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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 ) q1 y2 }8 n6 K- }
    " l' w, M; [  r( C$ `
    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。
    ! K1 E7 k1 O" m: N2 \( S8 O' L& I1 i5 }4 J# P9 y, 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。6 j$ B; k) f  G5 V: }
    9 T- r* Z2 B$ [3 w# n% b% b+ q
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    9 E$ ^, N8 B; s5 o& b, @/ B# ^6 \% Z
    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& s- q; W: Q* o7 O# P. f
    ! ~- k6 G  i, n, [4 q
    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。- I& A7 z4 Z2 i( ?" ]* V

    4 T1 K. y: s3 d  E' x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?- U! X2 x( N4 N" g' M" v5 p, ]/ u
    6 N, E' i" J1 |
    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。
    " @! F8 t  J. v. F, z
    " a4 u) i# c6 p5 N. Z, t+ R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!
    # Z# N% j' _1 A' b6 @! _  v
    7 C5 M! \5 |3 N9 j8 y* L8 t/ _! 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。* u9 Q/ S* e& E

    0 ~- s6 u/ h' d$ U1 z9 L1 x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。
    : b4 Q9 ?' r( X/ n( S
    " s/ W' ?8 @7 y& r" P说些个大家可能百度不到的。
    ( o* m* y, j( ]8 N8 X! N3 j8 n8 `+ w: n+ Y( E! N2 [/ V! N
    ===前方高能===5 S  N2 `8 c  y6 ~* |; E  {  o- e

    ( S9 G9 e2 R4 H" K& k# B* y& x6 z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。# c% S7 Q$ W2 h  y5 t
    - ]( `( M- _7 b; x7 b( ^
    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。: j) k% N; ~, W) Q. C! \
    / B8 `$ [9 a; m4 o; W
    8 @! u9 A# F2 I5 t4 n; a
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。; Z* f0 I" x' ?

    7 c0 ^1 P) T% v9 q$ B4 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!
    ' E2 b  D" I9 {5 `6 t' `% `" m6 R% Z+ S( t( l( c
    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。8 l/ w* D% C$ t" e% D
    ( V! D8 B9 h- H+ N+ I
    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。
    % f. D  I* T" K/ `" j) A6 E$ e" w; m, ?' W9 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。
    . ?. ?) @0 y6 |7 B5 A" ^7 |* e2 x2 B% |( w0 n: j
    1986年,十的负十四次方。
    + `& v( j( H9 Y& @
    ! Z2 t6 R+ t$ h* N! V* D2003年,十的负十五次方。
      ]* \2 s2 _; u" L( v" Y5 ~: V% Y, W" K' W8 V( v0 X
    2017年,十的负十六次方。
    & w) O- A6 B+ w8 q; v$ Y( @8 G: ]" u
    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。
    9 N5 r( \7 }+ `: {$ x- f2 M
    & J/ s( O7 o6 J: G& t$ n; R3 n。。。! q0 }+ w+ n+ L7 e) }* \( g& J3 D% m
    3 _7 q8 Y! N% ?! D: w; H- e& l6 m, `
    5 _6 ]; E% q% A  ~' h4 c
    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。
    3 @1 ^0 d8 k; Z# U, A' q% J+ h
    5 T- ~$ z& X6 f9 |; x$ _, E2 I+ e7 _7 u7 j; U0 e' s
    & J8 t& N  \2 H4 T

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  • TA的每日心情
    开心
    6 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。2 }# K4 z, a/ Q
    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 % F  E- v2 l$ ?* O0 e
    ) `+ ]9 a2 @5 }0 M
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    - e' ^: U. M" Y0 z  q看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。/ \* N/ R: w8 y5 i8 O/ 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
    6 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
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    6 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) D* l7 J& v- ?: K+ k! a, _/ z; f
    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
    3 r0 i$ @9 e" K9 S9 `
    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。
    5 \; k' X/ X3 h8 R) G4 f  \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
    1 S$ W$ Z8 V+ i, q' ~* e+ k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。
    ( z6 e% S/ }+ N2 q0 A. p他 ...

    8 s$ }* d- Z! s5 A短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好8 O1 ]# X, a, U  k
    5071A好像这两年不好买了
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    开心
    6 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
    % m$ O6 ]+ R0 `$ {+ w短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好5 j0 P/ E- D/ b& b) G
    5071A好像这两年不好买了

    * J0 Y( w: ^2 N! {: o这个短稳长稳有出处嘛?
    # B; M( a/ |$ u$ j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~~3 n) ]$ p$ }* \, ?5 H9 w' q# n
    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
    " C" c% k' I# w" C# M& `这个短稳长稳有出处嘛?8 M3 K% `. I" c5 A
    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 ...
    7 {- o3 D" P* F% ~# i" B$ v9 n

    % A7 K2 a) P  G0 Z; B/ l  O$ }
    - y. n! F" O9 G" Q没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    / D! @# ^# ~! w- ]8 x# P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
    6 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  ?! I0 I' z4 y7 h) O) |; \/ J( 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。7 @2 _2 T2 c, b* I8 U' @: h- R
    他 ...
    & c8 ^# b! d/ g& y( i: 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
    6 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
    . G8 ]' K0 s% w3 K9 s  w, O没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图2 ]; N) h! S$ l8 P( L9 v. n
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    ' p8 i0 ]  x* M2 {- T- P
    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。
    # u7 J- b+ N8 f, }( Q, ^6 _# S: F7 l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。
    , L7 h2 k. g8 d5 x3 H

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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
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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# F7 Q) p/ o. \% u) W7 _7 l
    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。9 F. Y5 ]" C: H2 v  g; ~) p
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    6 Y' ^' y1 h  j' B0 \2 a# S( `! a
    可能高端的铯钟做的更好一些吧3 k3 `1 I. ^+ F
    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
    0 Z5 e3 U8 E! J1 |( S" z9 `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' z3 ^: z5 `9 `2 c9 D& S& K3 X; v
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    - {3 e( k; Z1 R) b8 ~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 11:336 b5 o/ k# {' b1 `( X9 O5 ~* |
    可能高端的铯钟做的更好一些吧9 v: q) q- s* C7 l5 z0 G9 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
    " R7 V6 B0 D3 V, E4 ?时间基准据说 ...
    7 n- |5 W) r- G, _* N9 y
    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
    ) f+ n- F- k- L: ~% e请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    ) c2 f; g4 z# f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
    . m5 g% l; k, I7 L+ [& d) P
    5 r5 `4 h  k/ V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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    开心
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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" [, g) d0 o& k* n9 @
    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 ...

    5 y; J% l0 q! g( N* f  o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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