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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 & v) H, O, C* T) Z) h/ F! ^; E

    , s$ v3 N  J+ G1 P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。. r5 M  t7 @, ^$ l+ E, W" a$ I
    ) [* r% o: M9 A1 v6 j5 t2 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。1 s( V6 V+ K' N9 E' [% D4 b8 r- H1 ~
    1 \" R2 F% B- e% S+ v& }
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    4 z5 b* j. c7 N
    - `* \& w  N9 p9 n$ V8 V# O  ~3 x  ^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。" i2 ]+ c6 q. b6 ^
    / T! g9 t: Q3 U5 O
    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。
    ; c8 d# [# ]! c; ~3 `  J5 w/ h
    7 p- m0 s9 d5 q4 L- A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?
    7 ~1 r6 @0 C- H! [2 ^3 }6 l, e9 `' a1 V
    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。' U5 H0 p. s4 [; d! K. T
    7 H/ n( a5 D8 @' {
    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!
    1 ?6 n/ l, M9 R$ P9 j9 h' s6 Z( `) M9 v3 P: ?7 j) |! |
    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。
    # n- x1 H, {0 G# a. I" j# X. x) h, a$ Q* ?% T9 T
    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 v# |# P' ?7 L1 ]5 L- w$ J3 |& _
    说些个大家可能百度不到的。
    / b2 h, e, q7 n' w# @! m  R
    9 d$ X8 r) @; [) B% q) A: n4 ?8 u===前方高能===0 H9 ^! f' J) M

    3 G; x5 q. a9 v0 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。5 s2 x# G; y5 c

    / t/ Z1 D% t6 k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。% l$ p% T9 t8 `- ^* t6 k& T7 ?
    ( O- k' Z  J4 ~/ b4 y# L" R

    & @# O$ s# A+ G0 n惠普当年的铯钟,吊打全世界。# E3 ^. j" h: Y

    . X0 e' ?( C$ g# ^/ E. ?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!
    3 |. j- r/ i$ y5 ~# }3 k/ h6 x0 h- 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。
    ; i: I0 W: Z4 M6 b8 ~% a6 @* w) u) G+ R
    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。
    1 p0 b9 L( p4 q. g  d
    : U, Q. f( @, S$ T* u1 r$ r1981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。
    ! h: b9 f$ o8 _# ?- J, {) I
    1 l' K! c5 b$ k  A" q1986年,十的负十四次方。
    ; x3 ?9 g% y9 S- t  }
    5 z( b7 ], R. r; w$ R/ J2003年,十的负十五次方。
    & \+ V3 H/ _8 {* }- A* O( f
    % c% c, f. g7 u9 X2017年,十的负十六次方。* i% |" Q( [( y- D7 I5 q7 }2 O
    0 L* [7 e* h% p; W; 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。
    " b+ v0 H4 s" q( [; s% H: C" v2 q1 w& O. @& M! K) @) W
    。。。
    6 W" l2 D* q! n2 R4 ?. Q' L) F: v; i8 S+ C4 u" M/ i) ^
    ( `1 U" T7 Y) V) U
    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。" [. D" _: `. {6 G
    1 I6 O) N4 _3 q% h

    6 ?, {( Y$ H; h
    ; _6 e. J+ ~9 @( h% p3 g

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  • TA的每日心情
    开心
    10 小时前
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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。
    * p( X: S  f2 d' n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 00:49
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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
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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

    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
    3 天前
  • 签到天数: 558 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 . N" `& r' {/ Z. r  Q

    + g# G1 L: C" q6 j2 q6 U9 n群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);) T: I* S2 E# {: g8 [) j
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    4 s: Q- Q0 [9 M# l$ n! H2 I. ^8 }) W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
    10 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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  • TA的每日心情
    开心
    10 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 18:458 V/ a4 p( P0 z
    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

    % t1 N- c# k8 G* i& V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。9 x3 J7 o3 X5 y0 f" E& x
    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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    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 22:565 Q, i9 p  m: m$ |
    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。
    , ?- H  Z4 E7 e! c他 ...

    6 Y0 G  L' i- H% \. ?短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    % Y( {2 I1 q. i: b4 F- F/ \5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
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    10 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# q+ D, a% H- L' S3 Z4 d! O
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    * R" z2 L# p$ ?2 {1 Q' j5071A好像这两年不好买了

    5 F) `4 s  u0 l- a这个短稳长稳有出处嘛?+ N2 S" u" |; `7 K, @3 X  c
    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~~
    1 N; i# Q( ?/ R# D+ T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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    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) E  m9 ^; _9 b# M: C* q( ~9 T# ]
    这个短稳长稳有出处嘛?
    & S6 C; J8 ]- W* T  W# ^! M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 ...

    & J, N  a3 y6 E& v+ y2 m
    . ?5 X8 r0 N- e+ c! _4 N/ o" {# F9 F3 p2 `3 x
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    : U" S: C& k( j3 R9 c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
    10 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
    ' I" k$ J( O, t5 v; ^+ g+ _# V+ 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。
    ! I1 m. Y" s+ `8 {7 X& \! c他 ...

    + q: A6 s) e3 D3 v9 p, `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
    10 小时前
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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
    8 {( x! c' b) \8 _: ~6 S" n) `没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图* |% ~" i- y7 v5 {- F. |( Z; J
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    ; s8 [. }% l9 \" |
    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 Q. o/ C. M7 Q# U8 L  F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。
    % I1 {- r1 M. Q( m$ r7 L- C

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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" j( g. V+ _5 c/ t
    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。
    $ B) C% I+ r% f9 ~1 k) Q冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    5 H8 u! _; Q9 _4 H1 ^9 v; F可能高端的铯钟做的更好一些吧
    9 W1 h) S* h; Q: {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! k1 Y1 ^  C  X6 n3 a( }' t
    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
    4 V8 b# b0 w5 m9 x安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
      b6 R) Q9 a6 }/ Q2 Z
    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
    # J' s+ p6 b+ c可能高端的铯钟做的更好一些吧
    1 J/ ~6 q) h0 V* e) S5 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/ _$ }6 ?* N4 J) z& b2 W% p# o
    时间基准据说 ...
    8 a/ U. n3 I8 H& H
    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
    6 s4 r, _2 n# w4 u  M. F. ?- X请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    0 k& e8 v4 Y) @/ Z9 J" f9 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! {' K5 D: {, O

    4 M" n, Q5 p: r0 r; E* 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
    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* {: B7 q- D7 V, m" q
    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 ...
    1 x; ~3 e- G' ~% A" R" s; s
    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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