[科普中国]-超导重力仪

工作原理

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。

总体结构超导重力仪的总体结构如图所示。它包括超导磁悬浮系统、磁电屏蔽及其支承部分。

超导磁悬浮系统如图所示，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5mm，800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。1

优点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。2

用途超导重力仪是为地球物理研究而设计的低温装置，它可用于研究重力作用、地壳运动研究、潮汐谱、地热蒸气、油田勘探等。

地表观测到的重力场包含地球自身的引力和地球旋转引起的惯性离心力除此以外还有日月和其它天体的引力和与其系统质心平动有关的惯性力。通常我们将后两个力的合力称为引潮力。研究表明，地球是一个十分复杂的近似分层椭球体，不同层面上的物质构成是不同的，有弹性、非弹性的、塑性的甚至是液态物质。在天体引潮力的作用下地球内部和外部形状时刻发生周期性变化，我们称这种现象为固体潮。固体潮的存在伴随各种各样的地球物理场变化（例如重力，倾斜和应变等），另外在引潮力的作用下，大气和海洋同样将发生周期性的变化。

由重力仪器观测到的重力场变化称为重力固体潮，研究表明利用重力固体潮观测可反演研究地球内部运动的各种规律和物质分布特征。通过两台超导重力仪同步对比观测，潮汐频段内的主波振幅观测精度达到10-10m·s-2量级。国际大地测量和地球物理联合会（IUGG）下属的地球深部研究小组（SEDI）倡导并组织实施全球地球动力学计划（GGP），利用全球19台超导重力仪长达6年（1997-07~2003~06）的长期、连续、稳定和同步观测资料
（采用相同的数据采集格式和分析软件）研究地球动力学问题。3