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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
    ; Q. T  h( [9 T0 i% a0 s# i
    + A* n8 N1 D* O9 v1 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。7 O' F+ v6 r2 X4 |2 L9 R
    ! g: \/ D+ O* E3 f) h
    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。" R" L0 Z3 S. e$ i- @9 |
    ! T7 D# K, G3 Y
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    % x4 d8 D5 @5 _' j1 p9 v( E, `
    ; f$ r7 i! s+ b) e$ U7 z  y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。( s/ r8 o+ Z: z5 @

    - e; w) ~* ~8 E( w( i* x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。/ g) W0 m" A' t

    5 h  W7 u3 c2 {$ o7 x* P& a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?
      N  e7 D# x3 y
    ' Y, p( K0 l* r5 K* a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。
    % @. E) R' ?( i
    - ?( W% j% o. _$ y4 z# I' d8 H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 y4 V7 o7 _4 K: p

    6 ?) A6 H; p$ q( h+ p9 d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。; l. U5 S6 T( l7 x  q
    % l6 c' j, C) A, X
    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。
    . q3 }& X- C# p0 E. A' {, `: @0 A5 V
    说些个大家可能百度不到的。
    $ }7 Z  a9 k( s! n* y% c% W/ Z* T/ H( ]* @5 g
    ===前方高能===
    * R7 W, g3 `, Z, r. H+ i
    ( P4 ^. e' ^) y0 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。$ Z' W7 p) U3 p1 A* i' r  k
    ) S. ~$ a3 N- M5 X2 h5 h
    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。
    " \3 o5 L: I8 O" Z
    6 N; k( _; y  L' J; @+ g1 J& w0 d, r
    7 A8 d- T, R& G惠普当年的铯钟,吊打全世界。; \1 P1 L: h6 l

    8 o% H+ x  S; l" _" H0 X( \3 v5 a" G1964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!! [* C# m1 S, R8 D, m, u
      l9 V4 K, V# v) K
    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。2 ^3 ~! a+ O$ m0 q* ?  }

    9 F3 e: d% T: m4 g+ \- x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 j9 I$ P2 T# }, a. }/ I7 `

    ; z0 @. M4 @" b9 M8 H1981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。
    ! |9 ]. ]$ g+ o4 h/ R" |
    $ @* u6 |' y: B! c, Z8 G1986年,十的负十四次方。5 j5 ~( M$ x  x# n8 `1 S. M3 K$ O2 M
    : g; B  v( {$ Q: {3 T5 U
    2003年,十的负十五次方。; H% t4 Y( i3 e- e9 z

    ! y6 k% i1 |! @0 g9 ]) _7 e$ U2017年,十的负十六次方。
    " r+ m5 O$ m. h/ E2 t" K5 d  Z  I
    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。% y# y- J0 Q0 }
    ) S! h- z: O) l
    。。。
    2 j4 D/ X- b6 ~8 [5 W3 G
    - S2 ]3 D1 O0 A) u1 o0 |' }3 T" p' L8 N  Z
    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。! V2 o0 t5 A' w+ [3 F
    ! M" s5 M, X; r& o+ C/ {; h5 O

    , l* l. z* K9 |/ N* \0 P# S% }  N& q' x6 [- a' Z. h4 A2 T

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  • TA的每日心情
    开心
    半小时前
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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。/ b$ ?7 G/ U: `- W- L* [0 g
    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
    难过
    昨天 07:36
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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
    3 天前
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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
    0 F$ A" h9 g  s: n5 _
    / ]. {' D' D$ R' `, a! y2 ^群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);; ~# @+ j+ @& l! v9 ~" |6 s4 r" H( l
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
      L2 k! D+ c6 W) C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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    半小时前
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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; f5 v; u$ Z, Z7 ]/ v
    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

    " O2 R8 q0 D0 e' j, g4 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。
    0 w9 H" j% l) h9 b$ ]; @他家的铯钟在基站上很常见。

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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
    " M) S& O. ^" ^, W" @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 h  |5 O  j8 X  R
    他 ...
    $ ?; {& [' [1 s# i4 r9 o
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好5 _! X  a: H1 l! \8 l
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
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    半小时前
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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
    ! ?: r" A7 T- K* c% L短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    . i% u7 Y; P8 d5071A好像这两年不好买了

    ( Y, M7 J3 u) L8 k& X' r' _这个短稳长稳有出处嘛?
    5 n* z4 W- d& R7 q% d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~~6 ?& Q5 ]8 n/ z* ^
    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 22:56. K( L4 H) z! c1 H* }' ^
    这个短稳长稳有出处嘛?
    ; n* ?! J! O5 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 ...

    - M: W8 J' O- k1 H  y! |, E) }% Q+ q

    5 m6 Y/ D6 o9 u. }7 R没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图, L* n1 \  o2 T! A( T
    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
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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- r! \$ n# g/ P
    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。$ B8 D1 |5 f+ S' i* F& O9 l! C
    他 ...

    ! Z, |4 t" K& S" v( t9 H# w2 t% J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
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    [LV.Master]无

    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:48* ^$ m5 l2 `9 P4 Z/ X( K0 J
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图: b, D! F! i% n+ a: G! w, o
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    5 z- D+ z$ W" \# E5 f4 D5 M5 N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。
      T8 c. e8 m( k+ e& |4 Z  ^5 O- 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。1 F8 \. ~* l* z1 V' B

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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
    ( f; v# ~8 G4 p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- ]: U/ C& E冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    / q8 H! e" d8 F' x5 Q6 i
    可能高端的铯钟做的更好一些吧9 m/ q. o, g5 k
    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
    & S* G$ C( }6 \/ c! @; }6 f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" Y% h4 g9 _5 r' S; R& V
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    ) A  p! r2 g* I7 N6 `1 I: c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  u/ N0 [: v0 P! @+ u* t
    可能高端的铯钟做的更好一些吧4 i" B; w' ~8 ]+ c9 F( b/ 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& Z) [( i- t; R
    时间基准据说 ...
    0 X0 d! q# H% H- `2 m. A
    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. B7 E5 N. z5 D' j' X) L
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    : T* @) z  J5 k4 Q" 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, j# z% }5 D2 q8 B

    7 z: k! @0 k# Z8 x5 G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
    5 F, u' R7 e7 X/ B9 J3 Q, ]6 I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 h' i: |0 w# Y! x& U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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