Atom interferometry at geodetic observatories

Das gravimetrische Atominterferometer (GAIN) ist ein transportables Atominterferometer welches spezifisch für hochpräzise Schweremessungen in der Geodäsie und Geophysik entwickelt wurde. Es basiert auf einer Rubidium Atomfontäne, stimulierten Ramanübergängen und einer 3-Puls Mach-Zehnder Interferometriesequenz. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung und Anwendung von GAIN als transportables Gravimeter für Absolutschweremessungen an geodätischen Observatorien welche über den aktuellen Stand der Technik hinaus gehen. Dabei wurden eine Absolutgenauigkiet von 29 nm/s^2, eine Langzeitstabilität von 0.4 nm/s^2 sowie eine Sensitivität von 82 nm/s^2 in einer Sekunde erreicht. Die gemessene Genauigkeit und Langzeitstabilität stellen, nach dem Wissen des Authors, die bis heute besten publizierten Werte für ein transportablen Atominterferometer dar und repräsentieren einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der Gravimetrie. Um dies zu erreichen wurden umfangreiche Verbesserungen am Gerät umgesetzt und eine ausführliche Analyse der systematischen Messabweichungen durchgeführt. Unter anderem wurden ein System zur Kompensation von Corioliskräften und Ausrichtungsfehlern, ein verbessertes Schwingungsisolationssystem zur nachträglichen Korrektur von Umgebungsvibrationen und eine magnetische Abschirmung instrumenteller Streufelder implementiert. Darüber hinaus wurden insgesamt vier Messkampagnen in Berlin, sowie an den geodätischen Observatorien in Wettzell, Deutschland und Onsala, Schweden durchgeführt, um GAIN mit anderen hochmodernen Absolut- und Relativgravimetern zu vergleichen. Der direkte Vergleich zwischen GAIN und anderen Gravimetern stellt den prinzipbedingten Vorteil der Atominterferometrie durch die Kombination aus Absolutgenauigkeit, Stabilität und Langzeitbetrieb klar hervor. Dies wurde in der Arbeit durch die um einen Faktor 2-5 verbesserte Kalibrierung des Skalenfaktor von zwei supraleitenden Gravimetern demonstriert.The gravimetric atom interferometer (GAIN) is a transportable setup which was specifically designed to perform high-precision gravity measurements at sites of interest for geodesy or geophysics. It is based on a Rb atomic fountain, stimulated Raman transitions and a three-pulse Mach-Zehnder atom interferometry sequence. The presented work is concerned with the optimization and application of GAIN as a transportable gravimeter in order to perform gravity measurements beyond the state-of-the-art. An absolute accuracy of 29 nm/s^2, long-term stability of 0.4 nm/s^2 and short-term noise level as low as 82 nm/s^2 in one second was achieved. The obtained long-term stability and accuracy values are, to the knowledge of the author, the best published performance of any transportable atom interferometer to date and represent a significant advancement in the field of gravimetry. A comprehensive analysis of the systematic error budget was performed to improve the accuracy and stability of the measured gravity value. Several setup improvements were implemented to this end, including Coriolis force and alignment control systems, an improved vibration isolator with post-correction and magnetic shielding which reduces spurious coupling due to stray fields. Measurement campaigns were conducted in Berlin and at geodetic observatories in Wettzell, Germany, and Onsala, Sweden, in order to compare GAIN to other state-of-the-art absolute and relative gravimeters. The direct comparison of GAIN to other absolute and relative gravimeters shows the general advantage of atom interferometers due to their unique combination of absolute accuracy, stability and robust architecture enabling continuous measurements. This was demonstrated during the presented campaigns by the improvement of the scale factor calibration of two superconducting gravimeters by a factor 2 to 5 using GAIN data