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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 ) S5 ]1 {0 u( r( l* O0 n

    : i2 |: [) Z9 q* u1 E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。) F5 I2 a5 t# X% W  T+ c
    4 y9 V) z, B4 m/ O# X8 l# T* C* J
    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。
    0 D9 y9 O+ b: B% c2 D6 ^0 \
    . b0 |  n$ d- [9 C' G9 r2 _个头、模样大致如此,二十六公斤。
    0 z) T: |! b; W5 X* W0 S! Z
    9 l) p8 b& W6 G) R4 v8 r, Z: f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。& l3 p$ f0 r" J( d' f
    " f$ p2 f( R7 [7 _- m7 a( b) R
    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# U; l, J9 t/ L: N) O% n3 f8 j

    5 j3 ~7 A0 H! c) I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?
    . ]2 W5 x- ^( g: |
    , P9 p; K9 e" @: X. S: ]0 r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。1 ^! G; T$ h/ Q3 b

    7 I& ?9 G, N' W6 W% V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!5 y6 U& N' v8 @6 b# D" ~

    . m9 e$ m+ e# G3 a' Z. @  v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。
    ) y  @6 Q$ D$ K, E: F
    $ ?; `& F( I( K$ Z) W" B  p  L" ]; L/ 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。' Q, ]  k3 a) {! h: R

    # S; \! H6 a. W* T; d5 z说些个大家可能百度不到的。
    $ E/ x8 d! H, e& ~! Y# c7 T% o8 l8 N1 [
    ===前方高能===
    1 Z% g0 L$ K( ^- G
    & |0 V( r) g5 E0 E4 V1 x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。
    3 [# E2 C& |" a  H8 N9 ~, R
    9 U: c# j6 B) }; x: n9 }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。- X+ x5 }9 e- N* Z7 j& `# m5 \

    , l% X. C( t5 I1 p5 K4 e" M/ @- a( @7 a
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    " z7 o7 N! ^% h& w
    , ]* `. p0 _- L# i! X1964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!
    5 P$ ?$ r5 m8 y. H# h5 w; K
    ' i) t2 h0 k$ l- 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。% @4 x3 B. I8 Y5 K

    : U) `7 q7 E6 G7 A9 }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 F; O$ f8 z/ g, G
    ; I, `7 i. E5 q, N/ k1981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。& f+ r0 p$ V, h! W: e" M9 R+ Q

    2 q7 G4 a0 ~+ d2 F' G& X1986年,十的负十四次方。4 F' v1 s- D! p
    3 ?1 q4 P. _$ N4 M
    2003年,十的负十五次方。! `$ _5 f# U3 j4 s$ ~# x5 K& _

    4 [* T7 s4 e3 ~$ r% K8 {2017年,十的负十六次方。
    ; C6 f6 A+ _" }  R/ R" M. h* h7 x2 v$ B! m
    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。
      x2 j( |- Q8 J* q2 Z# M) o6 }' F( K; O7 A. i
    。。。
    1 Q* t  m4 c3 |
    9 _; s* |- I, v+ j* x$ U6 R3 {. P# d$ j2 e5 y; Y, 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。; \3 W/ l+ z5 S6 k9 p  E$ {' l2 A

    ' r7 p. |8 \3 Q4 C/ `% F! Q2 |9 [3 }% B; N' Z4 H% G6 L
    " S& c, B+ ]: |/ z4 U0 d

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  • TA的每日心情
    开心
    21 小时前
  • 签到天数: 3056 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。
    ' a1 a3 s2 ?0 P! C* ^& C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
    15 小时前
  • 签到天数: 2979 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
    前天 09:31
  • 签到天数: 619 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
    ; A$ e5 p3 R& c* G+ K$ Z1 w; g; b; O0 G; |/ s* i
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    $ x  s6 O: M+ H: {  ?' T$ u0 y看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    % ]$ Y( H7 G% U1 C! C' u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
    21 小时前
  • 签到天数: 3512 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
    21 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
    5 B) V: K. s7 u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
    + N+ \) E9 |' `5 Y0 u3 `
    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 N: k: X* U4 Z- J. a" r. U+ R! |& n" A  Y
    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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      发表于 2020-7-24 07:14

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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
    * T4 T( J% P  `' S# s( u- Y# M! 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。- u2 D; N7 x( g- s, `
    他 ...
    $ D' \7 l- Q$ ~1 j8 l5 W
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好5 L% ?9 w, G1 |" P1 n7 p* {% I, o
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    21 小时前
  • 签到天数: 3056 天

    [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
    # a0 r3 M% j( x% n% K短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好- f% d6 a) v& J% F9 e/ k3 a) m
    5071A好像这两年不好买了
    - g  j0 K- \' v, ?. u
    这个短稳长稳有出处嘛?; C% @8 H. @" O! M- o) P, ^
    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~~
    / n2 S8 C* ]+ `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
    3 q- q9 R9 M1 m这个短稳长稳有出处嘛?
    % n  w3 W$ h- A3 L3 W% H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 ...

    9 A: @  N$ s0 \) L' x' C1 S. P6 u" ]& ^

    ) V" ]2 q* i2 w  J( `没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    5 b" R5 d- ?; T) @/ o. W* d5 B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
    21 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 22:560 o) R' ^, r+ d! 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。
    + W  I( Y$ q. [/ d9 J3 ]6 P他 ...

    2 ~  p  O9 ^  w" k2 B$ 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
    21 小时前
  • 签到天数: 3056 天

    [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 12:481 F  J' l# \9 U2 O. r! E: M
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图# t/ J) b; V4 h. ?4 t* U
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    6 z9 `9 h# j  n) t# Y9 D$ w
    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。
      B, t% ?2 W* i& Z% 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。
    , p0 T5 U+ v* X2 z9 ]' `

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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
    ' L* X" y7 a0 }& j% ]' y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。
    / h- G! y. s3 b* @% y. L冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    $ ~' l! [$ j' l2 M( `8 {
    可能高端的铯钟做的更好一些吧5 ]. e. D7 p/ S8 |# R- ?
    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6 h+ C: h4 H, K5 ]
    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
    ! X+ _( _. L, w# Y  P安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    4 r3 Q6 ]6 c! N8 a/ P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
    8 ?2 C' R! n9 K! x0 U' {: X可能高端的铯钟做的更好一些吧
    + t) z! Z1 j5 d+ p. b( h0 M+ J; 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
    + w) m% B6 p# @, Z# x时间基准据说 ...
    ! l7 t% Q& N% c# G. j2 c" 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
    ) ^5 w0 m; t0 h3 q. g请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    5 @2 e' T- B: p% R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
    8 ?" R  w# a6 o2 Y' g# F; f+ k% r, {0 b  m4 x1 C
    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
    / N2 O3 C& e! Z+ V. x" v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 A6 |" y9 H& i7 n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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