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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 " Y! `& q$ s% V4 h& \; C/ p$ C
    $ ~0 x" X, ~  T5 F, ]1 b, D
    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。" J- e1 R; x% v) k

    0 @2 a4 l) J5 N) `* }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。( M0 h, ?# ?) v: [3 x& b9 i" H2 [

    ( D; s" M9 d7 Y) _* R个头、模样大致如此,二十六公斤。
    & O, G4 k: p6 j/ ]
    + ^& }: s8 s8 u' z/ H' l4 m" u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。! c9 u, r4 U) m& m2 V

    9 c: X; y, F. I) M2 {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。
    / X0 h  S  o4 ^; [$ z1 A% g+ A' m5 _, |( ]1 B+ ?% p7 s
    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?  I& }* H) l/ c- D
    7 Q6 O* W. K, _
    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。
    8 c; S3 m+ j9 X% N0 ~% m* U4 A( B/ H5 ^( s( [$ b7 e5 t9 i& l
    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" Z. A8 ~- K' S" Z& F# E
    * M3 }5 L5 y/ q- 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。
    + Q7 N3 |- \1 [3 _# p$ L
    : c) q: j& g. K& ?" L+ W# |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。# Z6 Q0 s* ^) c- {/ W& R+ t: g
      Q' n! {! a  v. R" B. f9 S
    说些个大家可能百度不到的。
    8 _; w7 [/ {3 {! h0 w4 k: t3 A$ T9 S* E9 h- |; S* m: A- R/ H
    ===前方高能===9 n8 m; V! d" o, d  F- o
    & x3 h6 K- Y& D3 N2 O& 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。
    ' H6 d! M( p& [+ s1 @
    " t: V2 `% J. i( C4 h9 T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。' @+ m9 Y! }* s/ P7 M& `* K
    & D- g" J4 ?* u, e% T

    & \! d  v7 G# R惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    ! M  B& G) W0 Z9 z! f& O+ V" R9 L% K: s
    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!  C" C' T* {" S3 I/ O% j& R. \
    / _7 `1 H% ^: [+ u/ t) P
    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。+ n4 C1 o2 H) E; [, g7 [8 r* |- ^2 \
    # I5 D5 @- y8 O5 t4 e7 I* |  D; m
    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 c1 W5 y! ]" `4 y9 d8 ~( r

    / P2 Q$ y, n; s0 F1981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。/ w# A( v8 z2 k0 V1 q& w* j
    8 ]: ~8 s& p. y6 p5 d# M- X
    1986年,十的负十四次方。. h) l" e) _3 c5 e6 p

    2 E) X; ]8 k, U, ~) [3 ~# k- E2003年,十的负十五次方。0 x4 n; i' B8 A# N% j

    / ]) D' z, C3 N6 B; N1 W2017年,十的负十六次方。( ]1 Q5 u1 |/ ~' X: ^9 {

    ! O+ T# d7 a: H# q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。) }( S( a, M: {6 @, u. R

    ( A' a1 Q& j* H' h。。。
    $ j& l2 P( a( U& u5 i9 Q( R' u; I' k
    + X5 U+ a. ~! b2 `) M
    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。1 M& p$ C  h) G/ \! z
    4 S; ?' V+ u5 Y9 V

    1 X, M$ ~8 Y9 l' m
    + Q2 d( k  S. M; E4 V9 J

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  • TA的每日心情
    开心
    7 小时前
  • 签到天数: 3470 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。
    $ Q" z" _& i: S" q  C- h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
    11 小时前
  • 签到天数: 3358 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
    2026-9-9 11:13
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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
    + f4 z* j) O' ?# b! f: p+ U4 O% T1 N4 @1 {, t. `, y5 Z6 _& T
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);: \  \" K5 Y8 H4 t
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    0 o1 z- S. p1 L# B3 ~3 N1 |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
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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
    7 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  h1 a. X$ f! S+ @
    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
    : g9 F. u) k# g% N0 c/ @
    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。# Q; B1 }" b9 _" ^9 k2 L
    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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      发表于 2020-7-24 07:14

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    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$ N7 s$ P6 c3 d
    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。
    : `- I; Q2 p3 q0 Y; `- P) ]5 j: G他 ...
    8 D$ V+ }) @, O: w
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    8 h' p9 V( ^- c5071A好像这两年不好买了
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    7 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
    ' L. E. `: Z. C3 `4 Q短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好# d( U0 n0 i8 Y6 y% Z
    5071A好像这两年不好买了

    , [* |0 f9 v; N$ u" n% O  j) G- w这个短稳长稳有出处嘛?
    2 P( @9 q: ^" I( X7 g1 j0 \1 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一半~~
    % z! G, D! s" v- m" H1 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% }/ V" ]9 Q! v: n8 A/ U. ^
    这个短稳长稳有出处嘛?
    & q) V; C5 ~  Z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 ...
    9 z# N( m$ }& Y- K# i
    1 c/ O# E8 f5 k# B# n

    ; ]- ~5 i. x2 [5 Y( B+ I2 V. F3 {没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图' L- h0 A- F: Y  w! U  \7 N
    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 22:560 U0 D& I& j0 ?  E3 o- q' C' n  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。7 }4 S/ r; w- C" ]
    他 ...
    + D2 o6 v% E+ A8 A6 {
    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
    7 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
    9 @& o6 ~1 F/ v没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    ' Z$ {) d0 j& q! w& K% y这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    # H+ k1 z4 }$ k7 A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* y1 S" D* ]% C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。2 G# i2 h# S- p6 _& i

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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
    , I/ u0 E" O, 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。/ o$ a9 g+ {0 I4 b  h
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    ( \1 H9 }# G+ M, W8 z( f
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    " w5 E% L5 v. }  w! R5 T* `  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
    2 D  N- Q2 l( g  j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$ J, L% p# F, N4 V2 K. E
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    ! A9 X6 U5 H& W8 \# S% i: P
    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
    前天 02:00
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    [LV.5]元婴

    17#
    发表于 2020-7-28 00:56:08 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-27 11:33
    * H8 I1 C# M. h( Q- M! e可能高端的铯钟做的更好一些吧$ u+ K, S' V: X
    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
    / d$ C6 ^5 j1 O( i0 |  d, o' ^- W时间基准据说 ...

    ' K+ N. a9 t* s# B7 ]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
      `' R3 A! o+ j+ j7 ^请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    , X; ~& s8 j9 u8 x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
    # M7 a. p4 t% |  r3 g4 R- Y3 @+ s5 ~& b& h
    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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    [LV.5]元婴

    20#
    发表于 2020-7-28 11:41:34 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-28 10:29
    5 n+ V! A& u! @; |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 ...
    ' l; Q' |& p* A: T
    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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