Эффективное применение оптических реперов в маркшейдерском деле

Рассмотрены особенности устройства реперов, используемых в маркшейдерских приборах, которые применяются для измерений на поверхности и в недрах Земли при разведке и эксплуатации месторождений полезных ископаемых и строительстве горных предприятий с частотой оптического диапазона для случая измерения гравитационного потенциала и использования технологии лазерного трехмерного сканирования в маркшейдерии. Представлены основные принципы функционирования оптического репера 87Sr. Рассмотрены основные рабочие уровни первичного и вторичного охлаждения атомов, с применение спектроскопии без эффекта Доплера. Это позволило создать устройство, чувствительное к изменению высоты над уровнем моря, а при неизменности высоты — чувствительное к изменению гравитационного потенциала: гравиметра. Приведена разработанная диаграмма последовательности сигналов управления оптическим репером. Представлены различные типы возмущений детектирующего сигнала данного устройства, которые необходимо уменьшать для стабилизации работы устройства — сдвиг рабочей частоты оптической решетки, влияние теплового потока от частей вакуумной камеры на атомные переходы рабочего вещества. Также указано влияние гравитационного воздействия на полезный сигнал устройства. Сформулированы способы их обхода и устранения. Перечислены возможности использования оптического репера как инструмента для построения гравитационной карты земной поверхности или нахождения аномалий земной коры по изменению ускорения свободного падения, что также может привести к использованию технологии лазерного трехмерного сканирования для объемных измерений. Выполнены оценки погрешности измерения высоты при помощи оптического репера частоты в зависимости от изменения полезного сигнала оптического репера частоты, что позволяет производить точные топологические замеры в маркшейдерии при измерениях на поверхности и в недрах Земли при разведке и эксплуатации месторождений полезных ископаемых и строительстве горных предприятий.

Гуров М. Г., Гурова Е. Г. Эффективное применение оптических реперов в маркшейдерском деле // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 12-2. — С. 87—101. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_122_0_87.

Гуров Михаил Геннадьевич¹— научный сотрудник, e-mail: goorovmg@mail.ru;
Гурова Елена Геннадьевна² —доцент, e-mail: lena319@mail.ru,
¹ ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений», Менделеево пгт, Менделеево, Московская обл., 141570, Россия;
² Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, г. Новосибирск,630073, Россия.

Гурова Е. Г., e-mail: lena319@mail.ru.

1. Bondarescu R., Schärer A., Lundgren A., Hetényi G., Houlié N., Jetzer P., Bondarescu M. Ground-based optical atomic clocks as a tool to monitor vertical surface motion // Geophys. J. Int. 2015, vol. 202, pp. 1770–1774. DOI: 10.1093/gji/ggv246.

2. Thompson A., Moran J., Swenson G. Interferometry and Synthesis in Radio Astronomy. Springer, Cham. 2017, p. 872. DOI: 10.1007/978−3-319−44431−4.

3. Fujieda M., Piester D., Gotoh T., Becker J., Aida M., Bauch A. Carrier-phase twoway satellite frequency transfer over a very long baseline // Metrologia. 2014, vol. 51, p. 253–262. DOI:10.1088/0026−1394/51/3/253.

4. Bloom B. J., Nicholson T. L., Williams J. R., Campbell S. L., Bishof M., Zhang X., Zhang W., Bromley S. L., Ye J. An optical lattice clock with accuracy and stability at the 10−18 level // Nature. 2014, vol. 506, p. 71–75. DOI:10.1038/nature12941.

5. Воротынцева И. А., Смирнов П. А., Данильченко А. Л., Якубов М. М. Интерпретация геологических данных на стадии геологоразведочных работ золоторудного месторождения // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 11. — С. 45–55. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_11_0_45.

6. Аленичев В. М. формирование геоинформации для диагностики состояния горного предприятия // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 5—1. — С. 217—225. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_51_0_217.

7. Ushijima I., Takamoto M., Das M., Ohkubo T., and Katori H. Cryogenic optical lattice clocks // Nat. Photon. 2015, vol. 9, p.185. DOI: 10.1038/nphoton.2015.5.

8. Hinkley N., Sherman J. A., Phillips N. B., Schioppo M., Lemke N. D., Beloy K., Pizzocaro M., Oates C. W., Ludlow A. D. An atomic clock with 10−18 instability // Science. 2013, vol. 341, pp.1215–1218. DOI: 10.1126/science.1240420.

9. Pizzocaro M., Bregolin F., Barbieri P., Rauf B., Levi F., Calonico D. Absolute frequency measurement of the 1S0–3P0 transition of 171Yb // Metrologia. 2017, vol. 54, pp. 102–112. DOI: 10.1088/1681−7575/aa4e62.

10. Lisdat Ch., Dorscher S., Nosske I., Sterr U., Blackbody radiation shift in strontium lattice clocks revisited // Phys.Rev.Res. 2021, vol. 3, L042036. DOI: 10.1103/ PhysRevResearch.3.L042036.

11. Hobson R., Bowden W., Silva A., Baynham C. F. A., Margolis H. S., Baird P. E. G., Gill P., and Hill I. R. A strontium optical lattice clock with 1·10−17 uncertainty and measurement of its absolute frequency // Metrologia. 2020, vol. 57,065026. DOI: 10.1088/1681−7575/ abb530.

12. Brewer S. M., Chen J. S., Hankin A. M., Clements E. R., Chou C. W., Wineland D. J., Hume D. B., Leibrandt D. R. 27Al+ quantum-logic clock with a systematic uncertainty below 10−18 // Phys. Rev. Lett. 2019, vol. 123,033201. DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.033201.

13. Ohmae N., Bregolin F., Nemitz N., Katori H. Direct measurement of the frequency ratio for Hg and Yb optical lattice clocks and closure of the Hg/Yb/Sr loop // Opt Express. 2020, vol. 28, iss. 5531, pp. 15112–15121. DOI: 10.1364/OE.391602.

14. Nemitz N., Gotoh T., Nakagawa F., Ito H., Hanado Y., Ido T., Hachisu H. Absolute frequency of 87Sr at 1.8·10−16 uncertainty by reference to remote primary frequency standards // Metrologia. 2021, vol. 58,025006. DOI: 10.1088/1681−7575/abc232.

15. Патент РФ № 2693551,03.07.2019. Гуров М. Г., Костин А. С., Слюсарев С. Н. Замедлитель Зеемана атомного пучка. 2019. Бюл. № 19.

16. Патент РФ № 2752462,28.07.2021. Гуров М. Г. Замедлитель Зеемана атомного пучка. 2021. Бюл. № 22.

17. Gurov M. G., Gurova E. G., Rozanov S. B. Species of vacuum chamber design with cryogenic cooling for strontium optical clocks // IOP Journal of Physics. 2020, vol. 1661,012140. DOI:10.1088/1742−6596/1661/1/012140.

18. Lodewyck J., Zawada M., Lorini L., Gurov M., Lemonde P. Observation and cancellation of the dc Stark shift in strontium optical lattice clocks // IEEE Transactions on UFFC. 2012, vol. 59, p. 411. DOI:10.1109/TUFFC.2012.2209.

19. Porsev S. G., Safronova M. S., Safronova U. I., Kozlov M. G. Multipolar Polarizabilities and Hyperpolarizabilities in the Sr Optical Lattice Clock // Phys. Rev. Lett. 2018, vol. 120,063204. DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.063204.

20. Middelmann Th., Falke St., Lisdat Ch. and Sterr U. High Accuracy Correction of Blackbody Radiation Shift in an Optical Lattice Clock // Phys. Rev. Lett. 2012, vol. 109, pp. 263004−1–263004−5. DOI:10.1103/PhysRevLett.109.263004.

21. Ablewski P., Bober M. and Zawada M. Reducing blackbody radiation shift uncertainty in optical lattice clocks // Proceedings of the European Frequency and Time Forum, Torino, Italy. 2018, p. 352. DOI: 10.1109/EFTF.2018.8409067.

22. Takamoto M., Ushijima I., Ohmae N., Yahagi T., Kokado K., Shinkai H., and Katori H. Test of general relativity by a pair of transportable optical lattice clocks // Nat. Photon. 2020. vol. 14, pp. 411–415. DOI:10.1038/s41566-020-0619-8.

23. McGrew W. F., Zhang X., Fasano R. J., Schäffer S. A., Beloy K., Nicolodi D., Brown R. C., Hinkley N., Milani G., Schioppo M., Yoon T. H., Ludlow A. D. Atomic clock performance enabling geodesy below the centimetre level // Nature. 2018, vol. 564, pp. 87–90. DOI: 10.1038/s41586-018-0738-2.