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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' O2 c) L5 A# W
    1 }" y! `; m$ {7 U0 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。
    ) d# i: Q% o6 N# b
    ! B" D- V* O% ]- S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。
    $ d8 \, A% m0 q8 E. ]  Q+ k. h+ s2 H. R% `) g% m
    个头、模样大致如此,二十六公斤。! z. Y0 p; v# s6 \7 U

    : S3 y+ c8 S; s5 e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。
    5 x9 A7 H% [" Y4 t6 _
    # c3 E, R1 o# t1 s0 ~6 [/ q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。/ p! d" t4 [+ |( T9 P' N
    % o  U9 A, M1 r5 a- m
    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?& U3 U9 Z6 E8 L

    " f* I$ f$ C4 q8 q5 O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。3 F% T( A9 \; l

    : ?' T$ l2 a& l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!
    ( A3 o& }5 k* S1 i; E% ~4 a) H
    * v' n. ~# }+ j  ^6 G: ~( z% ~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。+ ^* w2 D; w. M, f0 h1 f; [9 R4 d
    $ _$ J) B# n9 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。* B+ g; m# x9 a' z# F0 V
    . j& {' S( }2 Y7 ~) U9 }/ U
    说些个大家可能百度不到的。
    . L+ \$ F; x  }% e+ y( ^) M1 n$ F, f4 ?9 ]' D8 C
    ===前方高能===: {. q7 n4 v7 c! T9 Y- V9 v7 @6 `

    - k6 e) @( i3 G1 I5 B: 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。
    ( ~# [/ M/ a8 `1 m% ]4 j4 r! ~( [5 Z1 e' f
    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。
    & E" o2 @4 `" r" Y7 u  z/ M/ E# E
    - Z+ ?1 q2 U2 p/ O, f9 Q1 t& a( R9 {$ j. O7 }
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。% m7 H, \3 g& o# J3 v0 @0 c' P

    & V" @* s) h4 F1964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!
    : l; |8 d3 p, V9 k# Z, g) D& u: N' ?% w: I5 A
    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。& d9 M5 w. J  S7 B, v. M4 _/ R
    - @' @' T, V2 o/ S
    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。
    . M7 G4 I6 B3 x, G  x/ D
    ) Q1 k% \6 N5 ^; a1981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。+ A2 g+ t( Z9 u6 ~/ d

    0 B* P8 V5 L- F1986年,十的负十四次方。) q" o1 d* M  [4 d' _

      B2 Z" V/ R: {$ p& G4 @1 |2003年,十的负十五次方。, ~9 S, U+ ]* H) M4 t  b
    2 c, v: O7 E7 w5 h
    2017年,十的负十六次方。9 X. ?. f" V% c* B6 p5 S0 [
      S( t) X$ }7 H4 n  e, _
    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。$ ~" U- Z8 u9 X" Z- Z* U
    * e: U  S" }; s0 e4 U/ M- |
    。。。! W' M# U: l0 c2 x5 [' G, ~- C" u
    1 G5 Q) o1 |. P8 J; t

      W( s/ ~% m. V, }$ `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。
    2 _* o& o) {$ j/ `% F1 f- K
    - C. F: u; o2 l1 c! N! A. y6 @
    8 y4 Z& \6 Y6 x: M6 c2 }* \
    ; H4 k/ I% P  f8 z

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  • TA的每日心情
    开心
    5 小时前
  • 签到天数: 3470 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。
    6 I+ ^) O. {/ E! ^! ]4 q  q; [: {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
    9 小时前
  • 签到天数: 3358 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
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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
    2026-9-9 11:13
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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
      V5 y1 [7 I/ x
    7 m. q! b% D2 Q( _% \群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    # F2 A2 T# D" M7 @  e3 X7 D看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。! k, v7 [9 h. [! M$ r  E
    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
    15 小时前
  • 签到天数: 3946 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
    5 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
    % N& E4 Y5 _1 Y" \/ {# q' U1 L" @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

    ' {+ X/ T' G. Q3 |, U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  Y3 n* Y6 q2 \* d+ [# ]" x6 {
    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
    - C$ c% Q, W  y# r' \* E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。
    8 z5 n, P; J7 U) ]4 @1 P0 V8 r* n他 ...
    - H7 O& K0 O. u. O+ d
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好9 P( y+ i2 z; E6 r) ^
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    5 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
    4 P% J  W( ]9 w& j8 Q! h短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好+ Q% R- Z5 P0 ^- s, G# @
    5071A好像这两年不好买了

    ( ^9 J4 U2 f' s1 t. j这个短稳长稳有出处嘛?
    4 k1 z: Z7 z4 X5 m9 u: W$ U9 U3 E! S; z5 j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~~
    % g( l$ s8 P# t" 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
    & b' M' J; r7 l" N  }% ~这个短稳长稳有出处嘛?& Q* N# G8 W* A' D8 v
    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 ...

    7 P' z) Q/ P5 P( g5 x( _1 U5 {7 N# w$ @( i
    # R0 p/ b. ?' [9 B3 b
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图. |4 X- C; n( P  y. w( H6 ]
    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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      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
    15 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
    ; L. g# @& x8 B3 Q; P7 p4 Y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 `9 E- W( Z- Q/ {他 ...
    * N, P/ L" ?! b& d( @' }8 m4 o
    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
    5 小时前
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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; q( g" S0 V) H' @4 w" a3 Z
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    ! w9 v% O) [! K% C  g这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    & r2 z$ T  a. y; 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。8 I7 S+ B/ I$ L; D- L( B
    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 R4 V# W  D( }' F; W3 _; R1 `

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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
    * s3 C0 y) b# D8 I, G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。
    3 S0 e" a" |$ c) ?8 G8 H冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    " {* V- a4 w8 N8 I4 y& s- d2 b, e
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    / \- j+ H7 u0 [  H$ `8 O. L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' T8 O/ x" M( d  |8 L2 [
    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
    * P1 j: F$ e7 u8 h0 C9 d0 A* z  V安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    + C6 A  Y# m- ^5 U5 }% w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
    前天 02:00
  • 签到天数: 33 天

    [LV.5]元婴

    17#
    发表于 2020-7-28 00:56:08 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-27 11:330 l- M+ F# g: @  y1 @+ R
    可能高端的铯钟做的更好一些吧! ?& ^1 @0 G2 [, b: Z
    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
    * Y: N. ]  d3 Y时间基准据说 ...

    ! F/ O/ h0 E0 v. N( I. F$ r9 O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: Y( c3 v: _; |
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    2 _1 m4 W6 O% B$ J/ n5 l" M& z& E# y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. H& Z2 p/ q. w. o: F7 W% b6 [
    0 ^' `: W' q# V7 d" [- I! K! t
    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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    [LV.5]元婴

    20#
    发表于 2020-7-28 11:41:34 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-28 10:29
    7 b/ U3 c+ v- R  v# Q2 m. v. ^' K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 ...
    / d; ?3 l5 w2 k; w; c0 M, [' z" p
    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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