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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 8 c4 z# |0 t* p3 N

    / J3 J0 }) v# A  t4 c& w+ K9 S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。9 U! F$ {9 x0 O' B* O9 l3 d
    0 }/ t- V  X5 E
    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。: o( w+ n, ^: Z* I

    4 u! J' |, O& }个头、模样大致如此,二十六公斤。
    9 }( ?% W7 t; n' E: C, Y. A
    3 A. E3 V' O* Z2 q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。% s8 r0 q: |, j) ?& N2 d

    ( Z+ K: @6 Z3 L, W0 C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。9 I0 L0 S/ R( X5 F! n5 M: z3 i+ o! M
    1 o. b+ ]. d2 u2 V. z
    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?( T; F7 W# K& @& V

    7 x+ u. P# d# p% d* {5 p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。
    6 `8 w, Y6 O) [3 x6 y; F3 i; o2 R; k3 R4 a  Y: q
    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!
    + i! a0 P- @; X/ M1 v
    1 z: W2 D5 u% x: ?7 D1 k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。: U- `# z  f: g9 ~! R8 U( I# |
    * j' X4 H' L# [5 [* a' Z
    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。
    5 E' Q+ a3 A8 m% a4 m
    1 e8 {# G8 g4 E1 B& b5 }0 x说些个大家可能百度不到的。
    * _' F# m& m; m  j! z5 z
    / Y+ r+ q+ A- i4 W: }- s===前方高能===$ f: Y: X  r& A# H1 x  S0 Q/ i  u
    ! Y; t4 l7 \, {" n( j5 A; F* n% L
    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。
    3 ]. h+ k$ J: G
    : P8 Z6 f# n% _* n! t, 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。
    ( w) x0 t4 {! c' N( f  d! ]# O8 x* B
    $ I3 r# u: ~- ]: P8 K3 s2 l3 {  ~
    . @5 O6 X4 k$ d. X$ N& e( D4 J; B惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    7 q& I7 P: e3 W& z# G& `/ P8 U2 L% v: ]/ c9 Q2 G+ ?+ M
    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!# H. }$ N) X) R: C' K9 J& D5 Q. E9 v

    2 C* J6 u, b) ]: b3 z: d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。
    0 ]0 {. j  o8 B! _' P
    3 H8 E. I/ G- h8 Q) I- l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。
    - I4 ^5 e8 o$ }( r. l. r, q9 u7 j) B" |- W" x
    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。, J9 L+ b7 N/ d8 \" u
    . Y/ ^! v) U, [/ f+ x
    1986年,十的负十四次方。8 p7 x, y+ J. M2 I$ v

    ) P8 H( L( }% i6 [0 F) `% w* b2003年,十的负十五次方。( q6 S. G8 e  S. A
    - ~3 R& k  `% t  y
    2017年,十的负十六次方。3 U. @. H7 g- q3 a  m
    ' G+ R) R. Z3 {% r$ ?
    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。
    0 Q2 _. e0 T3 i5 q
    ( x7 Q# ~5 x* o# k1 U。。。
    2 V9 ~& s: T$ D7 c4 L; S
    5 `0 o# ^  ~/ K1 T1 P0 q. Z) e8 s% w! l- C; c4 ~' p4 S9 N
    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。9 b& ~. U& q2 R3 G" x: x$ y+ f" w( i

    7 J) r2 _$ v) V+ w, ^$ u+ b6 y9 h; {- v8 \, a" l' Q# I/ K
    / m9 H- R2 d, |9 K( v; V/ K# \

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  • TA的每日心情
    开心
    15 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。
    2 ~' O* u6 R$ t' 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
    无聊
    15 小时前
  • 签到天数: 2930 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
    2025-5-3 11:32
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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
    . \, }7 V. |2 P6 i$ k$ E& [" A& H2 v* ^/ e2 ^: N
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    8 T! \) f" J1 o" y! T& ^3 [3 c看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。/ p! W. t7 V# t, m$ O1 t" D, T
    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
    15 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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    开心
    15 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 18:457 h7 ~4 v8 v4 Q: N
    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

    - y; P6 O- Z* a* ]3 g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 k6 p% _: s. v- F9 y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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    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 22:563 y9 f* v3 ?, m" M$ J8 n( g
    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。, O) n6 b  E5 }2 T8 K
    他 ...
    / O! ^, |, E/ q. ^+ L) B; n
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    . d+ G& u7 j1 r9 P4 e" S* f5071A好像这两年不好买了
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    15 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  g# f# e8 y9 w  [( l
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    6 n4 `' g" _- d6 `1 e0 d* h5071A好像这两年不好买了
    8 W) i* L$ R5 |/ s' h: F
    这个短稳长稳有出处嘛?
    8 k9 [" @) O+ K8 k/ e0 X! }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~~
    ! J7 A* S& Z8 ?" I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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    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# i, K" N; a8 f! `, P
    这个短稳长稳有出处嘛?
    3 @! p- j/ `' D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 ...

    ' z  R/ {' L5 u. X6 F: S7 v8 c) j8 u- ]6 t& q

    6 S; l& t. j* g$ ^没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    5 T  z0 H0 d" U1 B) S( F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
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      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
    15 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
    # c3 ?* s) v6 W" }, }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。% s( s. s! M5 |
    他 ...
    7 c5 Y8 n. h+ U% w; Q
    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
    15 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& Y% k$ T+ _* Z' H, J8 L- j
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图6 V; f2 h% W5 U/ c) i; c
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    8 v5 `$ G- 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。3 I: S1 ]* i- ~$ 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。
    . b1 l% S: Z2 o) G

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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 03:354 F" x) P# w1 L+ v2 |
    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。
    ) n# p$ r- S4 y0 N4 T/ _冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    8 `: W/ C7 c" W
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    ) q% u6 ?! c! q' 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$ y: F/ e& V- U6 P. n2 B7 _
    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
    % n- p+ @' N* y, W安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    + A5 ]; W+ Z2 s! m. i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
    : _& S5 r9 X+ t4 |$ t2 ?/ I2 O可能高端的铯钟做的更好一些吧# Z+ t3 o: D5 S* s2 e+ _6 |$ p+ W* r
    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
    " ~5 N* P1 J8 c8 X$ V% k% F3 k时间基准据说 ...

    / Y( L2 [+ o/ a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$ j- [2 @0 y& o, f, ~2 [
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    . q+ i8 |9 p  C4 w* o/ b9 e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, \& ?7 _# ^# ?2 p  R
    ! p/ K+ m, Q0 M# ^  P, X
    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
    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. y3 e2 g9 ~7 z5 G4 L- O
    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 ...

    * u0 _" \4 [$ A" W, a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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