Современные высокоточные гравиметры или устройства, которые измеряют силу притяжения Земли, широко используются при разведке месторождений полезных ископаемых, для обнаружения подземных пустот при строительстве, для наблюдения за вулканической деятельностью и другими природными явлениями. Но самое миниатюрное из этих устройств, существующих на сегодняшний день, размером с буханку хлеба и весит несколько килограммов.
Большинство коммерческих гравиметров определяют силу притяжения, наблюдая за положением тела, называемого массой, которое закреплено внутри устройства на пружинах. Это сердце ультрачувствительной системы прибора, и для его правильной работы необходим корпус, внутри которого поддерживаются постоянные температура и давление.
Измерения обычно проводятся в интересующем месте и сравниваются с показаниями прибора в так называемом опорном пункте. Точность современных устройств достигает 10-7 – 10-9 м/с2, но они по-прежнему громоздкие и дорогие.
Изящное решение проблемы предложили Джайлз Хаммонд (Giles Hammond) и его коллеги из Университета Глазго. Они разработали простой, компактный и недорогой способ измерения силы земного притяжения.
Ключевым элементом нового датчика также стал подвешенный груз. Но на этот раз вся система была вырезана из единого листа кремния толщиной 0,2 миллиметра. В итоге в качестве массы используется пластинка, которая прикреплена к рамке тонкими кремниевыми полосками, заменяющими пружины.
В устройстве сила притяжения тянет пластинку вниз, а распорки толкают вверх. Углубляясь в физику, получается, что положение равновесия пластинки определяется тремя величинами, а именно собственной массой, коэффициентом жёсткости "пружин" и ускорением свободного падения. Первые две постоянны, поэтому любое изменение в положении пластинки является результатом изменения локальной силы притяжения Земли.
Чтобы засечь эти слабые изменения, с одной стороны массу освещает светодиод, а с другой стороны в тени установлен очень чувствительный датчик света. В результате даже самые слабые движения пластинки можно регистрировать по количеству фотонов, падающих на детектор.
Так как кремний значительно сжимается и расширяется при колебаниях температуры, команда использовала нагреватель с очень точным термостатом, который может поддерживать температуру в пределах одного микроградуса.
Чувствительность нового устройства примерно в десять раз ниже, чем у лучших гравиметров, доступных на рынке. Но и её достаточно, чтобы обнаружить туннель с поперечным сечением площадью два квадратных метра, пролегающий на двухметровой глубине, или нефтяное месторождение объёмом 50 кубических метров на глубине 150 метров.
Сейчас команда Хаммонда совместно с геолого-исследовательской компанией работает над созданием портативного гравиметра для работы в полевых условиях. Кроме того, физики планируют изменить конструкцию, чтобы проводить измерения не в одной плоскости, а во всех направлениях.
Подробное описание нового гравиметра приводится в статье, опубликованной в издании Nature.
