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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
    ; m9 _! H( ^5 T3 f9 |# E  Z  H- s8 G/ ^
    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。" U! h2 W: x: k1 }

    " h- Q* ]# W7 p- R6 [/ 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。. q$ n; V% ~& Y0 e2 U

    * i+ `; \7 n' A8 W8 K6 e) r个头、模样大致如此,二十六公斤。$ {8 U# _8 Z* M$ l  w
    8 x/ N( r# L  Y9 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。3 @6 r; E! h( O! h2 {$ S
    # h" E- z( J4 H3 p& h" S$ ?
    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。5 h5 j/ E0 k' b- d

    # C% `/ L3 V: E+ l  w2 G7 _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?
    * ^& T0 E1 x# }8 j; U4 \/ O- q1 c) r" a9 v: b. J( O2 Q- J
    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。
    : k# Z" F# T: E1 U7 l$ W& R, l4 G/ e" J7 u( W! [2 f6 x
    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!
    : O8 ?. j2 B$ P' k/ C
    " C: S$ |: j# F* A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。; i% r, i6 j) o* K) f
    1 [5 e, d3 @5 ^$ Q0 B! i
    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。9 S( y/ N3 J, A, {# f' W5 |% l

    ) _) g! r& p# U, C+ R说些个大家可能百度不到的。- T8 M$ [2 v/ x. W0 B

    ' T) U' e1 z$ [0 r===前方高能===- _3 Z# F* G: m7 `( N2 \! }% I

    , E# v% W" z, K% U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。
    ; @, u; W1 D8 w5 r9 _
    $ y( k# S0 K1 g/ \0 A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。$ M: \2 U# T# M9 c( R5 V/ ~+ e- |$ R% c
    ( t. f' C* n" K0 c) _7 {: }  u1 `

    8 ]  j. B% P1 X' H% k6 h7 d惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    $ L) C, k' p% p! b5 ]/ t3 k6 W  ~6 ?& e5 p
    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!: z6 m! G, H) f& W1 O+ y) Y) R$ \

    ; @, k" b0 V: |- c/ D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 k7 Q2 j9 j3 d/ c0 [* r" T
    1 o' O# k. x  C
    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。! O" ~4 p& F2 p( I9 T/ i4 H: G

    $ l. k# n4 Z$ P6 R  D1981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。6 f: _% @' v2 Z! R& p
    ; f! n/ g% Q3 p( c
    1986年,十的负十四次方。" a  Z6 P) m0 d) h
    ; w" _1 ~1 N3 c8 E! u9 ?
    2003年,十的负十五次方。6 y# z2 z/ a3 ]) H5 s6 w& {
    . k! b( X! U- i+ ]
    2017年,十的负十六次方。
    1 N' g3 w0 _, \+ H! w) ~/ d7 d& _% _3 G" V
    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。
    1 F7 U, @  j! B0 x: j0 h! B* q% k" l( z9 ~7 i4 \
    。。。
    9 }% ?+ ^* U; p3 h$ A
    " E( m3 d( t; `$ |, H! _' Q5 H
    & ~0 V* V& m  y5 f3 _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。
    2 u/ m* S9 {" \' Y, D6 b6 C
    ! U6 S$ c, ~- u$ u) T
    7 s& {* Q4 `) h3 N$ z: ?8 x" q' z: z0 x9 G. Q$ Z1 H

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  • TA的每日心情
    开心
    10 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。5 ^- w/ ~' Q! w5 X7 B
    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
    2 小时前
  • 签到天数: 2990 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 1 }) ^2 l) [9 Q/ b6 ~
    / L  x* Y, M3 U" [
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);9 h- |4 T2 k4 b7 D
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。' v- R7 b" E& j/ j3 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
    10 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
    10 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
    7 {) N- N0 e" u" \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

    % v  k# ~& p/ D  E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。
    . q  v2 i( c* C: V- |" H5 A$ n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
    3 z: p& g4 Z5 f+ V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。, y( G" u3 g4 k8 I+ ~
    他 ...

    ) N& b7 K% z3 Q0 V1 U短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好; ]. \% o! y6 {/ k" j
    5071A好像这两年不好买了
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    10 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 13:35
    ; ~3 y6 L. Y) {: J0 b短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    : h8 _$ B6 U- A! Q; |5071A好像这两年不好买了
    6 I  G- c2 K" ]$ v8 }: S" a8 t  G
    这个短稳长稳有出处嘛?
    7 O$ b8 H' b9 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一半~~, M: E9 n* ^) e4 @4 @& `( M5 S
    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# w3 O9 U" l$ g
    这个短稳长稳有出处嘛?. V* M, T6 g; U, u
    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 ...
    & O$ b/ f7 d: h( k( |! `0 ?! C! W
    * _9 {( _. Q9 h8 r6 g5 n0 C( b
    . N) b7 @* s- ^) @# ~
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    , [4 |- G8 q6 t8 R9 m  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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  • TA的每日心情
    慵懒
    10 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
    . G, D( y7 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。4 k* O( ?8 [1 R  l9 G
    他 ...

    4 _$ ~4 G- x' a# M3 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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    开心
    10 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( Y4 c- L; l  C9 W4 C
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图) M4 f8 o5 R5 d; e7 E2 N3 e
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    3 Y7 `: v! @$ i, }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; N7 h, S" ]3 [0 _# R0 G$ E4 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。
    ( _. s) D$ `) 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
    - x" O# x4 t7 t1 p) h; r6 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。& `+ ~: y: O( O! k) n
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    ' A. |: b" r9 L. m) i
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    0 \4 d& B( V. Y$ d* o0 s2 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" c  l, I8 f9 _1 B2 z1 i- G9 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- h2 R5 N. }- r* o  T- I7 H
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    # c3 X- W* I! z; O( v( i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' {5 C9 L3 J可能高端的铯钟做的更好一些吧$ T! `% @- e' Y8 q; H
    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1 f0 e3 S5 w' O$ s  o3 b8 Z+ v9 f
    时间基准据说 ...

    # n' u1 M" n( c; ?; U1 f( q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
    4 F! w, A& P. I2 ^- ~7 z请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    * e& n$ b- P+ t0 F) |! l/ V4 \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  \& y; O4 F9 l& A, \* z
    ( S+ w* E9 V% z/ J( 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
    1 W- H) ~) O1 q; [; u% t! L0 k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 ...

    & E% r5 Y+ H/ ^* f+ J2 Y% K  A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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