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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* V4 ^, j: K8 v5 T. Z- m, L3 {/ Z5 L+ r% P8 m
    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。
    - X: G7 g7 [+ W  ~- [3 ~) N1 M6 `5 f
    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。
    ; \; J( O  m6 o2 D* D6 W+ A, f/ q  y( E3 O  O
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    0 p: p. z) t& b: F8 q
    - l: Q, C5 M( B! z+ s- W  w! w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。
    . O* y0 I+ |1 `9 u8 @
    + y0 t7 S) ~$ h2 n  e  U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。
    " D% C; _' a1 D! y- x) t  V$ q
    % N% |( h5 j) m4 x7 W  ^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?
    ( O3 W% d; X4 i; ?! ?0 @" q8 n) n. J! `1 ^
    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。
      M6 o; ?* U5 G3 L0 s- t( p3 D9 d$ c4 y/ n3 d9 S! f
    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!
    ( g, k0 i) F0 Y5 o! w/ F( Z% B0 b+ _* p- U; i( Y1 h7 H, L( q
    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。# T. O: F. L7 `1 D9 t5 a0 }6 J
    1 N7 C9 u5 }1 q- v' i
    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。
    : Z9 M; |6 Q4 |* k% w
    + O: U; j. f; D2 E说些个大家可能百度不到的。: h: p5 r+ |: c
    * O1 i% i6 B$ ?: {# {, b4 Q/ `& U
    ===前方高能===
    6 K9 ^1 c5 ]1 ]# B. Q
    * y4 u8 E! K2 z/ q( G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。
    - m) C& L% N6 c: u- s+ [, l* N6 C1 z: j3 c! @% {* }: [
    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 f) G5 Z- h/ n! K
    & U% w# Y/ f  H

    4 u2 U7 ~8 e( {: B惠普当年的铯钟,吊打全世界。) j+ G, ~5 C3 J: v4 C8 s# ]
    " v2 b/ w9 e* c, T, ]
    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!% Y& d' N: X, U. K0 h

    4 M6 p8 H% a) R/ v" o4 X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。& T- l' s( ?7 ^6 ^

    6 d  j$ j2 e5 [% a, l9 h1 f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。
    * z/ `/ n8 X# ^1 n: K9 B' J/ n/ P$ e3 y- l
    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。  P: H7 [; f: z: k2 n* t, R

    7 [- O+ V2 H/ [$ }1986年,十的负十四次方。
    - z/ B: B. A6 V; |1 }
    - j/ D( b) Y2 s4 ]: \2003年,十的负十五次方。
    " ~! U& `' D% Q1 |% n3 E% `
    8 ]" `1 T0 v0 A6 }2017年,十的负十六次方。
    % _( F- r2 |1 `' @+ d2 z, N& z  o) F! t* b$ f% v% O
    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。
    ! O5 S( F, R3 ^2 e( p7 e" G/ f
    * v; v% z# |! ?6 ^。。。
    8 |9 R; e' y; i7 D. Z
    : i; U5 G8 _2 V; `6 L6 `9 E- x1 w) J& s8 C0 Y$ V  {# J
    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。
    ; T2 B- r! Z' x+ J! k4 k; S0 X' T5 Q
    ( p! K2 v  |4 S6 q5 \. r+ }( J  N  B  s$ x
    - t3 t# z# p7 e$ B

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  • TA的每日心情
    开心
    5 小时前
  • 签到天数: 2639 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。
    0 C6 H4 _! C, v. L4 _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
  • 签到天数: 2571 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

    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
    + c% E- q, Z6 J$ e1 v; f( d7 {! a1 e
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    3 K3 c8 ~" l: C4 w% ^. z看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。% t! o# K. m: p& p3 O; |, 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
    5 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
    5 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
    4 X" F1 f8 L2 @3 M+ t2 w6 ^) G: T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
    : ^9 u* e; U! j# G6 }' p
    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。0 U8 Z; u; ?1 I9 c7 B. f# [
    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
    + \4 p2 f% B' L* f: 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。" {4 o& m4 _& X
    他 ...

    : L5 G+ m# E1 Q# Q, y8 k短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    $ }3 B& ]: f# z7 K5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    5 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+ X1 }9 x5 ^3 k4 ?3 Q$ s$ B
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    9 l. ]) W( E. m+ I3 ^3 d# x5071A好像这两年不好买了
    3 N! P" j& }, s. b. [. ]9 l. n0 y
    这个短稳长稳有出处嘛?
    / n( _2 m! P# ]+ p; @4 R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~~. ?7 K4 u' y% r5 s+ S
    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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    [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
    # X: G" Y* ~6 P# v这个短稳长稳有出处嘛?
    & G3 f  q# ]! O$ D6 r) {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! c8 t7 P. M7 M# r3 S! [7 ]2 e
    8 f1 c2 ]4 H" Q  I5 R2 _* F
    % Q2 r7 z, H1 K- s3 C
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    - w+ u, Z$ ]! ~7 Y/ f; v8 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
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    5 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: g/ H5 ^8 |+ l( a
    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。
    , K5 m# q1 @6 }3 L, p他 ...

    ) l5 `, }5 b9 h$ ~: e& S; z% @% 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
    5 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 T% i+ @6 n1 r0 X/ n$ M" p' M3 m没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    1 E1 Q0 K" T* _这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    ( t1 g) F7 i; [% e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) A0 `* M5 _# v  w) b7 C! M6 g
    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。
    & j6 z; v3 @' z( ?% 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 03:35: _: ~0 {$ g1 }# c& I8 D: G
    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。
    $ V5 \* M+ c4 _冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

      _2 E. d0 T0 r( c9 V可能高端的铯钟做的更好一些吧
    ; R, X2 v& U. U/ Q* t$ A0 N/ B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: A% B3 w8 @+ g1 T) k
    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
    8 g; O6 f( P9 L% u& o' ?; C1 S安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    # O6 t; R6 q1 u2 j8 v+ S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 11:338 F$ i: _, H; W  ]! r% W8 U
    可能高端的铯钟做的更好一些吧+ N: ^& x" J" G. D
    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  W! q$ D3 v! v
    时间基准据说 ...
    - j' M; ?% U' ?/ _
    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 00:56' b- z* Y- C: L
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    + t: r1 `% |1 `9 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
    : {' }  K( N& Y: v5 E1 B( k- q1 P% F1 a: S( C9 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 10:295 o8 X4 b2 m7 ]; I6 [* R; {
    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 ...

    7 y' V8 J& ^2 _3 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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