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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
    / {% Y5 o" u1 }! r( V7 C$ o/ d7 k' N! v* H3 @
    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。3 s* G/ ]7 L% s8 J- [
    4 }& N+ X1 t- ~/ y( x" 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。) W* D5 Q) x9 [0 q- ^3 }) m/ u2 i6 f

    - S# O* p2 y' W+ d4 u; w个头、模样大致如此,二十六公斤。0 V, }! \' _0 ~; D1 M3 i8 p

    % ~$ x3 k5 q6 Z5 n+ [' _: 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。- @7 G% B- J4 H$ T  _

    : _$ C9 _( Q8 B2 |- U' S; c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。0 f# ^% P+ w* N7 \1 T
    ! Y! v9 T% g) i) l2 }
    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?- d5 h" ]: y. y& q1 D" F( e

    $ L5 y4 e7 X3 @. r9 ~6 T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 r- g& }- c3 j* V3 E( K  C4 h# U9 a
    ( q* v$ t3 {' z5 z: Q+ V6 S* q
    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!: K" I: b: w# G7 w0 `1 h7 R# j

    $ R% t! V# Z! X' e6 g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。
    ( U! f9 H7 d) T3 l
    4 W/ x* z' r5 M! |% _, C0 R9 q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。
    8 E( y" R% U  E- W9 m7 @
    . O- j/ F5 v0 M& R说些个大家可能百度不到的。
    , H( t4 ?. p! z
    1 I2 ]( B  B8 S2 o: [- n===前方高能===; R# F, M7 x6 L) ], D; b

    / X5 R9 `& w! P8 j' `, a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。
    4 o/ h. {6 U) M! q" u' R0 m3 y7 U5 L% S4 t) s
    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。
    , o: k: f. P' K8 l: r
    7 J' N4 x4 v6 c- O& e1 H0 N3 n# z: C: j1 z4 b
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。/ t: @  u. t+ A8 Z% \9 `( a

    3 Z- t) x' D: `: n6 |/ Z; s1964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!4 ]7 y- V* b: \& H; [8 @
    0 u- s8 p! l0 T/ {+ x. K) b8 w4 s& J
    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 S# M5 S# e0 d& y+ F

    3 ?: t! t- V5 h5 p. y* [8 p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。
    ( a3 y$ X+ j* N; [. e9 K5 B: d6 X" R8 Z0 U0 \7 o) r) A3 V
    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。
    - w$ r0 \; q1 O0 T0 B& x- s' F  B6 ?
    1986年,十的负十四次方。
    + `( F) l* X& C5 Q- g
    5 j8 E* g! G9 P% e( @1 z3 |5 n% e2003年,十的负十五次方。! |+ E. {  _. d# }9 k& U# {
    3 j( j, t8 U" F0 b4 |0 h
    2017年,十的负十六次方。) l3 @! \  v+ y* A. q
    5 q( g# Z- K5 s5 b/ z# c& M
    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。; M5 X  Q( K$ N3 s( e" P3 h
    / z. D8 A/ }+ F2 A# J
    。。。
    " u' H6 z' d& ?3 {% j, Q( Q2 t: N, q1 s7 v3 N4 d; ]
    * p7 N) _  l% L9 f  N2 f
    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。
    ; e( T; l  L- ?
    6 |' a& x7 R6 K, x( J
    , m+ Y0 H  E5 X. _
    ) D5 M" V0 c9 b: H, s

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  • TA的每日心情
    开心
    21 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。
    " [# B9 w& B! a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
    13 小时前
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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
    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
    - `. M: l* [- r+ i+ w
    * A3 Q+ m7 Z* k群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);- F- t4 x5 C4 V7 k+ W
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    ' L* }, H& h5 \  Z% |/ D/ b5 b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
    21 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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    开心
    21 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
    / ^1 `# S. D3 N/ ~2 ?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
    ) u  D& ~" k  V$ s
    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。
      b( W: s7 C8 {( w. q2 A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 07:14

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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
    2 w8 w# B2 w1 ^& g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 q$ R. \9 r) o: P( ?$ I6 y他 ...
    ; c- @3 Z. r, w# k5 N6 o' Y! |
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    9 m/ O$ c2 o4 s. O: [$ t7 W3 v: M5071A好像这两年不好买了
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    21 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
    6 m9 U1 |/ m- C' P7 x短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好& o# Z5 D7 V" D) L+ @
    5071A好像这两年不好买了
    2 ?9 W8 i, Z. s+ K6 y
    这个短稳长稳有出处嘛?
      w3 D* n4 x3 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~~" [8 y8 v. g. o0 B6 C
    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 22:566 b1 K" e5 M6 a; a
    这个短稳长稳有出处嘛?
    4 s+ {4 A- w: G4 K  E, L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 ...

    5 C; R4 t1 r+ O3 ~" u% v, k; N% [' D) N# f6 Y8 L
    ' n, z" A- A% P+ L- s7 f
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    ( P0 |% P/ k* J# Y; F6 ]6 B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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    21 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
    ' |8 Y2 d7 B" w" l" A) h- i- J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。
    + R- ^7 X! Y( R" f/ E! l他 ...

    8 v( @2 s% W) l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
    21 小时前
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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
    , W) B& `: V: z, m9 ]/ b4 k没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图  B" Z0 {  d$ o
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

      A% d: J  D' R4 z* h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# N1 s" }9 b$ j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。
    ; H5 ^( U+ n, }% _' K' G9 |

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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& D& e) \! |( g
    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。) u8 B2 }. J8 Y: S6 p
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    9 T- r! l1 l6 d) [- i, B可能高端的铯钟做的更好一些吧
    - u' C" i' |' _% Y+ 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: Z! b) |) D2 j6 _" z
    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: ^- j8 b: R0 R  X. P# i
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    ( g5 l2 e# `# n! e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
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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' p1 K- O: ^: l1 o2 L- r8 h
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    ; h' u' O2 ?. s/ Q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
    3 H3 _, Z+ M7 {$ d4 L+ z时间基准据说 ...

    ; _; d% d( V) @0 x) l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- k0 u1 ]' W: a) r" N0 N! c
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    7 w" Q3 ~* o: [$ J& e/ a; [5 j9 t/ ^
    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2 t4 U$ _% Z* i5 C
    / Y9 V$ A2 f" v$ x; ]- W( S
    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' F0 D7 {3 S9 T3 X
    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 ...
    / \. R( ^4 L' A  q/ E# w3 w8 n
    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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