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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 + A( v1 p' C' v: N( e. \& A; i1 o
    4 E4 |8 g# \* M) X( g
    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。; W; _5 p$ M4 p1 J2 R9 ]

    ( o* n& X" c" [/ ]6 n8 d: ?4 N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。+ u+ P' h4 f5 `  |. k$ e  c3 I0 D5 {3 C
    9 D9 g2 l7 N' ^4 F. x
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    2 U; a8 j2 e# v& w, T9 o
    5 P2 w% u# q+ _5 K8 h- v( R" H, {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 ]2 F2 _) N& j4 ^; C
    * C, i8 u: [' C9 l9 X9 Q- {" 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。
    1 R3 n$ c  F  c# \7 H8 D% E1 M* T/ k- g. X1 Q* s
    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?
    ; a2 C( w( q; g3 [5 G1 t* O( j( I
    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。+ l- \6 G. r8 l. X$ n6 P
    8 c8 U: F+ e( T
    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!
    , ~9 K2 q) h4 N1 z) Q, q" J+ S
    4 P+ q9 M  w" u! ?( M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。& u4 i, Y8 h- i. Y' a
    " j7 I! R, R* B4 b1 w3 `( ^
    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。+ |' S* ]- D0 r, ^4 D
    7 V8 E; h4 m0 M# L, m8 A# L- V
    说些个大家可能百度不到的。
    ; q1 l6 a1 S( O) |" q6 R9 |0 \
    ===前方高能===+ e4 X* G, C  @9 Z/ n1 y
    & E- n# X1 i# f- M( D
    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 x4 ~' ]  S3 S( P  x4 v/ B) l

    9 g5 J/ g* x* M5 {& f- q: J6 k0 _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。
    1 y( @% E5 o$ F( b) }! R  c
    5 l: E! U6 p& @: X( u5 k3 L& ~9 z4 ~3 z- p2 R" F! ]0 R
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    , p5 m: h: A. q: n* h1 g2 D
    ( n, r* {, a$ C! h1964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!
    , J, S/ }; V$ [. i( a+ C# \! U1 q7 R$ ]. \, o
    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。
    6 ?) b6 K, w4 y' v$ t* j  o1 ~* B
    $ d( j( n1 }. B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。3 [# Y( N+ D6 q) k- F- v7 A
    % ^; F" q5 U- q1 ~7 x) S/ R
    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。
    5 W* K- b& Q3 P$ a& K7 \2 K' z4 z" l' P
    1986年,十的负十四次方。
    2 t2 J7 c% T+ b- R
    : L2 F  ], N% S4 B2003年,十的负十五次方。
    . ?' w% T7 r$ ^1 k* o3 T- c$ ~& a& L8 M
    2017年,十的负十六次方。  I2 L7 }0 p+ U* I: m/ y: b3 q! a3 G
    4 O- _# l: d0 t0 Z3 q4 K
    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。( s) X' c7 i3 K" g, n. y
    2 c, Z: B: u3 P6 f2 ^4 N/ e
    。。。
      l% O8 m9 r* G
    2 S/ L+ [' j# H# k6 G, {* o0 _  n
    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。
    % J* a  X8 V9 _
    # q* H6 n# o( ^; z: h9 O: ?1 }5 g' z, Y- H- M, C8 R
    , G; u! Q5 n/ I

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  • TA的每日心情
    开心
    19 小时前
  • 签到天数: 3005 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。' f* P. j' i. X8 @4 P6 ^* I  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
    无聊
    19 小时前
  • 签到天数: 2930 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
    2025-5-3 11:32
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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 + ~' G! ~! n8 u( d& u

    2 }  Y- y- {  f9 [; ^! o7 U9 `5 E群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
      n2 Z7 R1 I# R: x4 J' H5 n6 h0 z看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    6 w& Q) R  m3 E6 P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
    19 小时前
  • 签到天数: 3461 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
    19 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 18:454 v1 B& ~3 _4 o& H
    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
    ! q; U6 U7 x& W( l3 f
    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。
    0 s- I8 V- {; L" b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
    9 ]$ k+ m+ Q( \5 i2 }  S' [/ r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。1 N4 m; b) {9 P' A9 g* a9 J/ B+ u
    他 ...
    8 R+ o6 b* k. B/ a
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好: k" \8 ]: _- t& w4 \. b# Q, N$ D
    5071A好像这两年不好买了
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    开心
    19 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! u1 ?5 D9 L1 h9 R8 z+ O( y1 `
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    + U/ [5 v* }/ a& U- M2 o5071A好像这两年不好买了

    4 p# I2 C4 V4 j9 L) L8 g1 l这个短稳长稳有出处嘛?1 g) m8 c2 L  Q3 o% B- A
    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~~
    # z7 q1 ?0 P4 W4 Q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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  • TA的每日心情
    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
    & {# S' Y" B8 d% [4 b这个短稳长稳有出处嘛?* ]3 g, }: M- E6 }& ]5 Y
    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 H* u/ _$ d! o# S2 a( t( d% G3 I7 B# D+ O  }
    : W& z! X* r- ^% b! Q
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图8 a* C  L8 a3 T$ l" V
    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
    19 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
    1 w; K9 @$ T1 j1 S% z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 _# P/ K* A$ g. A- C
    他 ...

    4 N! b7 H# v8 m1 X/ E, V) ?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
    19 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' \. C) X, E( B* R2 G
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    / r( G% x; ]3 F- h# u1 E这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    " ^8 ]+ W( o! Z$ x
    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。
    5 |7 m5 p( A# y+ C& z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。" W) [. j/ a: @4 F% p; S4 A

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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 03:356 X) Z& ~3 D# F" C, \7 V- 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) D5 Q( e4 _; m
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    ( ~9 u2 c9 e. ]) U; G- D+ p
    可能高端的铯钟做的更好一些吧4 h, Y" Y1 P. o& y# b
    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* c( a8 Q6 I& M8 j
    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! q& J# q. D  F/ H, N& P  \5 E
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    0 T, r0 w9 Q* U+ O6 ^2 l  I  n9 Y- t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
    - E0 x+ o- t/ p! ]) J  \可能高端的铯钟做的更好一些吧8 ~& O: }/ ~% G: `$ G4 o) 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7 |: J6 k' c  t, \$ o* D! f3 z7 f3 D
    时间基准据说 ...
    ) h6 {$ s  N8 S, F0 B
    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 00:567 s+ ~3 b$ A$ C4 G* N+ j$ Q$ W) A
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    / F( r( X& V* I; T- h8 ?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
      g  T9 A0 Z9 j9 ^9 N9 n7 m
    / g$ E0 i; m; a1 ]$ s9 [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
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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 10:291 y8 [; h; F* x$ 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 ...

    5 r3 Y* [( W: r1 d3 Z) a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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