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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 % `  I5 x' y6 N% l& \: c4 @! h( n( P

    ! ], _) r4 H2 Y9 a6 J$ C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。
    ' F+ n0 g" M& ?+ n! z; I
    ' s/ p1 Z3 f) e! f: N% W, 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。9 g0 M4 z) D/ {0 J4 X5 E4 L  y" |- E

    ( g8 o, P# E1 x# r个头、模样大致如此,二十六公斤。
    5 x% |. d" k# M9 b
    8 Y8 r2 }' }6 G0 c# o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。/ g. Z5 D& h+ |6 Z6 L
      Y' t$ A, x( U: ^; R% y
    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。
    9 _& ?+ V* D9 `0 P
    ! @8 c8 W; Z9 y1 \  r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?
    . h% B8 F; R! U  w& C! k/ T. O$ j' O9 s# x8 \/ G
    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。8 q$ @7 ^0 U( F' y

    # |9 i5 A- R; Y* K" 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!& m' {  v* S3 ~

    3 V) j# r0 g* X2 Y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。
    9 ^; d" ^3 S5 S( Z0 D# B
    ( }9 D. R; _0 j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。5 I. l4 J7 N6 D( G
    0 ]% _" x9 T( b
    说些个大家可能百度不到的。2 ]) a7 w/ A! }" c

      m+ R3 i% ~% x- a3 J8 I===前方高能===
    " {, k+ I5 B" W. j6 `# h" H! A# x! W- y
    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。5 ?, K0 ^6 n; j7 s+ _' x

    % |- T$ X: M4 T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。
    - w6 _  i8 R! z4 h+ N$ h+ u  a1 v2 @4 `8 z8 b* O4 f$ b; p; T

      K) ^5 j: v0 w+ m惠普当年的铯钟,吊打全世界。0 Q; Q$ M8 A! x+ I2 q
    8 T) ^- n7 C/ L6 z& D2 b. s
    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!5 B  e' F& `5 v; v4 w- L
    9 h3 a$ G6 V0 L
    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。- y- H, j& s6 B! w7 P2 x

    $ }, S8 u& V+ a& [- ~( G5 }3 o, e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。
    , q- ~7 U5 I& V' p# B, u) e) A( Z: W  y8 I% T, q5 c
    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。
    & Z* P( o7 g, v6 e7 b  a! C. v+ P4 h- s- d5 M4 ]/ O( v
    1986年,十的负十四次方。
      ]+ S( N" M, e  @6 \6 N8 d! ]
    ( O/ g2 m1 W4 R( g' A2003年,十的负十五次方。2 G4 B$ ]& T" O5 `# q& I+ @
    * k. e, S. w4 E+ n, q
    2017年,十的负十六次方。
    , q% T4 p4 T4 ]' ?8 ~4 }1 H6 G' e
    0 r- g3 c5 D7 Y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。
    3 M  l( p/ E$ h" D& r3 N# V+ p& }: t( D& p/ G
    。。。
    4 `& E; l- ~) V: C0 f' o- R: o+ P# l% Q/ w7 c8 _6 b6 t& A2 i
    ) y, h- \4 @  [& E. E
    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。: F8 {! Q4 _3 q3 X% v

    % c9 [: w  N* a) e4 P0 A9 v
    5 Z  d% S2 ~, ?% y+ g1 k! t% K9 w7 \6 Q/ i- e" T

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  • TA的每日心情
    开心
    4 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。8 G+ L8 V% f) W3 W9 t
    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
    昨天 08:04
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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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  • 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
    前天 10:14
  • 签到天数: 620 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
    - _4 b. S% B+ L) G$ @& s
    ' i$ [* S. W' H群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    + E/ S1 A+ [2 ?看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。$ H9 N' D/ _9 U$ x3 c* @7 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
    4 小时前
  • 签到天数: 3529 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
    4 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
    & f8 O) [9 D( t0 Y6 _- G1 C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
    ( ^+ f1 ^, _! |# 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。2 A5 p- l& a5 }5 f
    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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      发表于 2020-7-24 22:33
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      发表于 2020-7-24 07:14

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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 22:560 X7 ]( ~( W6 P0 u8 Y
    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。' L) i* v8 q' z- I6 _
    他 ...
    0 m6 Z9 c0 _9 F- o! H/ z0 a/ D
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好. h+ g7 I+ {& H7 k  D
    5071A好像这两年不好买了
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    开心
    4 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
    ( I$ Z9 M. e! H短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好' l( C; Q+ W2 S& _* F- k
    5071A好像这两年不好买了

    3 k' c, U3 s, A3 N$ p, l3 _这个短稳长稳有出处嘛?
      q  B1 q- }! J% 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一半~~& ~8 q4 V4 e( H  u) I$ ~( p
    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 22:564 }" @/ M# B/ x9 O
    这个短稳长稳有出处嘛?0 ~6 R( c3 F, s) I; h" R5 }
    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 ...
    " h4 W* E( z' M4 F

    ! q5 K- y4 d! y5 _" `  j0 F# n/ W
    % a# F& u: z- c没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图5 c+ m- U% }% g4 y. E. q( 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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    油墨: 5 油菜: 5 给力: 5 涨姿势: 5
      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
    4 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
      ~) b* i6 \+ Z  r. S, 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。2 z9 \7 s0 {2 \/ k' p- ]$ @
    他 ...

    3 G5 O4 q4 _" t& k2 j* o9 j* L9 ]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
    4 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 12:48+ @  r6 L) L) X& z
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    6 l" e1 L0 t8 }这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    ' Y) c/ ^$ s: ?3 i- M. 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" T/ D5 V. C2 y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。
    ! g/ _9 M  |4 e9 H9 E4 \! G$ [! E- z+ X

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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( k& U" l8 Q& R: O7 l0 V0 }
    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。
    2 ^. P; Z; l+ `1 d5 @. s: D冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    $ K( o. p: z) _) ?7 x" Z可能高端的铯钟做的更好一些吧( E# R! p9 |$ `. I) G. g
    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7 q$ z' t% f* ~4 @; U
    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
    4 r1 e" p% E2 D; |: B. n安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    * c3 Z" K9 n* d# U, e4 c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 11:337 {& M, h1 u. Y' a8 h& U
    可能高端的铯钟做的更好一些吧1 U1 P: W( K- e+ s( h9 p8 I7 ?
    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! L! l2 j0 \& g% I) }6 D3 l
    时间基准据说 ...
    ! a$ L& X, S" u! j( v4 T3 n
    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) U; U0 e. a+ D/ J
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    - J+ }) e0 f4 ]+ P0 {7 d! T$ n9 G
    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, p( z: Z# F4 g* v6 }

    , O+ ^' z9 r( i# h9 D* j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
    - X3 }% R# O& L3 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 ...

    ! \% s! Q% t8 Z8 T6 F2 x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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