Costruzione di un prototipo di gradiometro gravimetrico
Gli studi delle
strutture geologiche, in particolare le ricerche a fini petroliferi e minerari,
fanno ampio uso dei metodi di prospezione gravimetrica. Per ottenere risultati
significativi ed interpretare correttamente i dati, la strumentazione deve
raggiungere un livello di
sensibilit e di accuratezza assai elevato, dellordine del microGal (1Gal=1
cm/s2) ovvero 10-9 g. A questo livello di sensibilit divengono per importanti, e
spesso sovrastano il segnale utile rendendo assai delicata la procedura di
correzione, effetti spuri, non connessi alle distribuzioni di massa nel
sottosuolo, dovuti ad irregolarit topografiche o ad artefatti antropici in
superficie o a fluttuazioni temporali della gravit di origine astronomica
(maree). A ci si aggiungono le derive strumentali, i cui effetti divengono
tanto pi rilevanti, quanto pi a lungo si protrae la presa dati. Per aggirare
queste difficolt stato sviluppata la metodologia gradiometrica, in cui il dato da elaborare una componente
del tensore gradiente di g, determinato come differenza tra i valori
di g misurati rispetto
ad una distanza di base fissa.
Lapparecchiatura proposta
consiste in due sensori accelerometrici identici,
posti verticalmente uno sullaltro ad una distanza fissa dellordine di 25 cm.
Il singolo sensore
mostrato in fig.1: in una barra di silicio cristallino di circa 6 mm di
spessore viene scavata con una fresa ad ultrasuoni una leva mobile, collegata
alla struttura fissa da due barrette sottili (0.6 0.7 mm di spessore) di
lunghezza circa 10 mm. Allestremit della leva, in posizione verticale, viene
fissato con un incollaggio di precisione un cilindro di quarzo fuso che
allaltro estremo incollato ad un disco di zaffiro. Questa parte mobile
funziona come pendolo di torsione. Con le misure e i materiali indicati, la
frequenza di risonanza meccanica risulta di circa 20 Hz.
Il pendolo di torsione si flette
sotto leffetto della forza peso, avvicinando il disco di zaffiro solidale con
esso con un identico disco solidale con la superficie inferiore. La distanza
tra i due dischi regolata in modo tale che essa, per valori standard di g, risulti dellordine di 100 m. Le
variazioni di g sono monitorate con altissima risoluzione misurando la
frequenza di risonanza (nella regione delle microonde intorno a 10.8 GHz) del
modo whispering gallery
del risonatore costituito dai due dischi di zaffiro affacciati. Il fattore di
trasferimento caratteristico f/x di tale struttura stato misurato 5
MHz/m, Gradienti dellordine
di 1 Etws (10-9 s-2) con due sensori posti a 20 cm di
distanza tra loro corrispondono dunque ad uno spostamento differenziale della posizione
dequilibrio dei due pendoli di dx =
1.25 10-14 m, equivalenti a circa 0.06 Hz.
La differenza di frequenza verr letta in
modo diretto, confrontando con un circuito interferometrico rivelatore di
fase la frequenza di
emissione di un oscillatore stabilizzato sulla risonanza di un risonatore (master) con la frequenza di risonanza del secondo
(server). In tal modo
garantita unefficiente reiezione di modo comune dei rumori esterni, purch si
garantisca al medesimo tempo un bilanciamento perfetto quanto meglio possibile
delle propriet meccaniche ed elettriche dei due sensori..
