Ученые Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ развивают устройство малогабаритных прецизионных лазерных инклинометров (МПЛИ) – сверхчувствительных компактных приборов для измерения колебаний земной поверхности. Сейчас разрабатывается уже седьмое поколение прибора – в нем впервые будет реализован интерферометрический способ измерения углов наклона лазерного луча, что поспособствует повышению точности измерения. Инклинометры ОИЯИ установлены в Армении, Беларуси, Италии, в ЦЕРНе, на Камчатке и на ускорительном комплексе NICA. Готовится программное обеспечение, которое позволит объединить установленные в разных уголках Земли и организациях МПЛИ в сети. Единая сеть позволит отслеживать долговременные изменения положения земной поверхности – на основе этой сети станет возможным выявлять участки накопления сейсмической энергии и, соответственно, количественно прогнозировать сейсмическую опасность.

В декабре 2023 года Объединенный институт ядерных исследований получил два патента RU № 2810718 и RU № 2810721 «Устройства для измерения угла наклона», которые предлагают два способа регистрации углового движения лазерного луча в инклинометре. «В зависимости от ситуации, возможно измерение как первым, так и вторым способом. Фактически это два способа интерферометрической регистрации углов наклона поверхности Земли. Кроме того, конструкция первого инклинометра позволяет ему быть нечувствительным к тепловому расширению жидкости. Особенность второго – его независимость измерения от собственного шумового движения лазерного луча», — рассказал автор изобретений, начальник сектора лазерной метрологии ЛЯП ОИЯИ Михаил Ляблин.

Начальник сектора лазерной метрологии ЛЯП ОИЯИ Михаил Ляблин

По первому патенту в ЛЯП ОИЯИ сейчас изготавливаются четыре образца МПЛИ, нечувствительных к температурным изменениям. Это принципиальное новшество в устройстве инклинометров ОИЯИ. «Нечувствительности к температурным изменениям способствует особая конструкция интерферометра, в которой изменение температуры одновременно одинаковым образом изменяет плечи интерферометра, что не приводит к изменению интерференции, при этом угол наклона поверхности Земли изменяет ее и отчетливо регистрируется», — рассказал Михаил Ляблин.

Новизна второго изобретения состоит в том, что найден способ измерения наклонов отраженного от поверхности жидкости лазерного луча без влияния собственных угловых движений лазерного луча на точность измерения, что достигается использованием модифицированного интерферометра Фабри – Перо.

Настоящее и будущее инклинометров

Устройство инклинометров ОИЯИ постоянно развивается. Изменения в конструкции инклинометров – предмет дальнейших исследований. Крайне важно, отмечает Михаил Ляблин, создать компактную версию инклинометра, которую можно будет разместить даже в скважине. «Это необходимо для контакта со скальным монолитом. При этих условиях возможно получение «чистых» геофизических данных по изменению углового наклона поверхности Земли», — прокомментировал Михаил Ляблин. Такой образец 10 см в диаметре и высотой 15 см вскоре будет собран в Лаборатории.

Образец малого прецизионного лазерного инклинометра, резистивного к изменениям температуры окружающей среды

Спектр применения малых прецизионных лазерных инклинометров непрерывно расширяется. Сейчас на основе МПЛИ можно развивать следующие направления:

• сейсмическая изоляция научных установок (коллайдеров, гравитационных антенн, больших оптических телескопов);
• сейсмическая изоляция оптических столов, на которых возможно измерение гравитационной постоянной Ньютона с большей точностью, проведение исследований с использованием весов Киббла – прибора для установления соотношения между массой и электрической мощностью;
• мониторинг объектов гражданской инфраструктуры (мосты тоннели, путепроводы и др.).
• В настоящее время инклинометры ОИЯИ установлены в Армении, Беларуси, Италии, в ЦЕРНе, на Камчатке и на ускорительном комплексе NICA.
• Готовится программное обеспечение, которое позволит объединить установленные в разных уголках Земли и организациях МПЛИ в сети. Одна сеть позволит отслеживать долговременные изменения положения земной поверхности – на основе этой сети станет возможным выявлять участки накопления сейсмической энергии и, соответственно, количественно прогнозировать сейсмическую опасность.
• На основе сети из МПЛИ можно создать новую метрологическую систему, позволяющую онлайн регистрировать положение коллайдеров и других крупномасштабных физических установок для определения изменения геометрии установок в широком диапазоне частот.

«Следует отметить, что МПЛИ выгодно отличается от своих традиционно применяемых для этих же целей «аналогов» – гидростатических уровневых систем. Такая система представляет собой длинную (до 200 м) трубу, наполовину заполненную жидкостью. При наклоне поверхности Земли происходит изменение положения поверхности жидкости на концах трубы. «Такой способ эффективно регистрирует наклоны поверхности Земли с периодом больше 1000 с. Однако проводить измерения таким образом неудобно из-за больших габаритов прибора, необходимости работы в стабильных температурных условиях, невозможности измерения микросейсмов в частотах 10^-3-20 Гц, измерения углов наклона поверхности Земли только в одном направлении и, наконец, дороговизны», — пояснил Михаил Ляблин.

В отличие от гидростатических уровневых систем, МПЛИ позволяет измерять углы наклона поверхности Земли в двух ортогональных (перпендикулярных) направлениях, при этом, помимо низких частот наклонов земной поверхности, он регистрирует углы наклона в области высоких частот 10^-3-20 Гц.

МПЛИ, резистивный к температурным изменениям окружающей среды

Рис. 1. 1. основание, 2. кювета с вязкой диэлектрической жидкостью (до и после наклона основания, 3. одномодовый стабилизированный лазерный источник (до и после наклона основания), 4. оптическая плоскопараллельная пластинка с зеркальным покрытием (до и после наклона основания), 6. фотоприемник (до и после наклона основания), 5. зеркальное покрытие (до и после наклона основания), 7. регистрирующее устройство (до и после наклона основания), 9. поверхность вязкой диэлектрической жидкости, 10. направление луча от одномодового стабилизированного лазерного источника (до и после наклона основания), 11. направление первого лазерного луча до наклона основания (обозначено сплошной толстой линией) (до и после наклона основания), 12. направление второго лазерного луча (обозначено тонкой линией) (до и после наклона основания), 13. интерферирующие лазерные лучи (до и после наклона основания), 18. угол наклона основания, 19. угол смещения первого и второго лазерных лучей (11, 12), отраженных от поверхности вязкой диэлектрической жидкости, 20. толщина плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием, 21. угол отражения лазерного луча от без зеркальной стороны плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием

Изобретение № 2810718 показывает способ измерения наклонов, отраженного от поверхности жидкости лазерного луча, на который не будет влиять температурное изменение объема жидкости.

Устройство включает в себя основание, одномодовый стабилизированный лазерный источник, кювету с вязкой жидкостью, оптическую плоскопараллельную пластинку с зеркальным покрытием только с одной стороны и фотоприемник с блоком регистрации. Плоскопараллельная пластинка расположена параллельно поверхности вязкой диэлектрической жидкости так, что сторона без зеркального покрытия является ближней к поверхности вязкой диэлектрической жидкости, и служит для отражений и перенаправлений путей движения лазерных лучей от поверхностей плоскопараллельной пластинки к поверхности вязкой диэлектрической жидкости и обратно. При этом изменение интенсивности возникающих интерферирующих лазерных лучей на фотоприемнике пропорционально наклону основания. Технический результат заключается в повышении точности измерения углового наклона основания устройства за счет уменьшения влияния изменения температуры окружающей среды.

МПЛИ, резистивный к собственным угловым движениям лазерного луча

Рис. 2. 1. основание, 2. подвижная платформа, 3. котировочный винт, 4. шаровая опора, 5. одномодовый стабилизированный лазерный источник, 6. кювета с вязкой диэлектрической жидкостью, 7. слой жидкости в кювете с толщиной к ее диаметру в пределах от 0,04 до 0,06, 8. оптическая клиновидная пластинка, 9. оптическое, отклоняющее путь движения лазерного луча, устройство, выполненное в виде оптического куба, 10. фотоприемник, 11. блок регистрации, 12. путь движения лазерного луча от одномодового стабилизированного лазерного источника, 13. поверхность вязкой диэлектрической жидкости, 14. путь движения лазерного луча отраженного от поверхности оптической клиновидной пластинки, 15. путь движения лазерного луча отраженного от поверхности вязкой диэлектрической жидкости, 16. путь движения интерферирующих лазерных лучей, 17. направление движения подвижной платформы

Устройство изобретения № 2810721 содержит основание; одномодовый стабилизированный лазерный источник; кювету с вязкой диэлектрической жидкостью; регистрирующее устройство, выполненное в виде интерферометрического устройства, состоящего из оптической клиновидной пластинки; оптическое устройство, отклоняющее путь движения лазерного луча, выполненное в виде оптического куба и фотоприемника с блоком регистрации. Для юстировки интерферометрического устройства служит угловой позиционер, содержащий подвижную платформу, котировочный винт и шаровую опору. Луч от одномодового лазерного источника перпендикулярен поверхности жидкости. Использование в качестве регистрирующего устройства интерферометрического устройства позволяет сделать регистрацию углового наклона основания малочувствительной к угловому наклону лазерного луча. Технический результат – повышение точности измерения изменения углового положения основания.