扭秤法检验弱等效原理实验中的引力梯度效应及其应用研究

发布时间：2020-09-16 20:59

　　 等效原理是广义相对论的基本假设之一,几乎所有试图将引力和其他三种基本相互作用统一的理论都要求等效原理在一定程度上破缺。因此一个高精度等效原理检验结果具有重要的科学意义。目前国际上在地面利用精密旋转扭秤(钨丝)进行等效原理检验的最高实验精度是1.8×10-13,该结果由华盛顿大学E?t-Wash实验小组给出。近七年来,华中科技大学引力中心展开的石英丝扭秤检验弱等效原理实验表明:石英丝代替钨丝可使扭秤系统的品质因数Q值提高约2个量级,该实验有望将检验精度提高至10-14量级;引力中心初步引力梯度效应实验表明该效应对实验精度的限制在10-11量级。本文结合引力中心高Q值石英丝扭秤检验弱等效原理的实验展开研究,对实验主要系统误差源引力梯度场进行直接测量;对扭秤系统周围的引力梯度场进行引力补偿,将引力梯度效应影响从1.1×10-11降低至5.0×10-13。显然,检验弱等效原理实验中引力梯度效应的有效测量和补偿对提高实验检验精度具有重要意义。在地球资源勘探领域,由于地球表面的重力梯度场包含着重要而细微的地质信息,对其的测量一直是热点问题。匈牙利科学家E?tv?s发明的传统扭矩式重力梯度仪是重力梯度场测量的主要仪器之一。由于该仪器具有造价低,测量精度较高,便于野外测量等优点,故其一直被用于重力梯度测量。然而这一仪器由于采用静态测量方法而存在测量效率不高的缺点。本文针对传统梯度仪的这一缺点,结合上述检验弱等效原理实验中引力梯度场的动态测量方法,利用该测量方法对传统梯度仪展开改进研究。改进梯度仪样机的标定实验及测点测量的结果表明,在与传统梯度仪同一测量精度水平下,改进梯度仪所需的测量时间约为传统梯度仪所需时间的十五分之一。作为一种改进重力梯度仪,其测量效率的提高对石油勘探、地震学、地球物理学、惯性导航等领域具有重要的工程应用价值。在改进梯度仪实验信号处理中,根据实验信号特点及实验信号处理要求选择了APES(amplitude and phase estimation)算法用以估计目标信号的振幅。针对实验信号是实信号这一特点,对原有只能处理复信号的APES算法进行了改进研究,使其符合改进梯度仪实验信号处理要求。算法仿真结果及实验数据处理结果表明,该改进算法可高精度估计改进梯度仪实验数据中的目标信号振幅。
【学位单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O412.1
【部分图文】：

[39-40]，开展了传统扭矩式重力梯度仪的改进研究。图1-3 (a)第一台E tv s重力梯度仪; (b) E tv s重力梯度仪受重力梯度作用而偏转的示意图[22]。(a)(b)5

1 21 ( ) , ( g gh i im ma g a m m WEP 破缺系数。由于由两个不同秤关于 z 轴的力矩 τ 可表示为：12121( cos sin 21sin( )2sin( )sin( )a d a da dh a dmr amr a mr a nd a ndg n 分别为 a、 d。若 WEP 破缺即不为 0，偶极摆会发生偏转，其

12sin( )h a ddgk , 转弹性常数。测量该偏转角即可确定 η12。球上，故无法直接找到扭丝的绝对零点，E t水平面内旋转 180°[14]。根据式(2-7),旋转前后扭的 2 倍。在 95％置信水平下，E tv s 的实验精 等人改进了 E tv s 实验，如针对检验 WEP 实的一系列问题，他们改用太阳作为引力源，利为 24 小时的正弦信号[58]。这一方法的调制思想验中，例如 Braginsky[59]、E t-wash[42, 45]等实

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本文编号：2820370