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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 2 F8 b6 R6 {! S
    5 S! @+ |6 P' {
    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。
    # K7 k# r  {0 U$ I4 y" ^
    0 I  w7 y" l6 b# r8 r+ i0 p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。
    . _( Z7 T& i% y8 d/ v& }3 f/ T6 T0 K! b: {& d+ q( ]
    个头、模样大致如此,二十六公斤。) g4 f& M* P$ I  X9 b$ {' _, F
    - m: ?3 V3 ]- ]
    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。. Z5 c- c9 i/ f" s. v4 X

    . y) T7 q$ u+ e( K6 m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。
    ( W- g' y' R2 X2 [! U
    % f: q9 W5 V2 u$ s( Q0 Y# ^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?
    9 ^2 w8 S$ t8 z' i% ~- s5 ^2 L3 d1 I) M" A( C
    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 g9 C0 T4 T$ s4 I
    5 B; J1 V5 o  m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!. L: e8 V0 u& c, F

    0 C  X) h2 o) D. D1 q& g' e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。( H0 n8 e* @/ B, W/ H

    ' }) b# D& T8 N* u* I5 P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。
    " o) A7 [: u) N& f; s! |
    ( W8 }! ~/ K8 Y) M$ [" V- w: i说些个大家可能百度不到的。
    4 ]2 Y( C0 y, l1 A
    ( }) S4 d6 w0 E0 j  w! t6 [===前方高能===3 O8 K7 [( J  ]& l

    : a: \" @1 @4 W$ P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。6 L- ^. g! H9 n# M
    ; ~/ I2 e/ z' o
    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。
    + |6 \! P8 y; d. h. W1 H, w- J4 D" G& z9 d$ Z/ T& R( [1 y3 O  z

    6 l# f- {& A) g( V: s4 e+ k1 {, V惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    , P) `2 a( B! F) @+ K, Y' U9 y8 J9 a# a6 y; Y0 p) T
    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!
    8 T( A6 Y& [2 E! V; c9 M  M7 g7 T  U
    , Q0 W5 b/ Y# _8 i5 z$ i* g/ `1 G' ]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。
    3 P! W/ l4 e$ r) x. m5 T  \$ }  X! E) w/ R
    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。2 @+ W6 G; m) b9 l

    ! H7 w# f% _1 D  D; \& e1 M( 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。
    # o/ h+ k1 K: D) K7 H
    6 q% M6 W- ~2 ^: b1986年,十的负十四次方。
    - i) Y! X$ i9 i0 w3 H7 S) O7 l8 g7 ?) c# u; ~$ s. i6 Q0 M
    2003年,十的负十五次方。
    6 i8 o+ P& G- V" d7 J+ X# q
    # `. g/ A$ t  `- q! w  N' {3 z2017年,十的负十六次方。
    : R0 P6 s' e& Q& s4 H" w1 @( h
    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' d( A0 k3 C3 W
    : {# H$ w( l9 U% i! ~! c+ g. T7 I。。。
    4 x$ \& C5 `. t) ~1 i# F. ^9 }( n5 y2 `" ]& s( w

    : |( p8 p7 g6 O; ~8 k: K7 \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。
    & I* i, l0 X! \2 P4 \9 `0 g. @* c0 m3 f
    ' K* r" D, I$ v

    5 U* U9 C! L* {& |! [

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  • TA的每日心情
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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。0 t) r) D/ `6 j$ Y) a9 S
    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

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    [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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    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
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    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
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    前天 22:46
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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 * Y) m6 r- m, c5 |7 L

    + m4 z: i- z9 ~* r; U, Q% V群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    4 ^  U7 `" D( e+ V7 ~看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。# R5 ^3 a( }; u( i* _9 q' S5 L9 v
    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
    1 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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    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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    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:457 H; t  n9 r( T/ Q
    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
    0 S+ a( @2 {0 d' 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。
    : ]4 V" P0 B- u. A% K他家的铯钟在基站上很常见。

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      发表于 2020-7-24 07:14

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    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
    $ g' T$ p7 e2 C9 R6 e" x7 _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。/ E9 _. @" k& _) `
    他 ...

    ) N+ k) U& g6 V7 P5 \' g短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好+ L3 ]# M( p9 ^$ H
    5071A好像这两年不好买了
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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 13:353 s% }1 x* x4 X+ m2 @. p
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    , t+ J% U6 k  x; K( @5071A好像这两年不好买了

    ! w4 \. d, z- I这个短稳长稳有出处嘛?$ n, N% g( L- o% x7 o1 u8 Y+ J
    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~~
    & J' i# ?4 Q( Y  o7 P8 }# z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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    [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 22:564 y9 f; p1 L% ]  G9 Y  A
    这个短稳长稳有出处嘛?6 J$ O, L" Y* M, b; ?
    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 ...
    # ]9 E/ d3 M0 L$ M1 O

    8 X4 M% j+ K6 M  j% F, I4 s, q  `% j, b& l4 {0 M
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图& Q$ y: I4 r. i& h" {1 t
    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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    1 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
    4 d/ u2 D. F2 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。
    6 u1 a( h( t( e4 k! J" ~2 z他 ...
    : B9 M$ w+ p- Z$ T; I) S
    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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    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:48# E0 T  N. P7 ]7 ^8 q* g
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图4 D; r  B3 M; E( l9 i% I) k! B
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    8 ~/ T( h( k( X2 }: L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。
    ; j/ C, U* W! f5 L3 `7 U( N6 S- r8 I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。! G4 D7 o. @! n: i; t/ @. h

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      发表于 2020-7-27 04:47
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    2019-12-31 23:10
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    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
    - A/ S1 r- L3 s& o6 v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。
    " E1 q& f5 W% f$ Z冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    : j* I: C( S. k4 P# m7 E0 @9 y
    可能高端的铯钟做的更好一些吧+ W! o9 J' ~, N) B! I4 L
    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
    , ^5 Q% J3 P* f, ^9 h+ A时间基准据说用的是铯钟,利用其长稳
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    开心
    2019-12-31 23:10
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    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
    " k# M/ `" }- K. }安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    9 ^( y  n% d6 y& f嗯,惠普 - 安捷伦 - 是德,不知道后面怎么变
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    开心
    2020-9-28 03:33
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    [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$ Z5 a. B# f# Q% N
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    . j, z9 Y" g- g; O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; B( L5 z  x( d) ]2 k  u. G
    时间基准据说 ...
    * u6 a2 c$ Q3 n* }7 f
    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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    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 00:56' m3 n+ g6 Q& x$ F  j  o
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    1 h0 @; [- D, u- ]/ a, D% P4 s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
    . ^* S" i) C4 ]# n
    # o. L2 _/ M0 J' b4 i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
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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
    : x# I) D6 D% G! f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 ...

    ! C& E9 T6 R; q' Q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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