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Tesi etd-05082006-150125


Thesis type
Tesi di laurea specialistica
Author
Brisigotti, Silvia
email address
silviabrisigotti@yahoo.it
URN
etd-05082006-150125
Title
studio di fattibilità di un gradiometro gravitazionale differenziale
Struttura
SCIENZE MATEMATICHE, FISICHE E NATURALI
Corso di studi
FISICA APPLICATA
Supervisors
relatore Prof. Beverini, Nicolò
Parole chiave
  • accelerometro
  • cavità whispering gallery
  • gradiometro gravitazionale
Data inizio appello
26/05/2006;
Consultabilità
Completa
Riassunto analitico
Con questo lavoro di tesi si vuole studiare la realizzazione di un gradiometro
gravitazionale sensibile alla componente diagonale zz del tensore
gradiente di gravitá.
La misura del gradiente di gravitá permette di individuare depositi rocciosi
con 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 montuose
o, ancora, di monitorare la risalita del magma lungo i condotti vulcanici.
A differenza dei gradiometri gravitazionali presenti in commercio, il nostro
strumento sará caratterizzato da peso e dimensioni ridotte, per renderne
facile il trasporto, e l'obiettivo sarµa di raggiungere risoluzioni migliori di 10
Eö su un tempo di acquisizione di 1 secondo. Il gradiometro
progettato consiste in due accelerometri verticali identici, posti verticalmente
l'uno sull'altro ad una distanza fissa di 15 cm.
Il segnale utile per la misura del gradiente di gravitá viene estratto come
differenza dei segnali in uscita da ciascun accelerometro tramite un sistema
di lettura interferometrico a microonde.
Il singolo accelerometro é costruito a partire da una lastra di materiale
monocristallino, nella quale, con una fresa ad ultrasuoni, é scavata una leva
mobile. L'uso di un blocco unico per la costruzione della leva mobile, senza
giunzioni e incollaggi, garantisce la massima stabilitá della struttura nel tem-
po ed alti fattori di qualitá Q meccanici. Questa struttura mobile funziona
come pendolo di torsione: applicando una forza Fz alla massa di prova del-
l'accelerometro viene prodotta una torsione del pendolo, il quale si flette
sotto 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 alla
leva mobile e da un disco identico fissato alla struttura portante. La torsione
del pendolo cambia la distanza tra i dischi, che, per valori standard di g ab-
biamo preso essere di 0.1 mm. Il sensore, cosí
strutturato, é una cavitá che
risuona nei modi Whispering Gallery (WG) del campo elettromagnetico, la
cui frequenza di risonanza dipende dalla distanza tra i due dischi. Tali modi
sono 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 posizione
relativa dei due dischi. Quest'ultimo termine é detto coefficiente di accord-
abilitá e determina la sensibilitá allo spostamento del trasduttore stesso, i
modi Whispering Gallery hanno il vantaggio di presentare sia alti Q che alti
coefficienti 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 stato
scelto il modo a cui lavorare, caratterizzato da un valore di Q di circa 54000
ed 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 dalla
misura diretta della differenza di posizione delle masse di prova dei due tras-
duttori, tramite un sistema di lettura interferometrico a microonde, con cui
l'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 rumore
di fase della sorgente a microonde sulla misura, il quale, spesso, limita la sen-
sibilitá dello strumento. Uno dei due risuonatori viene usato due volte: prima
in un circuito oscillatore, per generare un segnale a microonde la cui frequen-
za dipende dalla frequenza di risonanza del risuonatore stesso, poi in uno
dei due rami del circuito interferometrico. La potenza trasmessa su ciascun
ramo viene ricombinata e questo segnale viene misurato in maniera coerente
tramite il mixer, pilotato dal circuito oscillatore. L'uscita del mixer é un
segnale che, una volta fissato il punto di lavoro opportuno, é proporzionale
alla differenza di fase dei segnali riflessi dai due trasduttori, dalla quale si
puó risalire alla differenza di posizione dei dischi dei risuonatori.
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