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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
    + w5 b  K! [1 V( |* z
    # V1 R- ^" P( M; |! 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。+ o' {1 Y6 [$ k$ _5 a* i
    ! J7 D  U8 \1 c: M6 f- p
    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。
    : {! D! _$ S- g+ ]& R  n+ m# c8 e3 r7 Y, h: \8 l* S2 j
    个头、模样大致如此,二十六公斤。1 R& w. D8 R4 O
    ; q9 h  h% R5 A+ W4 ]0 h- d
    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。0 b# S& g' C& w, p. Y+ S+ {
    / u7 D/ T9 V; w
    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。
    7 E2 \% {6 z: m8 p# H4 h' {( d+ [" [
    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?, j& H8 ?: w" c3 [, R, R" `
    & \& I9 G6 D9 M' k5 V! N" 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。  @: S8 m$ Y$ A6 ^3 w3 {/ f! _
    9 }: i$ e" x7 f' G0 C  c
    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!
    2 Q, q5 i% X9 i0 [6 L$ q
    3 o, t5 R8 C# `# X  x" `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。
    - x+ r4 m; X" k
    : S  a: e; A7 j! g  j# w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。
    ; C% j$ {* E2 I0 i- S! O' y0 y( s( G. ?. x( n' I
    说些个大家可能百度不到的。
    ; I4 }3 }& V4 y4 e+ U' M, R1 m/ N7 G% s4 ]& {3 u
    ===前方高能===
    , U3 m, w; n1 D: E, n
    1 {3 W, M% P5 k; s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。0 @' m7 x( m9 t& i+ L: I7 u6 g2 f

    * K5 e/ G! c' 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。# b) R, H0 M: o, Q' ]

    ' w: _3 E) P6 g4 N; r6 }9 c. ?% P, B( ?/ ^6 n0 a  t& t) t
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    - [" t, f$ E6 H& G6 ^  B. C- ]
    3 J1 L6 A0 g! L* a2 E1964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!
    ! s4 V' p  `8 |1 c( b# ?5 k7 g
    3 D% g( M6 @4 u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。6 F; R' ?1 D8 ~9 e4 C* Y! X+ ?
    - y. w* A9 H# F6 H: |- `
    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。7 ~" Z+ m$ w. N: [

    1 v3 D! r( X4 |( u* ~8 }( e- J1981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。
    + o' X) `# _  w
    6 k( x  Z- X1 c0 \1986年,十的负十四次方。
    ; G  d4 ^4 {8 g9 D+ S' j2 ^' h( t4 a2 R1 u6 p+ d# g
    2003年,十的负十五次方。% n: k) Y: Z8 ]  m4 T3 d

    - L3 w8 @3 N. f7 C+ w9 U2 g1 v2017年,十的负十六次方。
    ! e$ O! o6 k& V0 `( X& k8 m& U6 A! t5 b; [! _! x
    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。
    8 c7 z+ s* P- l6 o+ w& Q/ b# z4 P' Z8 N1 h0 J( P4 a/ B- H
    。。。
    4 f4 l* j' n( f% N: k" `# s' z- O
      d' Y) `5 O! _
    ) ~) H7 Z6 y3 V! ~$ W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。8 V  \4 k2 D$ A/ ]
    : ~/ i. W' ?% N4 [/ @. F/ {
    5 [2 q+ M% n" r
    ( C6 h, P+ N+ k9 f& G2 \4 d" P: F( [

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  • TA的每日心情
    开心
    昨天 01:45
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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。
    3 H& H; h) i0 |- I( y) y; G4 Z/ M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
    擦汗
    10 小时前
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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
    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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    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

    2021-2-24 23:26
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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
    2024-10-10 13:34
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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
    & H4 s* Z4 m4 ?1 m+ h
    + a2 j) D- j4 R7 w* _! C& v群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);: C' N" u, L6 ~2 v
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    % M$ V" B3 ^: p# G6 q! e2 }5 ^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
    17 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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    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:45
    / y0 q) A+ ]# v* d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

    8 w* `8 k& j' S$ r8 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。# a- {2 g. p1 o
    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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    10#
    发表于 2020-7-25 13:35:00 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-23 22:568 \3 ]1 R" v2 s# i/ o+ X( q
    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& `! g0 C# Q5 K; _( L: s& l
    他 ...

    ) J( r, k; ]8 V9 \) Z0 Y短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    8 [  V. i0 i& s. {9 c! a2 N5071A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 13:35
    2 C& ]7 g, V2 k: b( a. N% d短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好: b/ t& m, z, Z8 _( f- C- S+ h" T
    5071A好像这两年不好买了

    1 H) `0 P9 Z7 g这个短稳长稳有出处嘛?* L- {0 J  h6 i
    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~~- {# c  Z1 ?' s+ X' S* g
    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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    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
    5 m! z- k: V0 O4 E这个短稳长稳有出处嘛?  i/ T, D5 e* L' 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 ...
    : Q) T$ ]7 r& C% j, M/ `

      R8 W0 Z1 C6 Q) W7 z  U! B  [( a. t$ X- v+ |+ N1 h
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图9 h  s+ k& a+ s+ _
    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
    17 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; o5 ]' p! n6 H% `
    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。
    7 U6 E7 r; G, w6 G9 x2 C. D2 B他 ...

    8 K2 B; d* 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

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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
    9 D5 K' x. X" ?. l; V没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    + o. Z  ]( B/ i这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    " a( S9 j3 t- d% l8 |  M& ?5 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。5 g7 N* T" i0 |8 Z( A, e; X0 P
    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。' _; W% V4 B3 J9 ?" z2 {: m* s

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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 03:35- q' M! R/ `  |7 @
    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 j, j: ~7 n. J6 t$ K; e) i: b冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    0 j) D) a' l, ]可能高端的铯钟做的更好一些吧1 ~0 m4 }8 a" j$ w2 e
    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9 j* _4 P. d) v+ W3 a7 c
    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
    : _7 @+ ^; g* L. X2 n* 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
    6 L9 Y+ a$ a4 }% D! 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
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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
    6 w& Y. n* q5 R) u1 {$ n& R可能高端的铯钟做的更好一些吧' ]2 i) h; }6 g0 D8 k1 N+ ]
    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
    9 Y9 |& j% V9 P% f  r时间基准据说 ...
    ' y, w! I& r4 |
    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% F7 j+ k0 e8 V4 b7 ?; ~' \
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    2 U8 Y& P  |% 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
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    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 10:294 T* b: q; d, V3 v3 ^) _
    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 ...
    $ x; y! f2 x7 }! r+ q9 D
    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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