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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 / [' P+ Y' {5 {7 b  E4 s# L- |. z
    * C$ v0 C8 ?5 @, Q/ s! l
    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。
    3 W7 N5 {" _9 K# k
    3 H! |: T* H6 N* n: f- a2 a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。
    7 p4 C+ f' a. V3 H$ H9 q9 e
    6 n8 V8 ?. U, o个头、模样大致如此,二十六公斤。
    : G9 M) _) _# a- Y& y0 X5 e6 u0 ^4 G# d# p; J' ?! v  s
    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。/ B" t$ r/ W# Z
    $ e3 b: n0 p; t8 g
    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 m- `7 j4 h% K7 b' H! B4 S: a- R6 t/ R2 `2 f9 [
    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?
    $ s% ?* v  p- n0 K. `0 T# W
    0 ]7 k# D4 ], s% K: S; I3 t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。  R2 e# P/ {2 X

    2 e- p) |, i$ D  a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!
    / a# P% I& h1 M: W- D" m1 U& m; F
      s8 Y0 J* @# f1 y( 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。
    , I& n- u$ [2 M+ G7 I
    9 A7 L8 `" \9 Z& X/ o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 m9 ^: L: g+ o
    # k. u. L* C. P1 ?" ~' i: Q/ ?说些个大家可能百度不到的。
    8 v0 N9 r& [9 ^# f' G8 \( p# q2 L; h- a0 T' R# C  E1 T0 x1 S
    ===前方高能===. E( a6 \, F7 x% x

    - f/ H4 [( U8 u9 n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。2 T% V6 ~3 ]8 K7 P4 e7 C3 `9 Q

    # Y' A7 {% H: S1 G: o) y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。
    3 ?+ p$ \4 Z0 h" Z6 g# @0 i
    3 n$ I2 |; r' v7 z
    ( `5 V/ b( ~/ G' }( L惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    % Y3 E+ o) h" U1 s1 W  `& B7 X( X$ p' t. W# Q6 B+ z6 [
    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!" [) x; O( [/ S- O/ f( ?. S

    . j; v1 @" U1 B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。
    ' X) O3 l" L7 V9 }. p& @: h! [% g- z5 j" b  y- B
    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。- _4 g  r' _6 F( A  \! ]- w' o$ [
    2 o4 k7 r5 j( [8 q) U
    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。
    7 O7 Q$ Q4 ~5 E* S9 Q$ l0 p% V0 s) O3 h0 J+ {
    1986年,十的负十四次方。( [  _$ k, ~3 R4 ^7 ?3 f

    & o3 j7 d; g  C2003年,十的负十五次方。( P% j6 B) ]$ N/ O5 F9 _9 E- p

    ) y% N2 v4 G0 F# L2017年,十的负十六次方。0 p& J# L4 m) E0 F% z

    # d% \; Q0 J2 @6 |1 l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。
    / Y# \+ i; R; v$ U6 o- }+ S
    + z% k' Z( J2 }/ X0 Q$ k: ^% h。。。" [6 }* C% [9 ~% u

      b/ T2 V4 n3 x) `. d
    , j0 q) S8 s# U! g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。
    5 ^9 H. R7 H7 n$ ^2 F; d, w7 B$ B, V- F  a& W
    + p' y) ~* b1 n: n7 K
    & M6 A* _$ g( x" v) ^8 r) K4 u

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  • TA的每日心情
    开心
    2 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。, L# e( ~3 g) M2 c7 e# ~, Q3 ]9 a$ G" G
    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
    . [4 ?% J. t% D* F" D; P
    8 V2 P. u6 }3 z: u; U/ {群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);9 H6 n. l# K  f+ W' K1 X6 u9 D
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    4 u9 O2 G, \6 s, U& O+ I0 R% B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
    2 小时前
  • 签到天数: 3075 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
    2 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
    9 g: d2 {& S' t% [' O, n6 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
    ) ~. K' {4 _1 [! y$ ^9 E$ Y
    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 i& n4 P% F5 W! i; q+ x# \他家的铯钟在基站上很常见。

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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
    . K5 X3 f2 ^, ]. S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 K* P; I% e4 ]3 z) h
    他 ...

    ) s! A+ [: l; J& w5 ^. |6 p短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
      Y& m& J" W( C9 G4 q+ }/ D5071A好像这两年不好买了
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    2 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+ y0 `6 F% w. `* [% Q* Q7 p
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好. H# m) w+ r6 I4 p# \  n, a1 C
    5071A好像这两年不好买了

    ) ?8 _) e' x  Z8 }7 W& K  V7 O这个短稳长稳有出处嘛?
    $ B2 F9 y- l2 G+ g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~~
    " a! f" R$ [7 r1 ]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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  • TA的每日心情
    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 22:565 C7 X  |! O. r8 i. L- _
    这个短稳长稳有出处嘛?0 a! ]7 V" M+ Y7 `+ F- 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 ...
    1 K) s( v5 H9 _

    . b+ s  I/ Q7 z2 Z8 k$ f; ?9 W) f$ ~1 W
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图1 J+ @9 j4 u3 v& u' A' ^
    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
    2 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+ z7 N, E8 N# |0 H* d: M5 Y
    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。+ X! C6 A& v# c- m/ G
    他 ...

    * S7 ^6 K; \6 _2 i- Y+ H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
    2 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
    ( N) I1 a! O& O0 H  U, M0 t没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    5 k% e. u% h1 a这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    / R$ P; S/ ~1 |! c6 C+ B( d/ b' t- d) l( z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 U" Y" s+ {$ A  w! S' ~
    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。3 b- L$ J5 o* v  M/ Q  T) s. r

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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
    . Y" {; z/ n* ?$ F5 o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。
    " J& f1 V) J, L0 y+ ~. s  n冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    9 m" {* P8 d& g/ |5 V
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    ! _4 F# b1 `: N' B0 C- Y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+ x* R' x( ]. x
    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 03:016 q2 E* x" ?" q% A
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    8 ]- |: J+ f  c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
    / a% m  Y  Z$ Y# e0 v& U可能高端的铯钟做的更好一些吧5 A% o0 T6 B9 X" C- R0 U
    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2 Y$ V8 d3 l/ A7 i- ?( ~4 R
    时间基准据说 ...

    4 g( ?+ ~1 B2 Y% n/ H6 S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 ]7 e; V2 |* k: A  X请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    7 a: @/ ]/ d& d; a( Q' M: R6 y
    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) q1 x  p3 F! g" \+ D
    0 g- ^/ E: h; A4 C
    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
    # f+ f% E2 U+ v6 F/ q! f, e  M8 @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 ...

    # I& R" [! L& n& V) G& Z1 \$ n) [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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