Rückführung des Absolutgravimeter FG5X-220 auf SI-Einheiten

Motivation

Durch Absolutgravimetrie können auch säkulare Änderungen über Jahre bis zu Jahrzehnten bestimmt werden. Im Zentrum des Fennoskandischen Landhebungsgebietes nimmt die Schwere mit etwa 2µgal/Jahr ab. Im Randbereich sind dies auch deutlich geringere Raten. Die Bestimmung dieses Trends erfordert Messungen über einen Zeitraum von 5 bis 10 Jahren. Mit den aktuellen FG5 und FG5X Gravimetern kann eine Wiederholbarkeit von in der Größenordnung von ebenfalls 2µGal erreicht werden. Dabei ist ein offset des Messwertes zu dem wahren Wert von g für viele Anwendungen in Geodäsie und Geophysik unerheblich. Dieser offset muss jedoch über Jahre hinweg stabil sein, da sonst unerkannte Änderungen als echtes Änderung von g interpretiert werden könnten.

Zusätzlich wurde das seit 2002 am IfE betriebene FG5-220 zum FG5X-220, den aktuellen Stand der Technik, umgerüstet. Dabei wurden große Teile des Instruments ausgewechselt. So folgt aus einer neuen Fallkammer mit längerem Fallweg z.B. eine neue Referenzhöhe der Schweremessung. Zusätzlich wurde die gesamte Geräteelektronik ausgetauscht. Die Fortsetzung von teilweise in den 1980er Jahren mit dem JILAg-3 begonnenen Zeitreihen, erfordert die Untersuchung eines neuen offsets im Rahmen der Umrüstung.

Umsetzung

Das tatsächliche wahre g kann nicht bestimmt werden, da es keine Gravimeter mit übergeordneter Genauigkeit im Vergleich zu FG5 Gravimetern gibt. Daher werden zwei sich ergänzende Methoden zur Kontrolle der langzeitstabilität und der Rückführung auf die SI Einheiten eingesetzt:

1. Kalibrierung der internen Standards, und
2. Regelmäßige Vergleichsmessungen mit einer Referenz

Kalibrierung der internen Standards

Ein 10MHz Rubidium Oszillator wird zur Zeitmessung des Interferometersignals eingesetzt. Dieser Oszillator unterliegt, z.B. bedingt durch Alterung, Frequenzänderungen, die sich in einer Drift äußern. Daher wird regelmäßiger Vergleich der Frequenz mit einem Frequenznormal höherer Genauigkeit durchgeführt. Dies ist einerseits ein GPS stabilisierter portabler Rubidium Oszillator und andererseits ein 10MHz Referenzsignal an metrologischen Instituten.

Die Längenmessung im Interferometer wird mittels kalibrierter Frequenzen und den daraus folgenden Wellenlängen eines Helium-Neon Lasers ermöglicht. Ein Frequenz- oder Wellenlängenvergleich des Lasers ist bisher nicht erfolgt. Eine signifikante Änderung würde in regelmäßigen Vergleichsmessungen mit anderen Gravimetern aufgedeckt.

Ergebnisse

Seit der Umrüstung auf das FG5X sind zahlreiche Frequenzvergleiche des 10MHz Rubidium Oszillators durchgeführt worden. Diese werden in der Regel vor Beginn und nach Abschluss von Messkampagnen durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Abbildung 1 zusammengefasst. Im Juli 2014 war der Rubidium Oszillator einer größeren Menge atmosphärischen Heliums ausgesetzt, die einen Anstieg in der Frequenz um 0.01Hz auslöste. Dies entspricht einem Fehler in der Messung von g von 2µGal, wenn diese Änderung nicht berücksichtigt wird. Seither sinkt die Frequenz stetig und liegt derzeit unter der normalerweise durch Alterung erreichten Frequenz.

Abbildung 1: Frequenzunterschied FG5X-220 Rubidium Oszillator zu Referenz 10MHz Signal.

Vergleichsmessungen mit einer Referenz

Im Rahmen von regelmäßig stattfindenden internationalen Vergleichsmessungen von Absolutgravimetern wird das FG5X-220 gegenüber dem Gruppenmittel aus den Teilnehmern nationaler metrologischer Institute verglichen. Der dort aus mehrfachen Punktmessungen bestimmte Degree of Equivalence dient unter anderem der Gewährleistung der langzeitstabilität des Instruments.

Ergebnisse

Abbildung 2 zeigt die Ergebnisse aus internationalen Vergleichsmessungen an denen das FG5-220 und die aufgerüstete Version FG5X-220 teilgenommen hat. Der dargestellte Degree of Equivalence ist die Abweichung des Gerätes zum jeweiligen offiziellen Referenzwert mit der Unsicherheit entsprechend des jeweiligen technischen Protokolls des Vergleiches. Seit 2009 werden diese Vergleiche als key comparisons im Sinne des CIPM-MRA durchgeführt.

RICAG sind regionale Vergleiche, die im geodätischen Observatorium Wettzell und Leitung des Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie mit jeweils 6 Teilnehmern durchgeführt wurden. Der dargestellte Wert ist die Abweichung zum Mittelwert aller Teilnehmer.

Abbildung 2: Ergebnisse des FG5-220 und FG5X-220 in internationalen Vergleichen von Absolutgravimetern.

Das FG5X-220 hat am internationalen Vergleich EURAMET.M.G-K2 key comparison im Jahr 2015 in Luxemburg Teilgenommen. Dieses Ergebnis ist derzeit noch nicht veröffentlicht.