Kombination von klassischen Gravimetern mit Quantensensoren

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Schilling, Manuel: Kombination von klassischen Gravimetern mit Quantensensoren. Hannover : Leibniz Universität Hannover, 2019 (Wissenschaftliche Arbeiten der Fachrichtung Geodäsie und Geoinformatik der Leibniz Universität Hannover ; 350), xiii, 130 S.

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Die Geräteentwicklung im Bereich der Gravimetrie der vergangenen Jahrzehnte zeichnete sich in erster Linie durch eine Digitalisierung der Datenerfassung und -verarbeitung sowie einer Reduktion instrumenteller Fehlerquellen bei einer gleichzeitigen Miniaturisierung der Absolut- und Relativgravimeter aus. Als gänzlich neue Entwicklung des letzten Jahrzehnts, wenn auch schon als technische Möglichkeit in den 1990er Jahren demonstriert, tritt eine steigende Anzahl von Absolutgravimeter (AG) auf Grundlage der Atominterferometrie, also der Interferometrie mit Materiewellen, in Erscheinung. Diese sogenannten Quantengravimeter (QG), vom transportablen Laborinstrument bis hin zum ersten kommerziellen Produkt, stellen den ersten vollständig unabhängigen Ansatz zur Messung von g seit der Ablösung der Pendelapparate durch Feder- und Freifallgravimeter dar. Die vorliegende Arbeit untersucht zunächst den Stand der Technik der klassischen, im Sinne der Newton’schen Physik, Absolut- und Relativgravimeter des Institut für Erdmessung (IfE). Die auf dem LaCoste & Romberg-Prinzip basierenden Federgravimeter ZLS Burris B-64 und Micro-g LaCoste gPhone-98 werden in dieser Arbeit als Referenz zu einem QG, in der Unterstützung von Absolutmessungen und zur Prüfung von Methoden zur Modellierung des Schwerefeldes eingesetzt. Es wurden instrumentelle Eigenschaften untersucht, z. B. der Kalibrierfaktoren der Gravimeter die über sechs Jahre hinweg mit einer relativen Unsicherheit von 1.3×10e−3/ 2.7×10e−4 für das gPhone-98/B-64 bestimmt werden konnten. Anhand von Gezeitenanalysen wurde ermittelt, dass innerhalb von etwa zehn Wochen die Parameter der amplitudenstärksten Wellengruppen mit einer Güte bestimmt werden können, dass der nicht korrigierte Gezeitenanteil unterhalb von 1 nm/s² liegt. Anhand des im Jahr 2012 aufgerüsteten Micro-g LaCoste FG5X-220 wurde die Rückführung der Messungen auf die SI-Einheiten (Internationales Einheitensystem) demonstriert. Die Untersuchungen haben eine Anfälligkeit des Rubidium Oszillators für Helium aufgedeckt, die zu systematisch verfälschten Messungen führen kann. Durch die Fortsetzung von episodischen Messungen an verschiedenen Stationen konnte das FG5X-220 eine höhere Präzision im Vergleich zu dem FG5-220 demonstrieren. Diese Gravimeter wurden in einem Projekt mit dem Gravimetric Atom Interferometer (GAIN), einem an der Humboldt-Universität zu Berlin entwickelten QG, eingesetzt. Im Verlauf des Projektes konnte GAIN eine hohe Präzision in der Erfassung von Zeitreihen demonstrieren und gleichzeitig systematische Vorteile, z. B. zur Zeit höherer mikroseismischer Aktivität, gegenüber den klassischen Gravimetern aufzeigen. Es wurde deutlich, dass diese neuartigen Quantensensoren höhere Anforderungen an die Reduktionen zeitlicher Schwereänderungen stellen. Am Beispiel der atmosphärischer Massenänderungen wurde eine Reduktion auf Grundlage von 3D-Wettermodellen erstellt und an zwei Stationen getestet. Neben den transportablen QG entstehen vereinzelt stationäre Atominterferometer, wie das Very Large Baseline Atom Interferometer (VLBAI) an der Leibniz Universität Hannover. Für diese 10m Atomfontäne wurden Modellierungen zur Berechnung von g innerhalb des Instrumentes vorgenommen und durch gravimetrische Messungen getestet. Bei einem Test der verwendete Methode zur Modellierung des Schwereeffektes von geometrischen Körpern am Beispiel einer Kraftmaschine der Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig konnte eine Übereinstimmung zwischen Modell und Messung innerhalb der Messunsicherheit der verwendeten Gravimeter erreicht werden.
The development of gravimetric instruments in the past decades was characterised primarily by the digitalisation of data acquisition and processing as well as a reduction of instrumental error sources and simultaneous miniaturisation of absolute and relative gravimeters. As an entirely new development of the last decade, even if already demonstrated as a technical possibility in the 1990s, an increasing number of absolute gravimeters (AG) based on atomic interferometry, i.e. interferometry with matter waves, have appeared. These so-called quantum gravimeters (QG), from portable laboratory instruments to the first commercial product, represent the first completely independent approach to measuring g since spring and free-fall gravimeters replaced the pendulum apparatus.This thesis examines the state of the art of classical, in the sense of Newtonian physics, absolute and relative gravimeters of the Institut für Erdmessung (IfE). The spring gravimeters ZLS Burris B-64 and Micro-g LaCoste gPhone-98, which are based on the LaCoste & Romberg principle for spring gravimeters, are used as a reference for QG, in support of absolute gravity measurements, and for testing the methods of modelling the gravitational field. Instrumental properties are investigated, e.g. the calibration factors of the gravimeters which were determined over six years with a relative uncertainty of 1.3×10e−3 /2.7×10e−4 for the gPhone-98/B-64. Based on tidal analyses, it was determined that, within about ten weeks, the parameters of the largest wave groups could be identified with a quality that the uncorrected tidal effect is below 1nm/s². Using the Micro-g LaCoste FG5X-220, which was upgraded in 2012 to the latest generation of AG, the traceability of the measurements to the SI units (International System of Units) is demonstrated. The investigations revealed a susceptibility of the rubidium oscillator to helium, which can lead to a systematic error in the measurements. By continuing the FG5-220s time series of episodic measurements at several stations, the FG5X-220 could demonstrate a higher precision than the former. The forementioned gravimeters were used in a project with the Gravimetric Atom Interferometer (GAIN), a QG developed at Humboldt-Universität zu Berlin. In the course of the project, GAIN was able to demonstrate its high precision in the acquisition of gravity time series and, at the same time, to show systematic advantages compared to classical gravimeters, e.g., at times of high microseismic activity. It became obvious that these novel quantum sensors place higher demands on the reductions of temporal gravity changes. As an example, the gravity effect of atmospheric mass changes based on 3D weather models was created and tested at two stations. In addition to the transportable QGs, a small number of stationary atomic interferometers such as the Very Large Baseline Atom Interferometer (VLBAI) at Leibniz University Hannover are developed. For this 10m atomic fountain, a model was implemented to calculate g within the instrument and tested by gravimetric measurements. The method to model the gravity effect of arbitrary geometric shapes was applied to a force standard machine at Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig, as a proof of concept. The agreement between the model and the measurement is within the measurement uncertainty of the gravimeters used.
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Document Type: doctoralThesis
Publishing status: publishedVersion
Issue Date: 2019
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