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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 - I- r3 d# z5 a

    9 |6 {( W1 b3 |; l# w4 G8 A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。% I( ~( R! m0 n( G, [( C
    ' i9 o$ ]8 h. J& p" U
    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。
    4 o+ `' T9 a# N
    ; P9 ]4 t" }, s! n个头、模样大致如此,二十六公斤。0 S  y* \9 ]* x/ z' F1 x

    4 D3 |! p- Q- X  ?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。  X' M# O* }* E6 R4 Q

    # k$ e' ]( l9 ^3 K5 K2 J$ j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。
    3 ~3 L3 \0 L  F9 P7 ?% `
    0 q: I4 S  @; ^8 I' X3 G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?! p) d  T6 d& Y. I5 {: e" E/ z/ ~
    ; _6 M$ d+ p$ @1 y1 i# v4 u& w8 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。
    4 ]$ ?4 Z9 I4 w' I2 b+ o3 v/ m* ?2 V7 N9 Z( I
    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!
    3 W& N9 t0 t2 e& A
    4 r/ g% X- G5 l8 c4 y! T( c, `$ m' U: S- W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。
    7 {8 \/ B( m! {- x! K( B* p! a! g) K3 h  \6 `; 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。0 K' [3 w: p4 |5 F+ w! h

    & A0 S; H4 e8 r+ C2 [9 r6 E说些个大家可能百度不到的。
    ! ^+ \* D" j+ }, f( c! _4 b3 D: G, |4 `, z  X- a
    ===前方高能===
    ) t' F% a: b* Y- I5 W& k4 ]4 i1 M: E
    . N1 E5 Z% {  e. W# l' i) y& N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。
    / U5 g  D+ a+ r
    % G$ p0 f* ~0 s* b% P) j% O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。
    - P& z- u8 q6 B) d# R
    7 g' k. ^5 v1 ^$ n  [0 q  X. a
    + \( k: L) _1 ]2 [- ^- B6 T惠普当年的铯钟,吊打全世界。* R0 \5 P8 J7 S5 S/ x% B9 }

    . v; D9 r- Y# Y8 @% Q" j2 l* V1964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!8 M# B+ v8 _# Z% q
    ; \7 j! N# F2 |. ~9 U! S
    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。$ X3 L5 X3 x- }1 s) q

    & F' ]  B% l* s/ [, J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。' @9 X) R# F& s( L; Z
    4 ~2 u2 B# M8 I) S  C
    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。
    2 ~* }+ w% |. M' k. q5 ~
    ) c- y  x7 d; e  r: h/ K1986年,十的负十四次方。
    ! @) e, w- R+ \$ |8 b" A
    " r  m+ I4 w0 O2003年,十的负十五次方。
    ; C, i$ a* e# ^3 q$ e0 K6 E' P- Y2 s6 E; w* \
    2017年,十的负十六次方。, _0 x7 y. ]; v. y- h% n
    . w0 r* D6 d8 @/ L9 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。# [8 P: z% E) n( ~7 `* a, k( T
    6 x: r* l4 J& n0 q3 D; r
    。。。' W$ W) M) |/ B6 w# U7 T; t

    , v5 j$ K/ f, u3 z
    1 q) I5 n* ~( g# |( }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。" \0 I7 m; ]! N8 v' }8 @- z9 Y% m

    7 a$ O5 c# S' Y! ~$ M4 M' @% Z
    ) Y7 T7 e/ H! c, e
    0 ~" Q& ~! @, f4 j* p, z

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  • TA的每日心情
    开心
    6 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。: g; B6 k  v8 m8 C7 ]7 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

    昨天 07:17
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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 " V( Y' p, ^/ U3 M
    ) N! ?$ z) S1 ]- g; b
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);" S8 K4 u* z$ s; L# H
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。8 w8 ^  i/ q' G5 ~4 `0 N9 ~* ]
    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
    6 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
    6 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) P2 @* k; P! f7 Y0 j
    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

    ; T$ `5 X; I8 ^: V8 x, 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。, X( S9 }3 ?9 s3 a' w
    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
      [6 B( L& c8 y& ]. y! 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。
    6 _. @" @+ r! c: X/ K) k9 X他 ...

    ) R* H- ?" ~( w7 E0 @) S8 r短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好2 J7 Z* O! v0 W8 X- s2 M3 v
    5071A好像这两年不好买了
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    6 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. O2 }1 t2 t: Z' b3 f
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好4 c% o$ y8 M' u
    5071A好像这两年不好买了
    / T% X, b7 m- K! J: `: m
    这个短稳长稳有出处嘛?3 Q' P8 u- @- Z+ J/ M
    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 t; P/ R+ l- G. o' J/ @
    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# f: s  Q; c4 J3 N2 G2 w. h
    这个短稳长稳有出处嘛?/ s' Q! s( E7 c* G2 k) x
    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 ...

    8 ]9 o) k) U: z6 H" ~( I1 {  P% M* r2 O" I& F5 l9 p- ~% {3 g/ V' M" X

    6 E' b7 E4 S6 n, {$ I0 f: P  l. P* l没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图/ K4 T1 E+ b5 M3 R; Q4 X
    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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    6 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" O$ B9 W' h- _. v0 O
    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。
    7 ^  R9 }: k# t+ w4 P& ]. N" f3 d他 ...

    5 n7 I3 X& B$ }, T5 t- |7 Z* B; q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
    6 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! t) B) L( z, B! @5 p" w0 a" i
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图" j+ O8 G5 S  k
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    * q+ \% n8 H7 {
    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。
    # i" @4 o& D7 T& e" E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。
    8 z7 y# B& [8 {4 O9 ?

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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 03:350 @# q$ X, m& e- D2 r( F8 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。' v- B* M+ U$ A9 Q4 C' ~3 X- X
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    1 c+ }  K: a! o; v, }
    可能高端的铯钟做的更好一些吧) n$ a) @" r* S" Z* r; r4 ~
    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 J$ D+ M% T6 t9 `, Z# f1 R
    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 ]" Y; v2 ~7 E" `安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    $ p$ _5 v2 r2 b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& O1 r! a9 ^& L: E7 z5 b$ q- }# q. r
    可能高端的铯钟做的更好一些吧! h6 c5 B& ?2 |, [3 C7 C6 a$ M' {( w. M
    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
    " }: d* c4 N- f* y时间基准据说 ...
    " O. g6 z; }3 T" s1 H/ \
    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 00:561 h: t7 S0 Y8 ^
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    , w3 P0 J! A0 f8 a7 n% w
    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
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    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, Y9 K3 I- `4 R9 B% 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 ...
    6 T$ I) {0 J7 k" [
    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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