STUDIO DI FATTIBILITA’ DI UN GRADIOMETRO GRAVITAZIONALE DIFFERENZIALE

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Con questo lavoro di tesi si vuole studiare la realizzazione di un gradiometrogravitazionale sensibile alla componente diagonale zz del tensoregradiente di gravitá.La misura del gradiente di gravitá permette di individuare depositi rocciosicon diversa densitá rispetto alle rocce circostanti, o individuare un vuoto,per esempio un giacimento di gas o cavitá sotterranee, di quantificare l’effet-to sul campo gravitazionale terrestre dovuto alla presenza di catene montuoseo, ancora, di monitorare la risalita del magma lungo i condotti vulcanici.A differenza dei gradiometri gravitazionali presenti in commercio, il nostrostrumento sará caratterizzato da peso e dimensioni ridotte, per rendernefacile il trasporto, e l’obiettivo sarµa di raggiungere risoluzioni migliori di 10Eö su un tempo di acquisizione di 1 secondo. Il gradiometroprogettato consiste in due accelerometri verticali identici, posti verticalmentel’uno sull’altro ad una distanza fissa di 15 cm.Il segnale utile per la misura del gradiente di gravitá viene estratto comedifferenza dei segnali in uscita da ciascun accelerometro tramite un sistemadi lettura interferometrico a microonde.Il singolo accelerometro é costruito a partire da una lastra di materialemonocristallino, nella quale, con una fresa ad ultrasuoni, é scavata una levamobile. L’uso di un blocco unico per la costruzione della leva mobile, senzagiunzioni e incollaggi, garantisce la massima stabilitá della struttura nel tem-po ed alti fattori di qualitá Q meccanici. Questa struttura mobile funzionacome pendolo di torsione: applicando una forza Fz alla massa di prova del-l’accelerometro viene prodotta una torsione del pendolo, il quale si flettesotto la forza peso. La massa di prova, dell’accelerometro é, nel nostro caso,un disco di zaffiro e ciascun risuonatore é formato dal disco applicato allaleva mobile e da un disco identico fissato alla struttura portante. La torsionedel pendolo cambia la distanza tra i dischi, che, per valori standard di g ab-biamo preso essere di 0.1 mm. Il sensore, cosístrutturato, é una cavitá cherisuona nei modi Whispering Gallery (WG) del campo elettromagnetico, lacui frequenza di risonanza dipende dalla distanza tra i due dischi. Tali modisono generati dalla riflessione totale del campo elettromagnetico sulla superficie esterna del disco dielettrico.L’effcienza di un trasduttore posizione-frequenza dipende dal prodotto del fattore di qualitá Q per la variazione della frequenza di risonanza al variare della posizionerelativa dei due dischi. Quest’ultimo termine é detto coefficiente di accord-abilitá e determina la sensibilitá allo spostamento del trasduttore stesso, imodi Whispering Gallery hanno il vantaggio di presentare sia alti Q che alticoefficienti di accordabilitá.Le prove sperimentali eseguite hanno permesso lo studio dei modi W.G. e delle frequenze di risonanza del trasduttore, in base alle quali é statoscelto il modo a cui lavorare, caratterizzato da un valore di Q di circa 54000ed un valore del coefficiente di accordabilitá di circa 6000 MHz/mm, in accordo con i dati teorici.Il segnale utile per la misura del gradiente di gravitá viene estratto dallamisura diretta della differenza di posizione delle masse di prova dei due tras-duttori, tramite un sistema di lettura interferometrico a microonde, con cuil’accelerazione differenziale viene rivelata misurando la differenza delle fre-quenza di risonanza dei due accelerometri.Il sistema di lettura interferometrico permette di ridurre l’effetto del rumoredi fase della sorgente a microonde sulla misura, il quale, spesso, limita la sen-sibilitá dello strumento. Uno dei due risuonatori viene usato due volte: primain un circuito oscillatore, per generare un segnale a microonde la cui frequen-za dipende dalla frequenza di risonanza del risuonatore stesso, poi in unodei due rami del circuito interferometrico. La potenza trasmessa su ciascunramo viene ricombinata e questo segnale viene misurato in maniera coerentetramite il mixer, pilotato dal circuito oscillatore. L’uscita del mixer é unsegnale che, una volta fissato il punto di lavoro opportuno, é proporzionalealla differenza di fase dei segnali riflessi dai due trasduttori, dalla quale sipuó risalire alla differenza di posizione dei dischi dei risuonatori.