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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
    * Y" ~0 q6 Z3 {: R& c
    & c* U4 A% |' B$ e- X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。& n/ f9 l/ g. o: L" Q9 Q

      n' `! }9 Q5 N4 ^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。6 s; @$ N9 ]9 B3 R* H4 o

    , J" J% j! {# c# D# E! \个头、模样大致如此,二十六公斤。) ^/ i/ N' ?4 V* o8 D. g
    , n' Q5 h2 y8 M/ i
    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。( J$ H- Z% l  Q- {5 b) B2 R5 |

    + H6 G/ S( o7 k9 ^- o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。0 o$ `) ?$ I. {  i8 J( g8 h
    - b7 Y1 q* q' M/ M! b
    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?
    " V8 A% v% h; N0 e# `# x6 l0 O
    : S! h/ Y4 \2 Y7 z2 @) x2 P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。1 H! X" }" ]1 \' P6 T  L2 X
    3 R, s9 g6 N. l# b$ S) T
    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!
    0 j/ f2 X  ?. K; I8 r7 @$ h4 Z; n1 U+ V( N
    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。8 {: K% G* Q( |
    ' f( [# k& h# |5 `
    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。$ `+ U; i, K$ z

    - j  k- s" t' C9 k说些个大家可能百度不到的。
    3 ?9 j; Y! p$ ^, X  S: j8 x  \4 E$ D- \2 \
    ===前方高能===
    4 Q# }" \5 O' h! Q7 j9 N
    ) {, S6 ^. G- B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。
    # s+ l7 s4 [2 w# V7 E! K  l
    4 D* k6 k  \4 ~' a  S) B* S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。8 @7 e0 L* R: l; z
    1 |& B7 ?, Z! e6 i8 H% S
    9 G& r5 q* v4 X, k& Z$ D! k9 n
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    " _1 T1 @' X; a& p/ ]9 N
    , Q( x! h" l/ g7 t8 E7 U1964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!
    " F" X$ o( V. s9 V6 W+ @2 B
    - [3 t% d( H7 e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。
    5 W# l4 m# d0 E- z, j# l9 A* B4 K) q. u6 i
    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。0 ~( p* w7 m# o9 v

    : I! O- p; J! Z1981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。
    & G- \4 u, C8 a! P* j* k7 i3 C5 c. j; N% o
    1986年,十的负十四次方。% ^% ~4 O% t: ]% m# M

    , e5 D" v- ]& R1 n% y2003年,十的负十五次方。
    ; }  z; s) j' w6 g  c$ m* C, U
    " m7 }- `, a& S/ m1 x% _4 F2017年,十的负十六次方。5 Q5 o  K4 u/ N% I

    . t& \5 Q8 g9 v* 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。
    % t$ ?/ B5 M' j; E3 p$ n- `9 b0 q, O# z
    。。。
    & W! J7 i9 l* I
    # p6 N' i9 |( x" Y2 K. F: `% ^
    ) X  x# @4 I, {) ~! \  q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。! z8 ^# Y; L9 U  X+ g7 U

    ! h; p, ?) r5 F$ n: U9 X9 D8 q

    * q! x/ D4 \2 x

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  • TA的每日心情
    开心
    15 小时前
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    [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。
    : a+ l8 s% o, _* Q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
    擦汗
    9 小时前
  • 签到天数: 2602 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
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      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
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    [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
    2024-5-19 10:46
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    [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 . F5 y7 \4 t5 O4 n! X) S& h
    6 y1 R9 l- f" U  U, y
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);9 I9 d5 U4 P" ]  p. D/ N
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    % s. d+ w; ~/ T2 G* a3 U/ l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
    15 小时前
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    [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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    开心
    15 小时前
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    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:45: \( r; Z7 l; o$ B7 y$ S
    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

    $ r3 \: j3 l3 T/ m3 p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。
    ) a, E6 Z5 k6 S他家的铯钟在基站上很常见。

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    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  a# b6 Q) G1 J/ o- T
    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。
    + Y3 O" b7 b5 `  h他 ...
    9 g( B4 W2 @: h* v* G. M& J6 k9 P+ V
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    ; @! t/ W4 N% J; ?5071A好像这两年不好买了
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    15 小时前
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    11#
    发表于 2020-7-25 22:56:14 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-25 13:354 M. Q7 e$ |' I) A. m
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好' ]% d4 C2 Y1 z. y+ N' S- N) T
    5071A好像这两年不好买了
    6 d' v1 n( o' H( f
    这个短稳长稳有出处嘛?
    3 g2 l: Y, q9 ?5 k: `' A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~~$ ?8 l: m5 ]% o
    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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    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( k) S: ^, f, O& v& a/ B) w$ V
    这个短稳长稳有出处嘛?
    : s/ H  Q, `, I- u) K7 Z* M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 ...

    " b8 n/ s# r4 F6 ]
      m9 T4 K9 P  a+ ~3 @) ]9 J
    9 P0 g2 @! ]5 H& r. C, J没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    ' p3 @# X* G5 H! F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
    15 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
    6 e) z* c( e. H  B% ~6 E' p  p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。
    0 d- y1 L/ U/ H" N4 r他 ...

    ) U; z' H5 f; o; a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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    开心
    15 小时前
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    [LV.Master]无

    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:481 e" ?( q' `* Z1 J3 z  H
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    & V+ g' E# p) H& n, e/ [1 F2 @, C这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    * D/ ]5 s7 C- c; O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。" L# _2 }5 D1 Y. O8 A5 j0 t
    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。) D% z/ B  y- f

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      发表于 2020-7-27 04:47
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    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
    " i- F* f$ o$ T3 m2 O8 X3 J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。
    ; N) Q: S2 s  a# k7 H4 R) N冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    $ W( @+ D1 {9 C" n' D2 W
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    1 n2 j* F) Q0 G  G2 |7 K" B/ q& B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
    ! P* F! K) ]4 p' I4 ?# R+ e+ V9 a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/ J% A2 E" _4 `# B+ S$ ~
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    & K% r) h/ [9 L8 h( S, 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. i! m4 E- d8 \2 W' X# O
    可能高端的铯钟做的更好一些吧: r7 u+ S& Z, N- L  r9 Q# |0 Y% {) n
    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* ^8 T' p8 g# A; i) P
    时间基准据说 ...
    2 {! O3 c1 l! i3 b6 D9 l2 n! T
    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
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    [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 00:562 \) c. J  z! C% R# [9 h
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

      b0 M# Y# B" W0 n- I3 z5 d# 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; z, n. u" O5 q8 ~% A; S

    # q/ F$ g8 w; d! C: E" v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
    , @" Q! W" o1 i9 _& {3 `* A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 ...
    " _4 z; _/ V8 E
    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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