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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 + Y7 A; s- N6 H2 H$ A5 }" p

    & u' j1 U  [2 Y" Y; X+ O* j5 j$ ?6 B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。
    + v  \6 `, q# X$ E0 _2 N( k  n7 `) _, y+ w* m" 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。! `5 `5 @4 ~1 O# A& m

    ; Z8 @# \% F8 Z) X3 C个头、模样大致如此,二十六公斤。
      V+ H6 p6 e! t) ?( V
    $ X+ ^7 y: G2 V) ]3 z1 i1 D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 x/ t3 |( _9 p1 a& Y1 ^7 J1 P* y6 l/ R) D- Y1 Z" `- a* d
    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. v0 R* ^6 f4 ?
    " r" w' V+ M; u. }0 a+ n+ }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: ~$ {8 e1 |9 _5 X- T; b
    ! W3 Q1 h& p: l- u% B8 n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。/ u( f4 o7 S4 G9 @) p. w- F& j
    / \6 \# B! X! [" E5 v# U
    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!. A& j0 k6 Z( Q, h5 A9 U* J

    - g% z9 \9 N$ V, f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。
    2 F: c5 R7 M! l+ h1 p' o3 R# ~- K) O7 p' }  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。$ C! C; N) }! F3 m- v- D. `

    + K7 `# n" v+ z0 e$ V8 c* ~说些个大家可能百度不到的。3 A" b* Q7 F. Q' ~

    8 j( v# X$ P+ _  N===前方高能===8 k/ |3 K3 y1 x' W- P) a8 ?& w

    * e# k/ u- ~/ S0 H# ^& g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。
    & `2 S3 b2 m/ Z, X( j
    & \( ^1 ^: b& Q: E' C' j0 z# 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。6 T8 {/ g6 h! `- A: ~* v

    4 [+ a7 _2 P% i' [% A/ X" o- u* C1 A) `; z% ^, D( g, u. y
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。! p# Y' p, N. Q9 F

    ' S# Y, `1 q( K% t7 ^: z; |4 R0 D6 m1964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!
    0 G. ]0 q8 [/ M! B0 u' |3 @8 i5 d' N' r' V
    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( t# ^+ T- y% n0 X3 G
    ! f" J% y* Q/ N. {3 }1 E. w
    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。
    0 a% G) Y. [- @$ x2 I
    1 X1 L7 ~& [! E8 j6 Q! G1981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。
    $ s6 }6 e  s* l- Y* |/ B+ @% F: l% p' C# L5 w) u# y: m# V2 ~
    1986年,十的负十四次方。
    - p8 S" Z$ I1 h# j: {) a3 d
    : f! o4 }8 m& f* Z& |2003年,十的负十五次方。4 R: `0 @& S; L' v

    ; W: c) I) B2 V5 V' i; v2017年,十的负十六次方。
    # F% [# \0 O* s  H: x2 o* z
    9 E+ d4 S: H9 l+ d2 l# G2 N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。( m; C1 H1 L) b# S, U( v) T
    1 L1 k7 H6 x- s- z/ o
    。。。/ V* [% ~- Y/ l+ W

    # E" n0 O% G3 Y# ~( H4 g3 |+ L) D. y( G9 n7 R
    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。1 e  e8 H. Y8 B% b6 I

    : R7 b; M" z* r7 d7 P
    : ?8 y; B  B- q9 ~
    ' O. W! b" l/ f  s) o5 t! Q' |& y

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  • TA的每日心情
    开心
    昨天 01:54
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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。
    2 e5 c: k. N& C9 a/ R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
    慵懒
    3 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

    2021-2-24 23:26
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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
    4 天前
  • 签到天数: 590 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 4 N$ h0 C. I1 i) h: s+ R
    ( Z0 i4 ~5 u( k( j: O- h- Y
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);1 R4 q9 w& Z" m1 K8 j% H* G2 i
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    ) h0 X( n. b' s: a8 i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
    3 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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    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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    [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: ]! u: h+ X3 ^/ m* q+ }( P4 R2 d
    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
    # [; e- H( Z; |: y, H
    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。/ v; `# N2 \8 `
    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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    [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/ r) p. {$ b6 _7 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。
    ! k. x  q" [) J# S( F他 ...

    ' B$ m0 R. }! n5 l短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好( M$ v# t2 s4 O6 d( k  A
    5071A好像这两年不好买了
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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
    ( D+ l$ p& }) n4 t- L# E& p9 D) L短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好$ u9 E5 A4 K0 ?/ c: f
    5071A好像这两年不好买了

    6 w! C; G! N8 t2 f; C这个短稳长稳有出处嘛?$ s" }$ E1 z+ y* v, 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~~: r: D0 L# Q2 g& s0 o( ?3 E8 T. V
    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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    12#
    发表于 2020-7-26 12:48:09 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-25 22:568 f: I, i& J- ?( g! f
    这个短稳长稳有出处嘛?
    , b1 r) G1 M  e# E& n( I' {7 c8 z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 ...
    , C# O# p/ s" X
    " `/ ?  ]; f+ E1 ^: R

    3 ]9 L0 G. |, v, v; J没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    2 V$ t7 W2 p6 M2 Q7 h% i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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    半小时前
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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
    + |0 A8 o/ `" h/ q9 a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。/ A4 o9 u5 N0 I2 i
    他 ...

    ' l' t  |$ Y" [/ u2 _! ]9 B3 S+ U8 _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
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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
    ) v6 e% i- f; k) A; \没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图" y3 J, a: h( J0 d
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    . r2 A) l# t1 }  A' m& 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。( q9 D9 ?+ Q/ e3 S! n
    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。
    . c0 n3 A9 c# Q! Y0 u. N

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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# D1 C9 h; Z; @- n' m0 s& R; T
    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" f3 z* t" c冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    ! n! D0 L) X0 M7 ~% h3 N5 `可能高端的铯钟做的更好一些吧0 J' M/ G9 q+ M$ y) u. _
    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
    : j: D- R% f) Y! H3 z7 H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
    3 G/ H1 C* ?$ ?5 j! S安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    3 ]2 {3 j* T( A- U" o
    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
    3 d& |+ C% d7 t7 |. Y/ d可能高端的铯钟做的更好一些吧" }; n) `; ^3 O( n3 T) `7 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- r6 T; k5 v0 ?
    时间基准据说 ...

    2 O" q, {! x, m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. d2 ?; q" u" {9 R; E  S
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    ( ]5 Y) D! P7 @/ U& \) s+ v6 J/ f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& Z' X' y. K2 C9 W+ V* L1 L5 Q

    % W/ v; Z; x- t7 A$ ?7 h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
    $ k3 u( C: f  ]. G; `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 ...
    3 \. F; Z- t1 |+ m
    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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