studio di fattibilità di un gradiometro gravitazionale differenziale

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