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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 - r" E# }6 h* _8 U2 E: D

    ! W# a4 ^* _9 X2 ]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。1 j7 [; x. M1 R6 d# V. ?1 Q
    * O# B8 k! p: X
    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 w2 @" A& T8 a6 P

    1 o/ p- Q9 U3 W0 X1 K3 [( U个头、模样大致如此,二十六公斤。. R6 a) u3 T3 m$ y. a* @* B, ^
    & I  b4 ]0 e8 D% p6 f2 r% X
    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。1 L& Y5 D6 |/ I. }0 h5 B6 ^: B6 v! K
    - L* t9 ^# d* Y: c- u# {  d
    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。
    & Y. C" D/ {6 @( _0 r2 [7 @! X# y4 V6 G# |% R/ R0 |) J1 G
    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?! s1 J" R. r3 b$ v+ u$ V
    4 z& X* H& U# d+ G
    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。
    ( E- W# V/ p  Z7 P& G
    ' [% A0 E1 @% y- g# B6 `6 h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!
    # L5 |4 U' [/ C( ^- `0 f4 o6 X% G% L( {* n
    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。
    3 ~/ N( b. C- J, Q0 z% N$ m: p3 C0 b* y/ [* J1 g
    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。
    / D! {6 k/ C; s
    $ j9 [3 `+ I$ r% F- G9 U. Z说些个大家可能百度不到的。" v- z( p' j5 s( a  G

    3 X0 i" T! q1 b===前方高能===% L* T# I' i3 E5 y0 e& p- _

    , v9 y+ F0 h( u  P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。
    0 J1 m" Y8 V" c9 i" r" r. y# R- r& s9 |: _4 I4 W- L2 n
    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。7 p/ H! k# V; y6 |- Q9 F4 s

    - s. O! S1 z2 C# O* Y; W* s9 f8 |% B" Y
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    . ]& v4 E3 W, [6 }( J% i# O, ~' a* p$ d9 X! c
    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!- h5 o) ?  m8 k. p" j
    3 H  b4 T0 c8 o8 `
    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。; ?" [. g* S; y$ b( o
    ' ]8 s. F5 x; e# c7 r5 A
    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。
    0 f4 H  k  ~' _$ B
    1 ]2 Y3 a2 ^& i4 _/ D1981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。
    ! a; g; Z7 a5 K) }) a; D7 Q1 Q
    & S2 p  s! S3 G2 j! m1986年,十的负十四次方。
    1 b" }  j& L3 E+ X: y! b7 A2 u' O
    0 h+ ^; P! ^+ m( ^( D$ X2003年,十的负十五次方。
    9 F) t% A0 r9 N3 x5 o- h" j8 V6 i2 b% c
    2017年,十的负十六次方。
    7 R# s3 e. m! A+ S3 E2 e$ z
    % ?0 O/ f6 G6 @. m  D3 S% f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。
    * }( O4 i: Z0 Q; R  W7 j# N% z5 D: H! `- ?* P8 z
    。。。
    & H+ k% M$ }! A" J- H0 w, M& U/ A6 a) {1 |0 _

    $ A3 T, Z* A& d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。
    & h0 ~8 T( G8 n! }8 C
    . G  x6 Y) L! v; j9 i( s. K% }2 t/ I$ s2 T' \9 m* X

    6 w: w$ u/ I& z& `/ C6 U

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  • TA的每日心情
    开心
    9 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。
    7 K# J4 O  H/ m8 S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
    8 小时前
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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
    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
    昨天 10:32
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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
    ; S, j9 ]( Y( W  y1 ?9 w) @0 q0 X$ y3 e6 l  _1 n  M5 d, U! ^  n
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    ) P; M3 W, c% ^看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    $ J  V" H! R$ W* U% ]# W! L1 d6 m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
    13 小时前
  • 签到天数: 3884 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
    9 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
    * r; x( E1 Y3 J; u6 s9 z5 p$ |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

    0 |: T  _" O) Y$ 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。
    6 X8 U9 ~, F" S, O) W) N* `, p他家的铯钟在基站上很常见。

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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
    9 p0 ~" E: Y$ D8 ?2 o, ]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。
    # z2 a' S3 l2 }8 N9 c' x) A他 ...
    2 V. Z6 E! }5 l) ^1 Y) ]
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    ; {4 @" M: D3 g# t* J& \# j5071A好像这两年不好买了
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    9 小时前
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    11#
    发表于 2020-7-25 22:56:14 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-25 13:35
    ! v) z/ N$ y% W0 f2 p短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    - L6 y# U9 h+ s5 a% Q5071A好像这两年不好买了

    / y  k/ `. r3 i; z# {1 m这个短稳长稳有出处嘛?- V" w: c3 ]2 x2 h0 h! n7 h
    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~~2 Z7 U: W+ e; z5 ~: T2 g* u2 ~% u
    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
    " b' @6 Y; n; x这个短稳长稳有出处嘛?
    ; p. v% y8 }! T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 ...

    & K+ X" d; ~' t/ u+ d- @, w, |) O% _2 Q- X
    ! `; V2 }5 _+ J, D  ]8 i
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    6 M' A' P+ f4 \5 w8 [) \. R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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    油墨: 5 油菜: 5 给力: 5 涨姿势: 5
      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
    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
    / l) D0 Q- G8 p+ z0 w' 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。- _6 ^1 d# Q/ E3 U" j1 T
    他 ...

    8 @8 Y9 s5 y1 H9 \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
    9 小时前
  • 签到天数: 3414 天

    [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
    * f4 |3 {! H2 U4 @1 c- _没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    6 }$ ]. r4 X1 x! |) l# z7 v6 Y3 o这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    ' n  z# n/ D9 |- I2 D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。6 H5 d% o- Z. }# m
    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。
    # H! d3 z8 @+ R. @8 @0 l2 e

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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
    6 k( ?9 S* K! _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。2 M8 i( l! P6 X' d  F4 O
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    : d+ b( |& d. E. @+ u; H
    可能高端的铯钟做的更好一些吧1 ~5 E( t2 j$ k' g1 o' m" 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  b2 F# x% v9 T. v. f
    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 q7 b' N0 w  P" v% l安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    ! C  R( o; v4 ~2 ~: Z* V) C; {) o0 T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 02:01
  • 签到天数: 20 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
    " V: P4 `% g4 V- c可能高端的铯钟做的更好一些吧
    4 Q7 y' S: B9 d& c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
    + \+ k& \% y& s$ N3 o时间基准据说 ...
    1 }5 W4 z; V+ 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
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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 00:566 Y/ U: M- O0 \
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    # Z* p6 b; [- I# v# h$ B3 A
    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/ {5 P! e) {2 O

    7 _2 u9 \) n, J8 M4 X& S" 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.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
    & B/ m( C5 Y1 g. 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 ...

    9 z* Q3 \" C( ?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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