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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 4 M7 k# f, W0 q- ^  ]# [

    % O4 N: J! c% e, N+ J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。- V9 k3 [4 ~9 _
    * l' U" E* j2 q2 q. `6 S0 s' I
    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。
    4 B- r, O( z2 x; I: z* p! e) A
    4 q2 N; e2 }( V/ B8 t- X3 `6 w6 D个头、模样大致如此,二十六公斤。
    ( Y( s. ]' z: M' V0 u1 s$ d  N( n  Y8 I# t; T( i3 Q" o7 b
    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。
    - x5 Y3 D1 A- C. y1 B7 [2 k2 b
    ' d9 l+ W, x" C* l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。2 j7 [+ k$ B' y7 m2 n+ s
    $ h+ q4 `3 k' m' r( V3 e1 j6 E( F
    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?
    8 P2 I7 J; B8 O( a/ P, S
    * a: V0 ^; P4 ]1 g+ O! u0 e! K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。) _2 Q0 r. y& l
    + k) i' J* A. _% T; X% z7 G
    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!
    / G4 M% ~& r5 J6 _3 [; O* h% @. N( t" C- M2 r8 m
    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 s6 ?7 C2 |4 x. q

    . ~8 ^. O9 y  i: n- w9 }; s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。
    1 }. w5 O4 X) V! ~3 F+ f+ H2 l7 t0 m
    说些个大家可能百度不到的。1 E' k9 V" F4 {( U& a8 X6 u

    . v) s, Y/ \& i% f+ u===前方高能===+ v1 S  W8 ^( z# b% t: u% Y
    $ Q6 _  e4 U6 X0 k7 F% _' l$ S
    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。
    3 ~1 p1 q. D% S( b; s
    # _  N; W* q! L' I3 G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。
    2 V0 H1 i$ l8 C  B1 T& E0 R  m4 K  E( E8 j
    0 b: {+ d! D; B5 R- U* y
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    1 m8 ?! p1 }8 P% k4 z3 o* p8 A6 J, M& s9 _
    1964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!  j% z8 C2 B' o# a- P/ b5 |
    6 T8 {. z9 q# `$ Q) ?
    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。
      g3 D* g+ a5 A: x* w9 W: Z6 z9 r' V
    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。
    ) l; |" U% {4 M9 D( }% Y! P  _' c4 s+ c7 |, c( d* i
    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。
    4 v5 P  d& s9 T) [+ M
    3 f6 n& Z% ]4 d3 Z1986年,十的负十四次方。$ @) D3 Y8 g$ t- v' W% @

    + s- j4 X: p3 m6 r! `, Z2003年,十的负十五次方。& M5 X2 D- ^) D2 O

    9 f! x: n' Y% K* h5 O6 ?5 v2017年,十的负十六次方。
    3 \& r! k6 u4 w1 J7 @( E# f0 O' \  }" b" ]: Z( Q4 @5 G' u; A
    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。
    + \  F  y9 ]* b" M, a
    3 T5 ?5 {0 H% {. `。。。; k* r3 {8 D' ~3 n4 L$ k% P

    6 l7 O3 V+ O) ~& G4 ^  r6 y* e3 a4 ~5 c# B2 ~+ n9 K) p
    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。
    . l; `+ p$ z- H: n9 m+ F" ^( k: ^
    ( |8 E; c9 {$ Y4 u+ q$ J2 _. F5 W8 P7 u- X0 i. A& v" A. o; ~$ p
    9 M. Q3 d* ?" i8 {$ S" Z

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  • TA的每日心情
    开心
    20 小时前
  • 签到天数: 3067 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。
    3 t8 W+ d; ^$ E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

    13 小时前
  • 签到天数: 2989 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
    开心
    2025-3-13 15:17
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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
    2025-7-12 09:31
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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 , l3 p* \$ n2 _6 A

    & v$ Q6 R. o8 s5 I群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);* ~( D0 R3 e; O0 Q2 ~1 _# f5 G3 y
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    6 c( U; |6 G/ F' S" i$ B; L& 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
    19 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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  • TA的每日心情
    开心
    20 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& ^. _4 q" b# C( C2 v& x0 W
    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
    / O# Q( N7 y7 U; O* f
    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。( u, Y8 m$ }; M/ [. N; N7 t, B4 r
    他家的铯钟在基站上很常见。

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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
    4 l! Q6 T5 X5 r+ k! i5 c+ B9 o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。$ u+ W, x0 {$ `
    他 ...
    % U8 f) `& M' N6 w% M, S8 U. y1 {
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    % Q$ @1 ^' i  \' G5 M7 O+ i6 V* O# b5071A好像这两年不好买了
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    20 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 {) V' }* q. \# C- E6 Y短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    ! H1 Q0 k( x; w$ N" X5071A好像这两年不好买了
    4 u  m- z8 f. o, J6 r8 Q
    这个短稳长稳有出处嘛?
    # W! D) z, W: c) c' 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~~2 _. K) r/ P% g6 r) k5 V
    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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    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
    % v. E- h2 u% U7 s7 u0 y: C! o这个短稳长稳有出处嘛?
    $ x; g  Z0 G, N, }3 \: `6 T) U( s8 \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 ...
    8 ]! }" g+ N: q% {) f8 S, Z# z

    0 M, P: z( n1 w  |+ K" q  E9 a, ]2 I$ J: L9 C  G' c7 r- h" Z
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    " a: E" U4 C* [# N- W/ _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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    20 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 22:567 \- }" R5 U6 M: \9 [. H% u5 r  u
    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。& n; T7 _( [0 t
    他 ...
    6 }: {: ?. m9 ~( N$ [
    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
    20 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 12:485 ~3 {6 r# J3 i. l& N' V
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    + A/ z  T  Y' m7 Y& ~$ O/ p这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    0 e, q. \/ _) w- B' G0 W9 M7 y: g
    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。
    - v+ M' |- |" _- J' N* [% j6 V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。
    " F& H$ o& z2 o, T6 O, |2 s% C* 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( I& E! e$ \
    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。
    ( K9 K' z* a# B) [& Y, s1 Y) F* z0 w+ k% L  `冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    7 L* u: r  V6 J. [9 ^* u6 F: j; r' m
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    3 a( q, e- ?% w, R7 ~8 K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
    " T6 _  h1 `8 [# K0 e/ w* s- y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. S& F; b" _/ K
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    * n9 i* E# o4 [! r/ u1 C6 A
    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
    : E9 Y; k: _9 U: ^7 I; n) y可能高端的铯钟做的更好一些吧8 _( t6 x% c  b% |4 e+ z9 E6 _
    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
    " y4 l% |; f/ ]# m时间基准据说 ...

    - W1 Y* J/ }0 [) C. ~( i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
    $ \7 G- B# Q$ [, t+ C5 M% Z8 l请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    $ y: r1 D& q9 ]0 x% V
    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- W0 w8 l0 s# @5 M5 {& s

    9 c* O! |* P5 S* S2 P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
    : N( Y9 ]4 \7 g! f: ~$ 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 ...
    * D! w" j/ D, i9 D2 o
    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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