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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 / P; N- _+ w6 W, S+ i; x

    ) U. K7 D% J5 ]% m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。1 ?- z# m3 q2 _9 C

    0 _3 @/ y, n$ `; L, g* f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。$ G3 b* z9 M1 Q' J

    ' i8 {) B, m% r9 q- @个头、模样大致如此,二十六公斤。
    ) g& H# X3 }9 O( e0 |  p; H# c/ Z+ A; N; ]+ _
    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。) `( y9 U1 \$ v) t: O. o3 l

    3 f* r5 K% G0 F2 e7 u' N! w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。
      X# o# j* y' s; i
    ) E3 g/ u* p; O/ |4 T  ]+ W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?
    : ], _& A: {; F% B' o) `) A6 M' P# F  p
    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。
    + R3 P2 s( d( R* H* e4 X
    9 U& r& |0 g' T  J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!5 \( Y3 i" x1 ^8 s: y

    * {: Q4 a- y6 J+ J6 y. l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。. L: |4 C% `# }$ V3 Z

    % W7 q! [5 C7 d! |' 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。
    / k- H8 I8 d6 A1 d9 I1 k0 v0 T: c, k: y  u, V( m6 m/ L
    说些个大家可能百度不到的。
    % p. K# f$ v7 A
    ) O7 R$ Z: J# A===前方高能===$ P* G; h/ P/ ^) H
    2 B* t9 q4 j1 `- z4 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。
    7 t" [0 S" O6 t& Q6 d) z1 p6 p
    5 q2 L4 S2 l  ^$ n9 L( u, `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。
    , h( D" w! X$ E( J; x0 [  B+ z6 p2 H( K' C  {

    $ R; v0 \9 V9 a: [9 a惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    / i- I" g3 p% a- Z- ^( M- g% b* W  K( S( X( U8 b% G  h) Q( f
    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!
    " ^7 U5 y+ {3 M5 V5 ^' D9 m& q1 u2 i8 s8 w
    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。
    # C; u0 i' \* g% X& Z8 J& y9 a- @5 g
    ( s1 I9 \% ^9 B( K$ v5 _8 K9 u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# m5 s7 S2 K/ |% W: q
    # C& d0 N# G: t1 O
    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。
    7 d7 z1 Q+ |1 Q, u3 m- i6 X" q" {; c$ p
    2 P+ p8 B( q3 k, z! X1986年,十的负十四次方。8 o% D2 I. d) q1 }& ~6 J

    ; ~2 R1 }' E. U2003年,十的负十五次方。, w' v+ W  o7 j) _$ Q4 H( W
    - u8 S5 ~( z6 Q5 Z# n
    2017年,十的负十六次方。1 S% C8 L) v1 G) y! C. C
    9 w  K& y5 b% a+ 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。
    . j; i" c/ p. M0 n! R6 J" z5 j) ~1 @8 W( z5 Y
    。。。' T& x( P/ @9 r# @: R6 Z, D
    ! s; a' v6 u8 d! {7 @) i
    8 K7 e' j- F4 i3 A1 C
    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。- W5 Z# g! x5 ^

    , b2 C  N& X/ W4 j- Z$ P* q* s8 }) y) Z5 D$ S
    5 x% m# @# v9 N

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  • TA的每日心情
    开心
    18 小时前
  • 签到天数: 3415 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。
    + C" m( ~5 J, I. L0 i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
    郁闷
    6 小时前
  • 签到天数: 3304 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
    给力: 5 涨姿势: 5
      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 10:32
  • 签到天数: 689 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
    + ~9 q/ B9 A$ s; {4 K4 L6 `9 d
    7 O* ]$ J& H) v& y4 N$ k3 |群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    ) u: R! h# ], _* r看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    9 o1 }& {" l; _/ K% z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
    14 小时前
  • 签到天数: 3885 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
    18 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 18:452 M! s; k+ k5 ^* U% {; s: }: K
    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
    / s6 l1 Y7 A8 ~% i
    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 K7 A  J5 K; X' M) K" z' }8 ~3 i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
    1 @6 M8 o  o; I+ f$ D2 B8 d5 |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。, d6 I3 {" I$ \) A% ?! e; g
    他 ...

    / C' K  U/ L) N  o短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好# E1 F5 {' V0 g2 Z( w/ _
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    18 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: F' ^% \8 L. @) ?
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好/ p0 l- P$ x  O8 t" c5 ^6 R
    5071A好像这两年不好买了
    : V4 u! Q0 y: ?8 p( E
    这个短稳长稳有出处嘛?3 Q1 K9 a5 [; T: G% ^7 _3 k6 D* S
    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~~/ A; W0 t& \* C( p8 L
    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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    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 22:56
    ! a1 {7 B' j' n' @这个短稳长稳有出处嘛?9 J1 }4 g& X& l* C/ C
    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 ...

    # D* U3 p# z; D& q, a$ C/ _
    ( ?* y. k- G0 o( T1 W# B
    7 M' a. c- F9 ~; P( S0 S. c没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图/ [* ^/ e7 D6 K# G
    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
    18 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
    2 X6 {0 e& l7 I+ \' w! l8 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。
    * g$ O5 I, M7 ^1 R4 l% w* X1 G他 ...

    3 ]2 g6 I: `+ P, z) R9 U8 M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
    18 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
    5 K9 f; ^% n. s/ m' o, Z) w没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图% T! T; M" _, v! E: Y- |/ j+ T, Q. V7 l
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    5 g/ M: N2 x0 n0 r" n
    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。$ W' Z) h! L/ ~
    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。5 C/ g& q9 j, k. x. C

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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
    8 w8 {: r- j7 n/ Z" z) _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。: U) Y  z& K$ s7 Y, S
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    1 m7 `5 I0 R8 [: y. O( ], ]可能高端的铯钟做的更好一些吧
    , B% @" L5 D1 `1 ?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
      @; }( W- e5 k& `7 `8 x- u% y0 Q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
    , ~( {# ~, }6 B% e* I/ D安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    9 q, `8 h3 X0 D0 y- b& s# t9 ^7 S% p
    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: 20 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
    9 Z+ D9 C2 e# b" j9 c& c) F可能高端的铯钟做的更好一些吧! U) N' T# p1 a: L8 G0 O6 a
    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
    2 W# J9 d2 ]1 u7 e, \0 p" i时间基准据说 ...

    ) V/ q3 ]8 e- o2 {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 00:560 X  V5 g$ y! H. P' v, ^4 I5 Q8 p. c
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    * s/ C; B( o3 g, J0 v2 J, x' ]: n
    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+ G4 p' D% i; l7 L/ i% \

    1 k1 g- l9 E0 G5 z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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    3 天前
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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" ~' W0 }/ J- O. V( {; D8 `9 l
    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 ...

    ! C2 F3 ~; J4 Y' ^* E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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