米的镀铅空心铝球质量为4.114g。在球的周围放置着球形电容极板分为上下各一块和前后左右四块电容极板。球和电容极板装在用铟丝密封的真空室内。为了使球的运动有适当的阻尼并保持与液氦池的热交换,在真空室内充有10-1-10-2托的氦气。

浮球磁场是由直径0.15mm铌线绕制的两个超导线圈产生的。下线圈是起磁支撑的主线圈上线圈是作磁场梯度调节用的副线圈。线圈内径为58mm高5mm800匝被固定在真空室的外壁上两线圈中心相距20-40mm。在上线圈外层绕有40匝超导线圈作为微调线圈以微小电流(毫安量级)对悬浮着的球的位置进行细调直到电容电桥的输出达到最小值。每一线圈都装有超导热开关当磁场调整到要求数值时超导线圈进入持续电流工作状态。

磁屏蔽

为了减小外界杂散磁场的影响在真空室的周围设有高导磁率的坡莫合金屏蔽筒和超导铅屏蔽筒。先由坡莫合金屏蔽筒屏蔽地磁场和其它杂散磁场造成一个弱场环境,然后再由超导铅屏蔽筒有效地屏蔽外界变化磁场为超导磁悬浮系统提供一个极其稳定的磁环境。

在双层坡莫合金屏蔽筒里放置了一个镀铅超导屏蔽筒筒底呈圆弧形筒外壁为高纯铅料电镀层并作了表面防氧化措施。这样的磁屏蔽系统在低温下当外部用人为磁场进行干扰时筒内的磁场稳定度优于10-5G达到饱和磁强计的检测极限值。

电屏蔽

由于重力变化引起球体的位移量非常之小例如相对重力变化为10-8时球的位移量仅仅是埃的数量极这相当于电容电桥中的电容量改变在10-6pF。对于如此微弱信号的检测除了要求有高灵敏度的仪器及将前置放大器放在离电容电桥尽可能近的地方外还必须尽量减下信号输出线对地及引线间的分布电容。有效的措施是将信号引出线从作为总体机械支承的德银管中引出。这样德银管的本身又兼作电屏蔽用使电桥的背景噪声大为降低检测灵敏度提高近8倍。

超导重力仪具有极宽的动态线性测量范围、极低的噪音水平、极小的漂移、极高的稳定性和灵敏性被认为是观测精度最高、稳定性和连续性最 好的地球重力信号观测仪器对重力场变化的灵敏度很高广泛应用于时变重力场研究。超导重力仪的发明及其在全 球范围内的长期连续观测为我们研究地球重力场的精细结构及其物理和力学机制开辟了广阔的前景。



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