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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 - t, W- G/ ^; _9 q* C, D
    ( k1 R; ?# P# D8 Q% p9 @
    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。
    " D8 w4 y4 G" O  r9 ~9 \. u$ v; a6 x; 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。
    : ], ~% D3 I# z  t4 P
    % Z7 I6 k. q7 |3 l个头、模样大致如此,二十六公斤。
    ' ~7 R7 i- s5 O5 t5 S, w
      O4 B5 j: ~2 H% p5 z5 `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 L1 ?& u" s# X: P
    * H* z) Q3 v3 b0 Z+ \+ f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。# |! \, D: n, z' f( n5 _
    * ]0 l& l, _- ?; u& q5 `# ^
    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?( J) i* M( a- }
    # n7 y7 i4 v( Z! N- R$ u
    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。6 U. `/ }7 g% i+ |% x1 Q0 b* O$ n

    & Z1 Y2 K6 I) w  m1 R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!
    ( w& e9 g0 o0 h, z, ?1 O) {& h* J% ?( {$ C
    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。" W+ F  r, P0 F9 r( d# V

    8 g, Z/ ]  U/ H. n$ X  B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 u! i+ w: r7 |+ o" W8 l8 l

    9 l, @2 R! K! f' s7 X0 j说些个大家可能百度不到的。: M3 y7 q2 o4 e" |7 n, X

    3 L  a# J% O, |. K0 D  O: ^===前方高能===- u) k  P" Z! k, }, c" p6 o

    , p  G# C  e) V* N) 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。
    * ]1 Y/ S( s& [7 i  {( L. m4 D) J( a. `3 E) P" e2 L
    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。' ]; s& ^8 T! ?3 h+ C7 v

    1 \$ U4 w0 s3 z. C
    % D2 y( S4 \! R6 M. Y惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    ' d  Y* a8 j) E5 `1 C: ]
    * ^1 M; t0 ~  u1964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!# z9 y) b! j+ z! [. L! p

    9 A9 z1 L* `6 ~( K6 E9 v) T3 F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。; G! P7 o' D' {) T2 ]7 p$ ~

    " K4 }& }+ P# q+ Z5 o* c0 A9 V* a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。
    2 k9 `' W9 e6 E/ X. b- c) b  [2 W3 L% N. x- 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。
    4 U( g, o/ q( R4 r) M9 A; U/ d
    2 Y# u( N/ m& u1986年,十的负十四次方。
    ' [8 P4 ?) f) G, Z" ^/ S% T1 ^+ N& Z
    2003年,十的负十五次方。, u. l" k( i( F# }; n# I! A3 E
    , B8 D& q" Q" z. v" N: s) c2 Y
    2017年,十的负十六次方。# F" f% [4 N( W/ K# m& [) m" r
    2 d9 {, e' v( m# w
    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。
    " t' }5 B0 N; C) ?) j' X! s, n/ l4 l) X9 i0 ~$ \$ B
    。。。
    ) C6 K, [' l+ d: n+ ~$ g7 n- v3 X$ s
    ( O/ V$ J# S4 j3 r" I# _2 k
    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 D4 i6 T7 s2 m) {8 U: Z

    1 t! Y7 j9 w8 }( a7 ^
    ' I% j9 W/ w6 e, x5 S. z( ^: J; p/ q
    $ r* s, d' {9 T+ T! Q+ R( D' b

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  • TA的每日心情
    开心
    1 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 E) y4 N6 A: u. y& `1 L
    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
    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 10:14
  • 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 ( o! A( n. P) E/ f+ m
    / s( H$ ~. q# X3 [
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    " h! O( |% D, x8 }3 j看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    % ~3 M* M" n. M5 Q9 d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
    1 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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    1 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 18:455 S- R, z6 ^4 W+ ?# O8 E, ~$ _
    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

    9 T# C" H& _4 x4 @9 B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 l2 L0 K) ~( {- H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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    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* u% G2 F6 V. ]# ]7 w5 d1 x
    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 @+ Y- }. O' X& {* H5 k他 ...
    6 v6 d* a$ |( D) v" N  X4 ~$ |; o
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好- q- N: a& Y  g. b/ N* l+ n
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    1 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: o! r+ j" `& ?  w# B2 z0 W短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好9 T) `5 t$ v% f- `  j& J% T6 Q
    5071A好像这两年不好买了

    2 x" A: \0 `4 G* i# S6 K$ f- y9 S6 h这个短稳长稳有出处嘛?5 B9 ~7 ]8 h/ P' }8 {# j" q
    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~~% j7 n1 `  ~' z8 x' ^
    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 22:569 {' p' z6 x1 Q1 R
    这个短稳长稳有出处嘛?' d4 ~( Y- I+ [; 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 ...
    0 |1 c( \- E8 O9 H
    6 k% G; d! }& d0 q
    4 k; @. Z/ q) Y6 z6 V6 b
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    * K$ `, D# M. H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
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    1 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! A/ I' f# S! s3 W) o# R, t3 C1 l
    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 T% h$ [* G% f
    他 ...
    9 h2 b6 W- ?0 S4 |. 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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  • TA的每日心情
    开心
    1 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
    " s" [2 o5 f0 W+ t3 u8 C没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图5 q  C7 x4 k4 V3 i3 Q5 w
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    + E3 c2 |5 v+ X+ K  w. k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。) S9 B# G0 B5 r! v7 I: 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。$ J: C( f! C& B* l, v5 `6 ^. _

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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
      I, ^3 }; Z" |% H/ 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。
    , y; S/ `" n7 }4 }+ v$ `! x冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    0 j8 j6 s! d: Z: u
    可能高端的铯钟做的更好一些吧. {) |. p$ J, h" @% B1 c
    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
    * l7 Z2 ?! ~5 y9 a' A0 o7 k4 T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
    1 p1 E! T% R+ v4 p  v) p# b* [) X6 O安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    - z8 s% |3 _- z% W7 B2 S5 _/ u% ], R
    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! N* P* c% I9 P$ M/ \4 B
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    4 t0 T2 e7 D. s. N1 ?9 [/ {9 @8 P" p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9 ]/ d' M7 i) ?
    时间基准据说 ...

    7 m3 \% k/ t7 _* @$ C7 s6 M8 E! T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# i# V  r9 @# g% b' x& ~% B
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    ) H/ M+ V7 ]2 C) c& S
    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, X/ Y# g; @2 O7 w& C
    # j; z. f3 U$ d! G: P' \  f
    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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    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
    , w  f& `' e  I- I$ j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 d+ l: @6 d: ]. i6 ~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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