[科普中国]-绝对重力仪

基本概念

绝对重力仪是国际上研制用来直接测量重力加速度值的主要精密计量仪器，精确的重力值g对大地测量、地球物理和精密计量具有十分重要的意义。高精度绝对重力仪是直接获得全球不同位置精确重力值的重要工具。目前国际上主要研制的绝对重力仪分为两类，一类是经典绝对重力仪、另一类是原子干涉绝对重力仪。这两类绝对重力仪利用当代先进的电子技术、激光技术和原子干涉技术使绝对重力值测量水平提高到新的高度1。

研究现状绝对重力仪是探测地球重力场信息的重要手段，是人类社会认识地球不可缺少一个方面。它在国家重力基准点建立、地震与海平面监测、大地水准面的精确测定、地壳垂直形变以及国防建设等方面将发挥越来越多的作用。绝对重力仪是国际上从七十年代开始研究的一种集光、电、计算机、真空技术于一体化的精密仪器，只有美国等少数国家能制造。在地球物理环境、地震、石油勘探、测量等领域有广泛应用，我国只有一台实验样机，市场上没有产品。 该产品综合使用了激光、真空、自动控制、精密机械、电子和计算机等先进技术。美国、德国等少数国家的绝对重力仪为自由下落式。国内正在研制的绝对重力仪大部分是上抛式的，具有更高的精度和综合性能。

中国计量院获得2017年全球绝对重力仪关键比对主办权。在法国巴黎国际计量局（BIPM）召开的第14届国际计量委员会质量及相关量咨询委员会（CIPM-CCM）会议上，中国计量科学研究院（NIM），以下简称“中国计量院”昌平院区被正式批准为2017年全球绝对重力仪关键比对（ICAG-2017）主办地，中国计量院为ICAG-2017主导实验室。这是该重要国际关键比对自开始组织的30多年以来，首次移出欧洲举办。

全球绝对重力仪关键比对（ICAG）是由国际计量委员会（CIPM）和国际大地测量协会（IAG）共同组织，每4年举办1届，至今已举办了8届，其中从1981年至2009年都在BIPM举办。2010年，BIPM宣布，将ICAG活动交由各个签署《国家计量基标准和国家计量院颁发的校准和测量证书互认协议》（CIPM-MRA）的米制公约成员国申办。2010年12月，中国计量院向CIPM递交了主办ICAG-2017的申请。2012年9月，中国计量院以“压倒性多数”的投票结果，赢得了与俄罗斯计量局（VNIIM）、法国国家计量研究院（LNE）的竞争，被推荐为ICAG-2017主办地。

中国计量院获得ICAG-2017主办权，是国际社会对我国相关工作的认可，将增强我国在国际相关科学领域的影响力和话语权，同时也将促进我国在国家层面建立“国家重力计量基标准体系”，确保国内重力测量量值的准确、可靠、有效及与国际量值的一致性，以达到国际互认，更好地服务于国民经济及国防建设。

经典绝对重力仪测量原理经典绝对重力仪的测量原理是在高真空条件下测量物体在竖直方向自由运动所经历的时间和距离，根据牛顿第二定律计算重力值g。物体所做的自由运动又细分为上抛运动和自由下落运动。绝对重力测量就是利用物体一次“上抛”或“下落”，测量多点位的运动时间和距离，通过牛顿第二定律，用最小二乘法拟合出物体所受到的重力值g，“上抛法”由于其属于对称运动，可以抵消一部分外界因素产生的误差；但是“上抛法”的结构复杂，目前国际上只有意大利和波兰的仪器采用“上抛”法。与“上抛法”相比，“自由下落法”实现方法简单，现在大多数国家均采用“自由下落法”。

测量方法经典绝对重力仪所采用的主要技术是：用铷(或铯)原子频标作为测量时间的标准，用高稳定度的激光作为测量长度的标准，用高分辨率的时间间隔测量仪测量微小时间段，用长周期弹簧悬挂参考棱镜来隔离地面震动，采用落体在高真空中多次下落测量多点位法得到精确的重力值。

绝对重力仪的测长系统由迈克尔逊干涉仪和氦氖激光器组成。干涉仪的两个棱镜一个装在落体内、另一个作为参照点固定在干涉仪上。落体的下落运动会造成两棱镜之间的光程变化，每移动半波长距离，干涉条纹将出现一个明暗交替变化，由此记录干涉条纹数便可以实现精确的长度测量。在测量时先预设固定的条纹数，当记录干涉条纹数的计数器值达到预设的条纹数时，用高分辨率的时间间隔测量仪测量出所对应的微小时间段，这样就得到多组时间和距离的参数，最后通过最小二乘法拟合得到所需要的重力值。

凸轮式绝对重力仪在经典绝对重力仪中，新出现的凸轮式绝对重力仪由于其巧妙的机械设计而引起国际上的普遍关注。凸轮式绝对重力仪的关键技术之一就是凸轮轮廓线的设计，所设计凸轮的长半径不足9cm，用直流电机恒速带动凸轮转动，凸轮边沿带动一个小拖车做上下运动。当凸轮运行到最高位置时，凸轮会带动拖车快速向下运动，此时，拖车中的落体与拖车分离而自由下落；当拖车减速时接住落体，此后拖车带动落体再运行到最高位置，由此周而复始。凸轮每转动一周，落体自由下落约3.4cm，用其中的2cm进行下落时间和距离的测量，经过多次转动和多点位测量，最后拟合出重力值g。为了使凸轮转动过程平稳，整个装置还使用另一套相同的凸轮和拖车与之一同转动，达到动平衡，这样不论凸轮转动到任何位置，质心都始终在转轴上。另外，为了减少地面震动对测量的影响，凸轮式绝对重力仪还设计了一套简单且能快速建立的弹簧一质量块隔震系统。图1是凸轮式绝对重力仪器的照片。

图1

原子干涉绝对重力仪1997年美国加州斯坦福大学的朱棣文教授凭借其在激光冷却和陷俘原子领域内的突出成就获得了诺贝尔物理学奖。1999年朱棣文教授所领导的小组又成功的利用原子干涉技术实现了原子绝对重力测量的实验，实验结果表明：原子干涉绝对重力仪在一分钟内可使测量的相对不确定度达到 ，测量时间比经典绝对重力仪要缩短100倍以上，且最好测量的相对不确定度可达 。

原子干涉绝对重力仪的原理是这样的：首先利用激光冷却原子。我们知道光可以看成一束粒子流，这种粒子流叫作光子。光子可认为没有质量，但具有一定的动能，其动能的大小由光的频率所决定。当激光打向原子时，光子和原子发生碰撞，（如果光子的能量满足原子跃迁的条件）原子将吸收光子而产生跃迁，原子运动的速度会减慢，在原子跃迁的同时会释放同样的光子。这样通过光子与原子的不断交换能量，可使原子运动的速度大大降低，从而形成极低温条件（μK量级）。这时用两两相对，沿三个正交方向的六束激光把原子引到激光的交汇处。这六束激光会使原子不管企图向何方运动，都会遇上具有恰当能量的光子，并被推回到六束激光交汇的区域，这样原子会被陷人其中并不断降低速度，形成“光学粘胶”。由于重力的作用，这些原子会在1秒钟内从光学粘胶中落下来。为了真正囚禁原子，就需要建立“磁光阱”。磁光阱由上述排列的六束激光，再加上两个磁性线圈构成。磁光阱中的磁场会对原子的特征能级起作用，就会产生一个比重力大的力，从而把原子拉回到陷阱中心，这时原子会被激光和磁场约束在一个很小的范围里。这时再把高度冷却的原子向上抛出，让原子在无磁条件下与重力场相互作用。用相隔一定时间的多束拉曼脉冲对原子进行态制备，从而形成原子干涉。通过对量子态布居的测量，就可以得到重力参数的g值，整个原子干涉绝对重力仪的示意图如图2。

原子干涉绝对重力仪实现了从激光干涉技术向原子干涉技术的转变，它被认为是今后绝对重力仪发展的另一个方向2。

图2