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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   O# m' b) ~9 p, }. ]

    ; Q# E* ]5 F2 ^/ T  t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。  \8 D4 D9 V) V9 d
    & v  b8 N: d' f5 [/ g! L* A* T
    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。
    + O7 V! T- w  ]! J0 s$ X7 }
      S0 W2 f/ D& Y6 _1 h/ [个头、模样大致如此,二十六公斤。- \9 C2 ?4 Y0 ]& ^0 u% u& g& G. ^% _
    4 N0 i0 B" \  Y% [& @
    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。; T0 ^: T! I7 ^- M0 m

    1 y6 F% c# ^; u% d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。
    : T5 n' n6 R7 @& a2 u" |( Y6 J1 A) ?' M
    5 A: x0 D- X4 d5 Z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?
    - W2 l7 m! J1 L4 }1 q3 M+ _( l; H) |3 n
    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 U2 D4 {- \8 h4 B7 E* {
    7 ^/ m: c/ m" c* g8 w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!
    3 d5 \2 J& n" S+ @
    - c9 p4 O# M3 e- E$ Q2 a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 x- Z# p& N! ]& _) r
    * a" B7 W) T5 b" X. m5 m
    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。
    6 L, r6 X$ M" f1 z+ e: k/ c- m* |5 m; q* f
    说些个大家可能百度不到的。- x/ S$ |7 n8 C/ p

    8 j, s2 l* F( @" L1 N===前方高能===" U2 u" |6 s, p4 C7 L

    $ g: g# U/ W8 [: n  {! m3 V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。
    6 t) o) r9 J$ L$ u- H9 [! ]; `* `  B' b$ W. 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。8 L) K$ j$ d0 `6 w3 e6 W( R
    $ `5 j: m* f& y6 A

    7 x( x& X5 s; Z9 F3 `0 _/ K惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    / k6 {8 k' {% H+ H% P1 y7 [
    - t; Z4 C7 Y( E% H1964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 ?) }/ \6 l  h& B

    ; B2 ]# @+ c. q9 n( ~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。
    & [: N6 e2 s$ a  V6 J9 M& [3 j5 I2 `2 u) N& l- J
    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。
    2 [/ g, B, Y; y1 y! F
    * u8 Q& C# a* ~% I/ \8 n8 ~1981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 K" C& U: d' p* L1 Q& Z
    9 g: |- U1 }: u. e. s3 V  C
    1986年,十的负十四次方。
    # s4 E. x: f3 V; C( j" Y  m8 R7 H9 C5 G0 N4 I
    2003年,十的负十五次方。
    ! h- J! c$ {4 J; X
    7 x& p- e/ z- l2017年,十的负十六次方。
    * @+ ~! {, b! n) f5 t0 {' G7 f  p2 e2 g* d, Y
    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。
    - C2 a1 K# r8 A! c! k  l$ U* q- X* x/ u- J3 f$ F1 v; z
    。。。( ]! n7 I* n% j+ d+ j
    . @1 I$ H' ^% C3 }& M% c

    6 J3 D* ?8 }' t+ s) t) 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。
    0 Y# J0 W8 l; [8 X
    $ h. o9 x! @8 R, `. ]! o: _
    + Z  a6 J' D8 m3 O0 b$ Z1 _: Z9 P% R" t! o. Z, ]: N

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  • TA的每日心情
    开心
    11 小时前
  • 签到天数: 3313 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。; y; G/ O8 W0 ^5 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
    奋斗
    10 小时前
  • 签到天数: 3215 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
    昨天 10:48
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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
    9 d6 W; O  h, F) w5 g, j- n2 u  [5 l9 v
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);1 |! R: ~3 F. l+ U3 e6 ]. j
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。/ v. K$ I! c; D, q* 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
    17 小时前
  • 签到天数: 3778 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
    11 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
    1 V0 F, ]( r: S* P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& a" c8 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。! C* {1 e. `) Z' r9 }/ y
    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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    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
    ' F" e; a' n5 A- u+ N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。
    - f: }( I$ _/ f/ G, c他 ...

    # q. J: H. U' {* z4 f; M/ W短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    / r# i. N, p( ?5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
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    11 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
    & E) V% g% z. g1 p# v短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    5 h' N# C0 q/ l5 m+ |; |5071A好像这两年不好买了

    . Z. s0 d0 V% |* T+ m  V这个短稳长稳有出处嘛?
    / N5 q6 R! P) 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一半~~. y$ |8 h  f/ J$ D" w+ q8 U0 g% J8 l
    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" K6 r; L0 H5 m& |: [/ K& K7 @. R
    这个短稳长稳有出处嘛?, F& {) V/ O# m7 a4 [6 n6 y# w
    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 ...
    $ g8 m1 j) E1 ]9 }; O+ ^
    & {' x" Y; a) R- |

    . F# n) |6 \0 ~2 O1 F0 g& b- D没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    ! O2 h' P, F2 F. U2 o* d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
    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
    + q) h  R1 O2 J" 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。
    4 R$ Z0 w: q9 Y- B7 a% x8 R他 ...

    9 N1 J7 D" g/ ]! b) t  o) R' G, p! n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
    11 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
    , E& |, q8 V- t! V. D$ R没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    , l' d1 D; t  r, M/ e& ]1 L5 [; Z这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    ) d1 d" z+ o2 g4 s8 V
    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 y% q7 h9 b7 q# x: S; i
    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。
    " M. P" Y, z1 A

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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( R2 {# W! s3 n" V. A/ d: N
    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( B2 F* ?. p4 O, f' N  B8 j冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    * g* {- W4 s  m" M  S可能高端的铯钟做的更好一些吧2 A1 I* m2 v; C; P
    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& M1 V8 S6 o2 X: H8 K+ h6 V" T# d
    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
    + b0 o/ k, l1 O4 ]! @3 t: O安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    . S9 M% K9 o, ^/ O5 i+ n; u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' c4 R6 |7 K0 f$ l+ J
    可能高端的铯钟做的更好一些吧8 p/ Y8 R5 C3 Q$ L0 S
    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% S9 U  e( _+ i& H6 P; V9 K
    时间基准据说 ...
    % z# S5 ?. A6 z7 X: W. Z
    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
    ) I) U& d6 a7 J( g( |) U- H  t. v请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    : j( C1 J1 N  e; o4 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
    : V. E/ W1 K% ]% z( m$ {# n7 w) v+ `* G- S. Y5 p
    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
    2 B2 W" S; F1 [1 Q  r8 L; g, }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 ...
    - v4 B9 R' o7 d+ d* G" 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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