Изобретено в ОИЯИ

Шум океанского прибоя и наважденье лунных фаз

Казалось бы, какое отношение такие романтически-астрологические явления имеют к точному приборостроению? А прямое, как оказалось. Лазерная метрология - одно из самых перспективных направлений как в научных исследованиях, так и в инженерии. Компактность устройств и высокая относительная точность - вот основные критерии, благодаря которым лазерные метрологические инструменты стали использоваться для контроля за высокоточной сборкой крупномасштабных физических установок. В Объединенном институте ядерных исследований работы по созданию такого инструментария ведутся более двадцати лет. Здесь создана лазерная измерительная система, при помощи которой была успешно осуществлена высокоточная сборка 65 модулей адронного калориметра установки ATLAS на Большом адронном коллайдере. Лазерная реперная линия в этой системе позволяет осуществлять микронный контроль положения измеряемых объектов с геометрическими размерами более ста метров.

С 2008 года началось создание прецизионного лазерного инклинометра. Два года назад, также в новогоднем выпуске нашей газеты мы рассказывали, что профессором Ю.А.Будаговым и кандидатом физико-математических наук М.В.Ляблиным был получен патент на изобретение ОИЯИ и ЦЕРН "Устройство для измерения угла наклона". Директорами ОИЯИ и ЦЕРН В.А.Матвеевым и Ф.Джианотти подписано соглашение об изготовлении полупромышленного образца прибора, который планируется использовать в составе Большого адронного коллайдера для количественного решения вопроса о влиянии на светимость коллайдера. И сегодня авторы изобретения рассказывают о том, как развивается и будет развиваться это направление.

Идея носится в... жидкости

Идея создания прецизионного лазерного инклинометра основана на свойстве поверхности жидкости сохранять горизонтальность вне зависимости от наклона сосуда, в котором она находится. Другими словами, направление действия силы тяжести всегда перпендикулярно поверхности жидкости, а отраженный от такой поверхности луч лазера меняет свое направление при малейшем наклоне основы (в общем случае - Земли), на которой стоит сосуд. Измерив изменение направления луча, можно зарегистрировать угловое колебание поверхности Земли. Наш прибор получился высокоточным в силу использования тонкого, в несколько миллиметров, слоя жидкости, потому что при этом условии происходит высокоэффективное гашение шумовых волн на ее поверхности. В результате при помощи этого прибора нового поколения были впервые зарегистрированы угловые колебания поверхности Земли от микросейсмических явлений.

Пять прототипов совершенства

"Прецизионный" - означает обладающий высокой точностью или созданный с соблюдением высокой точности параметров. Соответственно, процесс создания такого устройства требует тщательной конструкторской проработки, проведения множества испытаний, нахождения оптимального соотношения технических возможностей и условий, в которых будет работать прибор. Созданию прецизионного лазерного инклинометра, ПЛИ, как его называют авторы, предшествовало пять прототипов, в которых исследовалось влияние факторов внешней среды на точность метода, а также разрабатывался эргономичный дизайн установки.

Первые измерения показали - чувствительность инклинометра в течение минуты составила порядка одной сотой микрорадиана, что оказалось более чем в сто раз лучше существовавших на тот период аналогов. Это позволило сразу заметить удаленные землетрясения и понять, насколько большим потенциалом использования в самых разных сферах науки, строительства и промышленности обладает метод регистрации угловых колебаний поверхности Земли.

Характер восприимчивый, ранимый

Вместе с тем выяснилось весьма заметное влияние на чувствительность прибора целого ряда факторов. Так, расположение оптических элементов инклинометра деформировалось от медленных температурных изменений окружающей среды. Состав воздушной среды влиял на прямолинейность распространения лазерного луча. Кроме того, лазерный луч испытывал угловые движения из-за неравномерности нагрева активной среды лазера, а взвешенная в воздухе пыль рассеивала лазерный луч, что влияло на точность его позиционирования. При субмикрорадианных точностях измерения необходимо было разработать высокоточные системы калибровки инклинометрических измерений. Все эти факторы были проанализированы и учтены при создании окончательного устройства, прототип которого появился в начале этого года.

Для долговременной стабилизации инклинометра нам был предоставлен тоннель ТТ1 с температурно стабильным скальным грунтом в ЦЕРН. Измерения показали, что температура скального грунта стабильна с точностью до сотых долей градуса за сутки, и это качество было использовано при долговременных высокоточных наблюдениях за угловым состоянием поверхности Земли.

Для нейтрализации тепловых изменений показателя преломления воздуха мы использовали форвакуум примерно в тысячную долю атмосферы. Это позволило не только убрать температурные колебания показателя преломления воздушной среды, но и взвешенную микроскопическую пыль, что, в конечном счете, нейтрализовало влияние внешней среды на показания инклинометра. Мы научились измерять шумовые угловые колебания лазерного луча и более чем на полтора порядка уменьшили их влияние на показание инклинометра. Использование высокоточного инновационного метода абсолютной интерферометрической калибровки позволило с процентной точностью калибровать ПЛИ.

Волнения Земли теперь не тайна

Таким образом, на данный момент мы получили новый прибор - угловой сейсмометр, который может измерять угловые колебания поверхности Земли за период от нескольких суток до долей секунды. Чувствительность прецизионного лазерного инклинометра составила тысячные доли микрорадиана, что позволило нам регистрировать микросейсмические события в новом угловом представлении данных. Сегодня мы регистрируем все удаленные землетрясения начиная с амплитуды 6 магнитуд, микросейсмические колебания, вызванные вибрацией океана и морей, деформацию поверхности Земли Луной и Солнцем с периодом 12 часов, индустриальные колебания почвы с периодами до доли секунды. Имея в распоряжении такой прибор, мы получили возможность эффективно мониторировать широкий спектр микросейсмических явлений в принципиально важном для геодезии угловом представлении данных.

Конечно, данные с прецизионного лазерного инклинометра о микросейсмическом состоянии земной поверхности являются новым источником информации, который обогатит наши представления о физике Земли. На основе такого ПЛИ можно построить сеть из нескольких приборов, которая позволит долговременно наблюдать за эволюцией ландшафта земной поверхности, выявлять зоны с повышенной сейсмической опасностью. Это позволит вплотную подойти к количественным предсказаниям землетрясений. В настоящее время планируется создание такой сети прецизионных лазерных инклинометров. И здесь хочется отметить содействие директора Лаборатории ядерных проблем В.А.Беднякова и заместителя директора В.В.Глаголева. На территории ОИЯИ было выделено помещение 150 кв. метров для создания современной метрологической лаборатории.

И коллайдерам хочется стабильности

Для современной физики крайне важным является как раз нейтрализация микросейсмических колебаний, которые действуют на физические установки как внешний ограничивающий точность измерений шум. Например, современные коллайдеры испытывают угловые деформации при прохождении поверхностных сейсмических волн, что влияет на положение фокусов пучков заряженных частиц в зоне столкновения. Если мы сможем уменьшить действие поверхностных сейсмических волн, то станет возможна фокусировка пучков частиц в меньшую область что, соответственно, увеличит количество сталкивающихся частиц в коллайдерном эксперименте. По сути, это означает начало эры сейсмостабильных, защищенных от угловых колебаний поверхности Земли, ускорителей-коллайдеров.

Использование для регистрации микросейсмических колебаний современных сейсмометров имеет свои ограничения. Эффективность регистрации, например, резко падает при регистрации длиннопериодических колебаний начиная с нескольких секунд. К тому же резонансные явления в конструкции приборов и регистрация сейсмических колебаний в единицах измерения "скорость" или "ускорение" накладывает серьезные ограничения на точность определения линейных смещений точки наблюдения.

Наш инклинометр измеряет угловые колебания, которые легко пересчитываются в линейные колебания поверхности. Зная скорость распространения поверхностных волн и расстояние между отдельными инклинометрами в сети ПЛИ, можно определить изменение во времени деформации поверхности Земли под коллайдерами. Используя такие данные колебаний поверхности Земли, можно создать сейсмоизолированную платформу, чтобы расположить на ней активные элементы коллайдера и таким образом нейтрализовать влияние угловых сейсмических колебаний на ускоритель. В результате действие на пучки частиц угловых микросейсмов уменьшится, что позволит стабилизировать движение фокусов частиц и уменьшить их диаметр. А в итоге - увеличить светимость коллайдерных экспериментов. В свою очередь, уменьшение зоны столкновения пучков частиц приведет к повышению точности коллайдерных экспериментов.

Широкое и высокое применение

Аналогичная ситуация наблюдается и в современных интерферометрических гравитационных антеннах. Чувствительные элементы этих антенн установлены на подвесах длиной от одного до нескольких метров и, естественно, они испытывают влияние угловых колебаний поверхности Земли. Очевидно, что стабилизация точки подвеса зеркал гравитационной антенны стабилизирует их колебания, и в этом ПЛИ может оказать неоценимую услугу.

Современные большие телескопы также испытывают угловые колебания поверхности Земли. Это смещает положение фокуса телескопа и, при долговременных измерениях, приводит к размазыванию получаемого изображения на CCD-матрице. Использование информации с ПЛИ позволит путем компенсирующего смещения CCD-матрицы стабилизировать эти колебания и получить предельное разрешение в телескопе.

Из этих примеров видно, что прецизионный лазерный инклинометр может применяться во многих областях современной физики, и его создание оказалось весьма своевременным достижением.

В дальнейшем мы планируем развивать метод ПЛИ в нескольких направлениях. Это прежде всего создание сети ПЛИ для визуализации колебаний поверхности Земли. Для этого необходима организация соответствующей инфраструктуры, программного обеспечения и др. Создание такой регистрирующей системы позволит мониторировать микросейсмические колебания, определять направление на их источник, изучать геофизические явления с точки зрения угловых колебаний поверхности Земли.

Второе направление - это создание сейсмоизолированной от угловых колебаний поверхности Земли исследовательской платформы. Это ключевая технология, которая обеспечит долговременную изоляцию крупномасштабных физических установок от угловых микросейсмических колебаний поверхности Земли. На основе сейсмоизолированной исследовательской платформы мы планируем развивать эффективную технологию сейсмоизоляции крупномасштабных физических установок. Как видно, мы только в начале длинного, полного неожиданных открытий пути.

Ю.А.БУДАГОВ, М.В.ЛЯБЛИН