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[科技前沿] 正经说个硬的:原子钟

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  • TA的每日心情
    慵懒
    2023-12-6 00:54
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    楼主
     楼主| 发表于 2020-7-22 21:00:00 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
    本帖最后由 七月群山 于 2020-7-22 21:06 编辑
    : E* H' U7 T8 g- r8 d) y2 v
    " I. G& s/ Y$ ~* A5 `前不久收官的北斗-3(BDS-3)定位星座,用了一项顶牛逼的硬核科技:氢原子钟。4 F: b9 ?8 V( D7 i! [8 s
    , Z8 g7 U6 N3 e' S; t) X
    氢原子钟是通俗说法。正经说,北斗-3用的是一台叫“被动型惰性氢分子激射器”的时频仪器,简称PHM。7 i; _  r( D* N- q& s7 d, N
    & c; h' t4 ^. o- j, j$ W& Q6 {
    个头、模样大致如此,二十六公斤。! c, G# w, `7 Q/ V, p7 R

    9 ^6 }% E8 g/ k4 w氢原子钟,Hydrogen MASER(Microwave/Molecular Amplification by Stimulated Emission of Radiation),分两种:主动有源型(active)和被动无源型(passive)。主动型当然好了,是目前已知精度最高的,就是呢个头太大了些,要求的温度条件和材料也相当苛刻,在地面站没问题,上卫星就不现实了;被动型,就是现在北斗3系用的,精度大概好像可能是差一个0,但是比目前美国GPS的铷钟,还是精确了两个到三个0,也就是一百到一千倍,稳定性也更高,耗电量随之也增加了,大致好像是五十瓦的级别,用在卫星上还不是负担。4 i* H+ m& e! m- j; [! C
    ( r, L' b( o& @) z
    当然,北斗3系是氢铷钟复合的双保险,这也是新卫星的主流——在卫星方面,目前,中国自己,还真就是主流,平均两星期发一颗,没别人了。7 d+ E; z4 d, B% E0 s8 G

    1 k  B& X. ^( P: C' H1 h+ d定位星座,美国“老大”,大不大另说,老肯定是够老的;俄罗斯、欧盟也都使用氢钟技术的,但和中国比嘛,理论上是没有代差啦,而且俄版自称抗干扰(此话怎讲?)方面有优势,但他总共就24+3颗的实力,可靠性也明显比我差;欧盟的伽利略,用的法国欧赫利亚(orolia)公司的产品,虽说重量上有优势(18公斤),耗电更低,但毕竟是民用级别的,精度被咱碾压不说,最要命好像是,还没射过?" S& P" p' A' x

    9 H  W- v( H; W( x% |5 R还有一个印度,印度挺牛的。有一个航天科技世界排名的网站,把印度排在美中欧俄日之后;印度科学家不乐意了,说,如果把人口和总投资之类的因素加进去,印度实际是世界第一的——反正印度人的算数最棒,总能把印度算成世界第一,连韩棒都比不过印棒。背着手撒尿不服不行。
    5 W( z0 K9 b' I3 I4 }2 A- f
    9 x; T8 Y& k' d- `% _也许有人知道,在中国的北斗2系之后,大概是2013~2016,印度发射了7颗卫星的区域定位系统,叫navic。中国的几家手机为了抢印度市场,还想抬举抬举这个navic来着,不过印度至今也没搞出来相关的芯片,就更别提软件了。那这个navic干嘛用的?或者说有没有任何应用?这是印度之谜!
    , p1 h0 T% S. \! Z+ Q) h7 d* {
    & T9 e! E' _7 u0 l+ }' q不开玩笑,印度那威客的实际情况是,成网的第二年,一号星停摆了;然后补发一颗,失败了,到2018年再补发,按说是成功了,但其它几颗的可靠性明显的不行了。1 ~, q; i2 E" J' P" N) z/ i. Q  h* f

    : w( i4 Y( U& L! u啥停摆了?原子钟啊!当年,2013年,印度虽说自己造不出原子钟,可它买的也是世界顶级的法国频谱计时spectratime公司的铷钟,虽说是民用级别的,毕竟是伽利略系统的供应商,(就是orola的前身,orola目前也是华为的供应商),,,不管怎样,反正,在原子钟方面,印度目前是,空白。当然就更不存在军用级别的定位系统了。没有卫星技术的支撑,其它的,比如导弹啦,无人机啦,,,等等,都必须仰人鼻息,“大国”悲哀莫过于此。
    + ~" x1 u$ J) p) P
    - n! \+ k0 Q1 C& N) i" Q说些个大家可能百度不到的。3 ^( H# D, a4 O" J

    9 [+ Z1 c/ G+ F===前方高能===! u7 K, {: @  X5 X) F
    # j, w6 v( x" n
    原子钟的重要性,中国科学家早就明白,但是啊,新中国那叫一个一穷二白,看着hp——没错,就现在笔记本的hp,在咱炮打司令部之前,1964年,hp就造出了便携式原子钟,眼馋啊,哈喇子流一尺那种。
    0 _/ t6 H  S- u& Y3 U' ~; d/ T7 }" I6 K4 s, t! P
    那年,从字面意义讲,“时间”是掌握在美国的国家标准局手里的,懂吗,它可以是上帝,或者阎罗王。
    3 F/ @: E5 n% h# z# T
    / A& w5 a% B: B8 w9 g' Z
    : w2 j/ R2 o  E/ W& E* b9 V; ^惠普当年的铯钟,吊打全世界。/ c$ M& z! t* r

    8 F( x5 Y1 h) _7 K" |0 e, Z: d, t& o1 A1964年的我们,面上菜色未消,胸中“铯”心又起。裤腰带紧了两扣,就制定了第一个铯束原子钟的十年大计。不到五年,达成第一阶段小目标,我们算是做到了原子钟的入门级。然后点点悲剧,,,等到“文革”消停了几天,“余毒”还没肃清呢,英明领袖还是华主席呢,胡耀邦还没开始“敲边鼓”呢,,,已经有“臭老九”开始蠢蠢欲动,甚至扬言,要把失去的“时间”夺回来!# x/ R+ P" H& }  V- d

    ( j* x6 X$ T; }9 Y. z那是一帮时频的工程师。不对,他们那时还没有职称呢,都叫“技术员”,每月37元的工资,因为加夜班食堂会补一份肥肉很多的夜宵炸酱面而令他们欢欣鼓舞。但是我知道至少曾经有一个这样的美食之夜里,有三个蹲实验室的“技术员”并不开心,因为仪器故障他们当中必须有一个人去找无线电的小余来帮忙,而小余的娇妻是三线蹲放射性的,两三个月才回家度一下蜜月。谁大半夜的去敲人家小夫妻的门,那年月,挨大嘴巴。。。结果是小烨去的,也没挨大嘴巴。小余不到一个小时就修好了机器,完事也没客气,把大半罐子的肉炸酱都拿走了,因为他第二天倒休陪老婆,不打算出门。  B6 a$ G  j+ u3 M1 w5 M
    2 C, V, H+ ]0 Q" G
    时频,无线电,放射性,说的都啥?“时间”的原理或许你懂,可要把它固定在机器里,再以难以置信的精确度同时拿出来,是奇迹。) w! _- \9 K9 T
    0 I; y; ~' ?6 S
    1981年,时频的技术员们第一次“真正”做到了,精度达到十的负十三次方,追上了世界水平。“时间”从此攥在了我们手里,而且我们再也没撒过手。
      L7 E' t9 c5 ?# l1 R# _0 \4 o- s% F
    1986年,十的负十四次方。5 K3 i9 u3 k! s, q& p# O  `3 O

    ' i0 z5 l1 `1 ]  n2003年,十的负十五次方。
    ' P& n* U) O; D+ r. L
    8 O  z$ o: O; L  O, B9 |2017年,十的负十六次方。
    4 M1 g1 P, F! h4 P# S, n0 W9 `- D& F& X7 M# m- d* K
    这些还都是我们100%可以做到的“标准”水平,敞开了让你看,你花钱就给你做机器,绝不藏着掖着。9 o# T6 ~. |2 b% g
    ! C4 D& x9 A0 R" {9 a7 Z: B. e
    。。。# y2 I. Q1 n! e5 u9 c9 F
    ) Y6 e# P+ C+ N9 G! M0 L" @
    9 J+ s2 B1 E( `% {2 \5 Y# i" g
    今天,再去问时频“小烨”,他可能只记得当年价值九十元的真空管爆炸时的撕心裂肺;而放射性的罗阿姨,总会抱怨几句山洞里的实验室,害她犯关节炎;无线电的小余呢,对食堂何师傅的肉渣酱一直念念不忘。2 B. y5 b' u& k4 `

    3 R+ I0 H/ F  \& k; Y3 d0 F- F( @5 h* X  D5 Y1 S
    6 _9 ?1 h8 e8 i# }: L: i- a4 x. Q

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  • TA的每日心情
    开心
    10 小时前
  • 签到天数: 2639 天

    [LV.Master]无

    沙发
    发表于 2020-7-22 21:54:56 | 只看该作者
    国内第一台铯钟在1965年就完成了,领头人是王义遒 十年后铷钟也成功了。9 @0 h8 H0 e" l7 d) A- N
    真正的难点在于原子钟的小型化,这个是真的努力了好多年了。早七八年前2G往3G转的时候很多老旧基站都要拆除,所以市面上流了很多基站上带下来的铯钟,曾经有发烧友用这玩意代替高端恒温晶振来做采样与解码标准时钟。

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      发表于 2020-7-27 02:47

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  • TA的每日心情
    难过
    昨天 00:49
  • 签到天数: 2571 天

    [LV.Master]无

    板凳
    发表于 2020-7-22 21:55:25 | 只看该作者
    北斗系统据说让科学院上海小卫星当了一把鲶鱼,分了部分星座给科学院,导致五院大为紧张,双方竞争加剧而促进北斗代际加快。

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      发表于 2020-8-8 16:40
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      发表于 2020-7-24 00:11
    给力: 5 涨姿势: 5
      发表于 2020-7-23 14:27
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      发表于 2020-7-23 08:39

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  • TA的每日心情
    开心
    2019-4-29 10:01
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    [LV.8]合体

    地板
    发表于 2020-7-23 07:53:34 | 只看该作者
    电视台的3.58MHz色度副载波和授时台同步,可以代替铯钟。
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  • TA的每日心情

    2021-2-24 23:26
  • 签到天数: 590 天

    [LV.9]渡劫

    5#
    发表于 2020-7-23 08:17:06 | 只看该作者
    看了这么一点不过瘾,有没有这方面的科普书可以推荐一下,谢谢
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  • TA的每日心情
    开心
    3 天前
  • 签到天数: 558 天

    [LV.9]渡劫

    6#
    发表于 2020-7-23 08:47:43 | 只看该作者
    本帖最后由 忧郁金桥 于 2020-7-23 08:49 编辑
    * S9 B4 W! W7 h: z
    0 W/ w: ~6 D3 ~* w* ~群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);3 \' U; W+ B9 q) U! l- _3 C+ p1 u
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。# G4 G2 U6 S8 @6 w
    谢谢,“车旅系列”还能有第2季吗?
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  • TA的每日心情
    慵懒
    9 小时前
  • 签到天数: 3075 天

    [LV.Master]无

    7#
    发表于 2020-7-23 10:41:50 | 只看该作者
    每月37元的工资 ------ 中专起步工资
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    8#
    发表于 2020-7-23 18:45:06 | 只看该作者
    安捷伦的铯钟,现在还是只能让人望尘莫及的水平,据说现在都禁运了
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  • TA的每日心情
    开心
    10 小时前
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    [LV.Master]无

    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:45
    - a0 ~' A* W* U2 \安捷伦的铯钟,现在还是只能让人望尘莫及的水平,据说现在都禁运了

    9 K9 D. o3 g( p9 }- D5 @原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。
    * s3 b: \& ~7 f2 g/ j4 K5 U# b. x他家的铯钟在基站上很常见。

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      发表于 2020-8-8 16:41
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    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    10#
    发表于 2020-7-25 13:35:00 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:56
      \9 \! _7 Q/ G" r8 H9 x) K原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。' G) Z( Q' o) g/ V% Q7 T2 I4 y
    他 ...

    " w2 S' D0 ]. c2 l短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    4 [+ X& |' j8 S: {4 z( S5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    10 小时前
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    [LV.Master]无

    11#
    发表于 2020-7-25 22:56:14 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-25 13:35
    : |1 ]( }4 ^6 m1 k短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    7 A" n0 r0 _! ~7 j3 J5071A好像这两年不好买了

    # [$ t! I; o) t5 F" i这个短稳长稳有出处嘛?
    7 e6 ~9 {" c$ p& \- `# h. c! o1 Y, d铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩一半~~1 M- D# l# W- ^; B. X/ E; e5 g
    所以 安捷伦到底是美国禁运呢还是自个玩不下去了还得俩说

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      发表于 2020-7-26 06:29
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    12#
    发表于 2020-7-26 12:48:09 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-25 22:56
    * T( p5 N% l5 D1 U, `1 v这个短稳长稳有出处嘛?0 j. {4 m/ {* Y; b0 b! m$ s* p
    铯铷两种原子钟国内目前的厂家是天奥。恰恰就是这个国产鲶鱼让进口货的价格腰斩 ...

    0 r8 b/ |* h4 F- ~  ?9 L
    ( t) T% W/ Y* ?
    0 n- w6 y. P- \3 u2 E/ q0 X9 E没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图5 P, I/ g' H9 m3 R0 H
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的稳定性好,随着时间拉长,氢钟的稳定性(阿伦方差)就开始往上翘了,而高性能铯钟的阿伦方差则保持减小的趋势。

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      发表于 2020-8-8 16:41
    油墨: 5 油菜: 5
      发表于 2020-7-27 04:48
    给力: 5
      发表于 2020-7-27 03:03
    油菜: 5 涨姿势: 5
    学渣表示看不懂,但不妨碍表示佩服 :)  发表于 2020-7-26 21:12

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  • TA的每日心情
    慵懒
    10 小时前
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    [LV.Master]无

    13#
    发表于 2020-7-27 03:01:53 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:56
    ' i! l) x* s. Y: l7 [& T' q原子钟精度排名是铯-铷-氢 安捷伦之前并不涉及这块业务,后来收购此类公司才具备这个行业准去资格的。
    / {) m/ @/ C! R% e0 q( g他 ...

    ) ~4 e( n8 R6 R7 D安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

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      发表于 2020-7-30 11:41
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  • TA的每日心情
    开心
    10 小时前
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    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:48
    7 F2 b( K6 _5 B7 [- j没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    7 z& x1 ~$ c( ]8 Z这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    % a* R$ P: N- f* c# z" ]$ Z
    你说的这个是冷原子喷泉钟吧?传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。& S6 C3 S) R% f, `) w; J) E
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大了,只能空间站或者大型卫星上使用。* Q' Y) J: F' `; p' L5 g

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      发表于 2020-7-27 04:47
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
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    [LV.1]炼气

    15#
    发表于 2020-7-27 11:33:16 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-27 03:35
    : ~: r: h+ `, s你说的这个是冷原子喷泉钟吧?传统的铯基原子钟稳定性是不如铷和氢的。
    9 f6 p& ~: Z, N冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    ' b2 x3 k, r" }5 n8 z7 ^" K- o+ M可能高端的铯钟做的更好一些吧
    0 b/ r6 j/ X5 W从射电天文学的反馈来看,观测的时候都是用氢钟,利用其短稳
    $ S1 `9 m3 `, l3 n, K+ ]时间基准据说用的是铯钟,利用其长稳
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]炼气

    16#
    发表于 2020-7-27 11:34:00 | 只看该作者
    北京阿新 发表于 2020-7-27 03:01
    0 `+ b& q  J) c7 G( @% D) j安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    & @% S6 I5 y7 Y# X. S) b% D* \嗯,惠普 - 安捷伦 - 是德,不知道后面怎么变
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  • TA的每日心情
    开心
    2020-9-28 03:33
  • 签到天数: 17 天

    [LV.4]金丹

    17#
    发表于 2020-7-28 00:56:08 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-27 11:33
    - |% ~. G* R; [0 m! M' L; e% ]可能高端的铯钟做的更好一些吧" ?# V+ t, r; g+ O+ e: z
    从射电天文学的反馈来看,观测的时候都是用氢钟,利用其短稳
    ' w9 J  x2 \2 S时间基准据说 ...

    ) P$ j& x) B, i" D4 k, P2 H请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-4-29 10:01
  • 签到天数: 334 天

    [LV.8]合体

    18#
    发表于 2020-7-28 09:50:08 | 只看该作者
    时间基准就是用铯的9193兆谱线对的。铷是6834兆。
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  • TA的每日心情
    开心
    2019-12-31 23:10
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]炼气

    19#
    发表于 2020-7-28 10:29:35 | 只看该作者
    陈王奋起挥黄钺 发表于 2020-7-28 00:56, U8 o  _1 D! L. Z: ?: h/ D
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    6 S3 v+ l: f+ m+ I* [! B. x
    如果原子钟是放在一起的,可以本地直接比对,找出相互之间的差值,根据长期的数据,可以评估出各个单台原子钟的稳定性,用算法算出一个综合的时间,大家向这个综合的时间看齐调整
    8 z# ?% j, I# f  z" Z7 R- R) w
    7 t* p' b: O; |, U0 f+ v* N不在一起的原子钟,有基于卫星的、光纤的,等等方法进行比对
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  • TA的每日心情
    开心
    2020-9-28 03:33
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    [LV.4]金丹

    20#
    发表于 2020-7-28 11:41:34 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-28 10:29
      D( r6 l  a1 u2 t. d8 Q如果原子钟是放在一起的,可以本地直接比对,找出相互之间的差值,根据长期的数据,可以评估出各个单台原 ...
    9 b) U4 \- l3 ^# C- A
    像卫星上的原子钟,隔了几万公里,距离也不确定,真的好奇如何进行时间同步。
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