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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
    . ]: B) X0 ~+ j  l; |3 K( X) J/ ^2 I8 T9 I. A/ ]7 s3 w- U
    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。
    & l. l7 V/ b4 M0 n, g1 g3 O9 w3 N  c' 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。
    3 G' V6 @9 _! O. I& ]& c, R  I) L" f7 I
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    " o! K/ ~. }: A! O" D1 T
    ; Q7 C" I% V% d0 l& Z+ N  f" k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。
    + |1 S0 H4 I$ F0 T4 P( `2 p+ i5 J6 @) ^3 ?
    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 H  z4 N4 o' M6 C# i
    2 Y# g+ `5 I4 V, g9 T- p& {$ ?* X
    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?0 A% d0 }2 l+ M* k

    ) z8 \# s% ^/ \- R( ?, z! N( [* d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。4 b- ^6 x; y2 l% f3 M7 n
    : |) E( ?8 V. z' ^% 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!
    & l& F" v0 ]0 r2 d5 k- {4 F* N- v. ?$ m4 k& {9 o* ?; v- a5 m1 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。) {7 b) z  w' ?) c4 Z
    + }8 ?5 I. e# R1 w6 r. ~
    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。) {# S4 k( A! X* V; v7 ]! f
    8 n+ x( b; e9 }1 b: X0 Z) [7 q
    说些个大家可能百度不到的。2 [  `" L  ?1 X/ r

    $ Z3 c8 u$ h4 w1 ^5 e/ _===前方高能===# V+ p* i( _4 }
    7 b/ n0 l- O! y( ]* w, ]$ Y
    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 K* N! A0 s$ B. n' g1 I$ e9 T' I4 d, x" o& O, ^
    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。5 @$ ~1 O& a% A0 c
    8 x* K2 e, L6 L7 ?" _* H4 J+ }1 s
    + P% r) k8 y# N- g0 n/ g! Q
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    ' u  o! t7 }8 _0 z3 e9 G. s0 A! q% `0 o8 F, v* c5 a
    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!
    1 d9 P" P# q& R; j" j: |, k7 T! h; M- V# Z5 j  j" e  V2 |& I
    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 r6 C' z, F, o; N# J9 f& A
    7 n- J' r' [/ Z. w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。
    ! T: }% F1 ~: l: G% ]' I
    6 A9 ^. D. r4 i9 Q! P  G, |; 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。
    ) Q& m8 r3 h6 n( M% n" K' [5 ^6 `: j2 \! L
    1986年,十的负十四次方。
    & ?- I* \. K5 a1 I6 R" z* x) M0 ^, Z  v1 N. m5 h
    2003年,十的负十五次方。
    3 z* P6 p' m0 l1 [: C" N+ V) s* H% l  _3 H0 E
    2017年,十的负十六次方。8 U2 P* r& M, v5 V# O

    9 h) f5 d! R4 |$ P6 u/ 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。- _; U% @4 C: x0 ?3 j

    ; ~; l; {! u1 k5 H( u/ x。。。
    2 ^; \  J8 w5 q
    + }. \9 ~9 y0 P# `; C: K7 _& h( @
    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。
    6 p+ j# V- p) i* _3 m7 @. r# D4 x# `$ p# b& J7 J2 L

    3 |8 [+ j" |. J9 J8 i
    " G5 s- c8 Y1 Y% Q; O

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  • TA的每日心情
    开心
    前天 04:43
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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。# f4 V& }. G- n$ O
    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

    12 小时前
  • 签到天数: 3164 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
    给力: 5 涨姿势: 5
      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
  • 签到天数: 639 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
    * X% i; e# r; }" V  q; B; e; c( y" \3 v( s1 S: E+ w* Y. q% G
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    ) ]+ m) A, \6 x( k: _看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    6 K0 Y" @( Z5 W7 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
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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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    前天 04:43
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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
      I1 f& w, e3 J, j1 E* 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
    & g0 w0 L! U5 j) j- H9 _8 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。
    # b7 |, U4 q5 R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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    10#
    发表于 2020-7-25 13:35:00 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:565 s! ?- ^6 S0 s# N4 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。3 o$ p& r7 r& v' f
    他 ...
    ' Y: ^( U- R  Z5 L, }2 e2 ?
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    , K; F  P5 K; r3 C: D5071A好像这两年不好买了
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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 13:352 H! k* o: ~) `# \
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    6 m$ e1 R2 _3 j. `5071A好像这两年不好买了

    - M7 A3 D. R$ M& ~- c4 O这个短稳长稳有出处嘛?
    : @/ p3 u% W( m9 x& b. y9 ~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~~
    " i. X! k; k* `. A. H" I* w; `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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    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
    & k1 ~& G6 ~, q) N这个短稳长稳有出处嘛?
    0 y( N! N% m$ l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 ...

    * _$ e$ Y6 U  N; y& E/ p( ], W7 ?
    + ]1 |$ s  M  L& w5 `, v0 R  b: }2 f
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    - Y" \4 x/ q; m# S' j" n  W, @2 ?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
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      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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    慵懒
    19 小时前
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    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: L3 {: A; c+ q# ~0 G! |5 Y" M) C2 N. D
    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 J4 F! H0 ^, t) Z+ `7 A他 ...

    0 S  o) N, D: \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
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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% p( }) ]2 \" s# f1 `0 c3 l. O5 ?
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    : G7 z5 R4 R+ _7 F) `" |0 L+ I% t2 C这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    , {2 q2 F+ r$ Y6 J0 z1 I" h
    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。
    + P3 t( W: }3 I4 S: S0 h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。) _4 B  b1 Z8 \1 y1 w

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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 03:351 m4 i$ e" X4 ^* x  z5 w" 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。( ], D1 E+ _* S
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    2 ~: {' X  O% ?可能高端的铯钟做的更好一些吧
    , {4 q' i5 x, L7 i# M3 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- O! f" Z1 A! ?  ~; U& |1 _
    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
    ! ^1 t  ?0 b1 L7 d  H安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    + b. e$ `- Y) _; a0 i
    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
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    [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
    ; b0 K, i; e/ h& ~可能高端的铯钟做的更好一些吧
    3 e0 v8 ^. o* Q' m. N' M; N$ T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 {) W, Y1 m8 a时间基准据说 ...
    . l  M3 F- z. g. ^
    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 00:565 A; Z/ l% ]; [1 M0 N! u# ~
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    & }/ V, Z: I8 n8 N/ t& t, l* b- [
    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
    4 K# U1 \# g; w: \7 J4 s% M. P- ^1 ^4 m; t2 U) n/ O' W4 ^* ]7 |( A* E
    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 10:294 x  P6 a4 l5 {6 a2 q2 k+ o
    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 ...

    3 Z; u( |! }9 _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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