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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 + Z! |6 O2 n0 U$ y9 T! j: h& o
    ! Q( {' n" m' f/ }- K$ g' S1 Y
    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; y1 k$ N* |/ t- h+ s, O
    + z) z  E- f1 Q, G  _$ o
    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。
    - W7 h8 `( Y. F9 @* W/ a+ c- R7 _" W7 s' l2 K
    个头、模样大致如此,二十六公斤。# m4 z  S' G) y

    ) s% D! U# f# A% r$ {5 v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。
    4 L0 f" e- R; Q- ]7 D' ]
    ) y/ P$ o5 x. Q5 [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。
    8 @: b6 N$ y- k8 {* ^% _- a% T! B9 ]; B) d0 q' \: E: Y# 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?
    6 a# A7 e. z# f5 n3 s) S1 i2 T' U# y/ M' g9 z, T& M
    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。
    + |9 g  G+ o' T1 G) F, `  c1 ~+ S* T& k1 t7 N8 [* s$ t! G( F! L( p
    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!, L  x0 Y( q5 l" c
    9 M8 u) W  _* n  V& b8 T
    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。
    ) v2 O1 ?% O/ x6 p
    + y$ s0 _# y7 V; e- Z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。3 a- v+ x3 e1 I5 R7 ?5 z& r9 t

    # R3 Y: [  y. r2 Y, C' z( a* u7 S! ]说些个大家可能百度不到的。
    4 K' d1 a" X; ?1 {  \, s# W) @3 l, x: j! H% ]4 x( m, B$ [" \
    ===前方高能===
    & O2 @% W6 w+ C8 d( c8 w, d
    1 ?9 E) F+ o/ C4 N- @6 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。) ~% s) D- Y( ?- K/ w

    0 e; W8 z* F( ?! O0 ?# g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。) @9 L" ~. T% u1 n

    # f/ q- t6 F4 I! ]
    . T3 Y; Z$ F( V- @4 ?惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    ) G' o5 c+ A$ Q8 ~( Y  ^6 c  {; a) i) x6 @6 w- M( l
    1964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!
    8 V# c. d3 J' `# l) ^- B; ^
    , i) e2 Q* D+ g. y$ [8 J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。. i* n1 w/ t; B: Z  y" u& M

    8 r& ?- z6 o8 I9 U% P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。* D4 ?5 \" r4 S: G& l

    : F9 J+ E. J3 B, A+ {& B1981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。3 o6 l2 p- W- j: x
    * X9 E3 X- J+ e  N: d, c
    1986年,十的负十四次方。1 o. C6 \$ W& E) T! E+ t
    4 [- k+ H- h1 T
    2003年,十的负十五次方。
    & g  B% S' T  {! \) f2 K) C0 ~& b! R  h4 K/ [' Q$ Z, S7 e& {
    2017年,十的负十六次方。
    % b3 o& d0 j" ]3 k, B, \2 @" f3 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。- E& r5 Q, Z1 r2 }+ T) @: b% S5 f/ p

    ( r0 U' I1 y3 r8 V- Q- n& K1 M( }# Q2 }。。。
    * {/ F6 |5 {# F/ O$ m
    0 M; x1 v; b/ g) g
    ) D$ _$ j  L$ p( N  B8 E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 k; F  s  q5 i& ^& p0 k
    ! e6 |" X: j1 M: T$ z
    5 d9 z' J1 ]2 _6 Q( m$ {6 E8 `

    ' v$ w  `2 s, y7 R

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  • TA的每日心情
    开心
    4 小时前
  • 签到天数: 3415 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 l! G4 \* U9 M8 \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 07:02
  • 签到天数: 3303 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
  • 签到天数: 591 天

    [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 10:32
  • 签到天数: 689 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
    $ d6 N! T  ]) K2 q; b5 a  V9 W; B( ?7 m- c  O% K
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);7 v7 A5 o- ]6 a5 a2 |
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    $ z+ u9 p( y3 F4 B/ C: X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
    24 分钟前
  • 签到天数: 3885 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
    4 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% M$ ?6 D$ d7 M( I5 Z6 E! [
    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
    / O$ R8 H1 [" \- h% 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。
    - N2 K4 y/ W# X) }. z9 i9 \+ w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" Y1 c* `4 `2 G2 ^0 P  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。, l" m2 H2 q  b2 D3 h
    他 ...
    9 O9 M( C2 @) A( z7 |
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好! {. W' a5 G: Y5 _) r: E
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    4 小时前
  • 签到天数: 3415 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 13:355 @+ s* d* q: L: I. b+ i$ i
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    5 U% V! `8 s1 A7 Q, k) `5071A好像这两年不好买了
    ; L+ N$ }# z; p( f% w7 n+ ^# v0 v1 f
    这个短稳长稳有出处嘛?) q, [1 J. z, x
    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~~/ m0 K3 W: B' m. 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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    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
    8 f' X% p% |1 X" k9 }+ v" O这个短稳长稳有出处嘛?
    ! A, j$ ]# e" Z8 s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 ...

    ; N) D' s2 {2 ]4 l. @
    7 {* i! R5 @5 `# w7 h& ?3 l. d3 c& O( H3 B
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图# @( P9 d% g) b" C) U0 E( K" ?( O3 }
    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
    4 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( o& ?: I% `6 g- {/ K6 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。
    / w# r) E' n4 B2 U他 ...

    0 X( @$ Z( \9 F  m0 F  w: M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
    4 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
    7 D) u4 Y+ P$ C, U) A! [3 t9 a: e" b没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    7 o/ |" @( q: [3 y- S9 v这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    ! H" Z4 d8 Z& 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。0 e7 K, R( I$ [6 M) D
    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。
    % e9 u8 V( `9 N$ v' j* d4 n

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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
  • 签到天数: 1 天

    [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
    # V, r1 v6 c) c1 i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。" i) b. L! K% M8 m: u
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    ; G* s' Z7 ^) @
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    ( V. B0 ~6 Y" A4 ?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
    # U, B, c$ C% x* c, 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
    , H* x% D  c7 l& S安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    : W  I, U& D8 {& c/ x5 O3 F
    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
    3 天前
  • 签到天数: 20 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
    - [0 {9 b7 O, M' f可能高端的铯钟做的更好一些吧2 ^3 \8 e' S0 O
    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
    3 @; y& r& t7 y# h时间基准据说 ...
    ; G; ~. Z  e9 V# q/ 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
  • 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
    ' ^* ~3 g; i- b请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    6 x3 z! v9 P; Z$ Z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" N  g. d- O. w; }6 X; c6 T

    ! G6 k3 v& }3 C! J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
    3 天前
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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
    . b( h8 x3 O. d0 B( n5 c& A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 ...

    9 W6 N9 K/ p7 H* y! D, l/ J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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