A mobile absolute gravimeter based on atom interferometry for highly accurate point observations
Final Report Abstract
Das Projekt stellt die erste Entwicklung eines Quantengravimeters dar, die durch geodätische Messmethoden kontinuierlich begleitet wurde. Der Entwicklungstand von GAIN konnte vom nur unter größerem Zeit- und Personalaufwand beweglichen Laborexperiment zur transportablen Lösung verbessert werden, welche nach einer Verlegung per Kraftfahrzeug in kurzer Zeit messbereit ist und den unbeaufsichtigten kontinuierlichen Betrieb über ausgedehnte Zeiträume erlaubt. Durch Vergleichsmessungen mit den klassischen Gravimetern des IfE und an geodätischen Observatorien konnten die einzelnen Entwicklungsschritte bezogen auf die Langzeitstabilität der Messungen und dem absoluten Niveau quantifiziert werden. Für diesen Zweck wurde das FG5X-220 als erstes Gravimeter der neuen FG5X Baureihe umfassend charakterisiert, um eine stabile Referenz zu gewährleisten. Weiterhin wurde der Einfluss des „X-Upgrades“ des Gravimeters von FG5 auf FG5X untersucht. Dies ist von Bedeutung für die Fortführung laufender Arbeiten zum Beispiel im Bereich der fennoskandischen Landhebung. Im Rahmen der Vergleichskampagnen von GAIN und FG5X-220 zeigte das Quantengravimeter insbesondere in durch Mikroseismik gestörter Umgebung ein deutlich besseres Messergebnis gegenüber dem klassischen Gravimeter, unter anderem bedingt durch die höhere Datenrate und die seismische Isolierung. Hierdurch eröffnen sich neue Einsatzgebiete für die gravimetrische Erdbeobachtung, die für klassische Gravimeter nicht oder nur mit größerem Aufwand realisierbar wären. Als Beispiele seien die effiziente Vermessung von variablen Grundwasserbereichen, die Erfassung von Massenvariationen an der Küste oder im Rahmen von Bergbauaktivitäten und die Überwachung von Vulkanen genannt. In der Modellierung des lokalen Schwerefeldes wurden verschiedene Methoden umgesetzt, um Schwereänderungen aufgrund von Massenänderungen zu bestimmen. Diese Methoden konnten in verschiedenen Anwendungen gravimetrisch verifiziert werden. Derselbe Algorithmus, der in diesen Versuchen die flexibelste Geometrie der Massen erlaubte, wurde ebenfalls zur Modellierung des Einflusses der atmosphärischen Massenvariationen auf Schweremessungen eingesetzt. Basierend auf globalen 3D Klimadaten konnte so eine verbesserte Reduktion dieses Effektes realisiert und an Zeitreihen verschiedener Supraleitgravimeter verifiziert werden.
Publications
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(2013). First gravity measurements using the mobile atom interferometer GAIN. Applied Physics B: Lasers and Optics, 113(1), 49–55
Hauth, M., Freier, C., Schkolnik, V., Senger, A., Schmidt, M., & Peters, A.
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(2014). Atom Interferometry for Absolute Measurements of Local Gravity. Proceedings of the International School of Physics “Enrico Fermi”, Course 188
Hauth, M., Freier, C., Schkolnik, V., Peters, A., Wziontek, H., & Schilling, M.
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(2015). The effect of wavefront aberrations in atom interferometry. Applied Physics B: Lasers and Optics, 120(2), 311–316
Schkolnik, V., Leykauf, B., Hauth, M., Freier, C., & Peters, A.
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(2015): Accuracy Estimation of the IfE Gravimeters Micro-g LaCoste gPhone-98 and ZLS Burris Gravity Meter B-64, Proceedings of the IAG Scientific Assembly,01.-06.09.2013, Potsdam; International Association of Geodesy Symposia Vol. 143, pp. 249-256
Schilling, M., Gitlein, O.
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(2016). Mobile quantum gravity sensor with unprecedented stability. Journal of Physics: Conference Series, 8th Symposium on Frequency Standards and Metrology 2015 12–16 October 2015, Potsdam, Germany, 723, 012050
Freier, C., Hauth, M., Schkolnik, V., Leykauf, B., Schilling, M., Wziontek, H., Scherneck, H.-G., Müller, J., Peters, A.
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(2017): The gravity field in force standard machines. Proceedings of the IMEKO TC3, TC5, TC22 Joint Conference, 30.05.-01.06.2017
Schilling, M., Timmen, L., Kumme, R.
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“Mapping the absolute magnetic field and evaluating the quadratic Zeeman-effect-induced systematic error in an atom interferometer gravimeter”, Phys. Rev. A 96 (2017), p. 033414
Hu, Q, Freier, C, Leykauf, B, Schkolnik, V, Yang, J, Krutzik, M, and Peters, A
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„Observation of vector and tensor light shifts in 87Rb using near-resonant, stimulated Raman spectroscopy“, Phys. Rev. A 97 (2018), p. 013424
Hu, Q, Freier, C, Sun, Y, Leykauf, B, Schkolnik, V, Yang, J, Krutzik, M, and Peters, A
