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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 $ p2 G  `# S" M3 _3 l8 u' T

    3 W7 N( c' W% X6 i1 }6 ]4 P6 t. @" v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。
    5 c9 H* E8 L0 G7 R0 V# t/ _0 d( m! g4 T
    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 T6 O6 n% A/ w( x- r
    7 T8 q/ g# D" ?- T* X! r个头、模样大致如此,二十六公斤。
    2 p4 `2 m: E9 h8 o2 o: R" [) r" k9 d( T
    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。5 V! G; T! l  N/ m8 _# \
    # X( s# K  o( {& D8 R& I# a
    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。: r' Q6 k$ c+ F( U, V

    1 |! w% `/ e/ o7 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?! \& W8 ^. o: G1 U) q
    1 e/ I# `0 O, U# C$ |) v+ h
    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。3 m' |  Q) H' y# F3 `/ e3 p

    $ T/ Y2 S" Z2 [8 O  X7 _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!
    ( \) d: I1 @/ g& ^2 n- z* y- |. n6 ]6 y! m, f4 x+ j6 `. ^
    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。. N3 ]7 L2 I0 [; b& x0 f% C" B# l3 T3 ]
    2 J2 }2 ]* @& t" q8 g
    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 V+ }, i; D9 U4 B, c, a
    & @% |' }: e. t* V说些个大家可能百度不到的。/ A1 S+ u0 j8 ?. \$ O

    6 Z& p) v* O$ U5 ^1 @! M===前方高能===
      V# }/ d1 a/ L) ^
    9 w& S; w& H8 q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。
    : d( t9 g& e2 Q; q8 Y$ z! [- H
    # k$ f7 Y. r* R" D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。
    5 R1 V. e: g% C  e: y( ~$ Q
    0 B  [4 J" Y+ ^/ K$ O
    * K- N! e; p9 o# t. P惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    ' T+ M+ P& h; M# `0 k
    0 q! f5 Y( L% [6 E& O* W- [( v3 e# B7 K1964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!
    & U+ |- q5 q2 _; W! @+ Y0 z
    ; @& n& v" J, q2 v, L) p2 ^% U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。8 r1 g. N/ ]# Q" T
    7 n; ]0 [" |! w1 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。
    5 j7 y# |/ Z8 [& d' q0 h
    . K2 m" e* ~' Q3 s: K1981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* e; [' v& |! L
    1 t) g3 r! b! A1 \! o$ T3 S+ m1986年,十的负十四次方。
    % T; J! e* l7 e+ K" W$ M* K3 P! _
    & x6 `1 B; }6 V6 @* j& g2003年,十的负十五次方。# C9 V) r: F9 T& H
    , Y) S4 [$ T! ?- e$ y
    2017年,十的负十六次方。
    , `5 Q/ E9 G0 e# Z; s2 Y/ j% U2 D4 [3 L: `% p
    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 [, d$ J- w9 y/ N3 P0 A0 d# `& m6 w; `
    。。。0 X/ [, f; R7 d& O9 X
    ; {' j% y: Y1 Z: f5 a1 v

    : [3 p" C# u, `" M/ o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。
    4 r( \: r5 F6 A& ?; b# L2 T* P1 s$ G; s6 Q( P9 y

    ; y' j3 ?' ~- d- s( G0 j' e. o0 c0 c( K3 m9 w$ u: s

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  • TA的每日心情
    开心
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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 z1 p# C* f% k: p# z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 05:57
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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
    2026-9-9 11:13
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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
    & a4 x1 ~  b- N4 @) ^/ O9 b/ y/ N* L( I" Q' A& F0 e! T" p
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    0 U# P$ U( Z/ b/ x% Z1 F看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。* r0 u2 J5 z7 u: _( K
    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
    2 小时前
  • 签到天数: 3947 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
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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 18:454 H$ Z5 L% r/ {) ^% S7 f# c( 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
    / j9 s( M* `: N+ {5 }
    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。
    ( H9 d: \$ V8 D$ Z: |; a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. z. |, `7 A8 f0 }) u' g- G3 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。
    . f: g9 u2 P# \2 d8 i8 r他 ...

    6 u3 t# |% }* `# B9 A4 C3 i短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好& b7 D8 w0 X4 ~7 a! w' h* m" l
    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 13:35- z( C% P& [5 w$ f2 P( Y3 t" q
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    / ?& i( [3 f2 n. }! C/ z5071A好像这两年不好买了

    . N: Z: |* @# Y+ z2 L1 Z# h/ J+ P这个短稳长稳有出处嘛?! }+ U: L  K; d( `7 f9 O' H
    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~~
    / G# x+ A. M+ e( ]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 22:563 s/ @3 u) y. f% u0 q# Z' |3 T
    这个短稳长稳有出处嘛?
    7 t' M3 w, t$ [7 O9 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 ...

    , Z0 k4 |# l$ `6 e/ k( l. j. v7 I: l  X# G* }7 u
    2 S1 [* m4 T% k5 S# Z
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    5 Y" {8 o9 S  C+ J' l( l  r* v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
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    2 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, F2 s0 B8 V+ 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。
    5 k4 y, i  X4 B1 J他 ...
    ! f2 o+ M. M: t# Y/ U8 x  `
    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
    & _0 q9 L1 R; k没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图. O% v/ @, L9 q! ]: H
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    5 x$ J3 F! e% m2 t+ l7 ^
    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。
    ) f* h+ P& G8 x8 \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。
    + ?9 v7 O6 S& Q* `. M4 E) p

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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
    % q( T! b4 p. v4 d1 @4 w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。
    5 r# U) _0 J1 l( H冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    & ?( R7 d) @9 {) P6 x& C* a2 N( U2 e可能高端的铯钟做的更好一些吧. ^- x2 Y$ O6 W& S0 k* H; 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* \( j3 t7 g" x$ @0 m* 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( b9 n( k" D$ A
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    & h' Z2 ?! j  Y8 {2 O) V4 q1 w
    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
    3 天前
  • 签到天数: 33 天

    [LV.5]元婴

    17#
    发表于 2020-7-28 00:56:08 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-27 11:33. m1 m0 z$ Y! Y- A$ x; B
    可能高端的铯钟做的更好一些吧# Y+ m6 l: ?8 o0 d; `
    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* S/ s$ ]0 a5 L: g2 x0 x
    时间基准据说 ...

    - l6 V; X1 G" s! L, L* g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 00:56, o- g" w' y5 P& L$ U' A) C
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    1 a$ z$ h. 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5 r) B" |$ I, w
    2 r2 w! n2 q/ G
    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
    3 天前
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    [LV.5]元婴

    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% D/ q' [/ @2 o& d1 M
    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 ...
    7 y, k! j  f" t& q1 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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