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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 # S/ i1 f, I- `1 w+ q' z9 I; z

    , G; p5 @7 f! F! ]# |; f' 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。
    5 T; r! N0 Q& A2 P# }( s  f0 r9 z" @% e4 ^
    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。
    4 W& t- E' z- X# {5 ]; Q* F+ T+ t- K$ o
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    / A( [% q6 H/ {3 A3 P+ d" U' |5 t% H. c" [3 g
    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。
    * N& O$ I5 Z+ G4 r% F* x) P9 @3 {5 [9 C8 }
    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。
    , g+ I8 h& I- j" W& A5 n3 u& K' _9 }% j- |9 t) G2 i+ E
    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?
    8 h( N+ A7 {# |2 q) f  t; F* Q! L
    # P. D# O7 ], P% x5 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。3 u$ s. |" l) N9 f4 N* ?' ^

    + A" D2 r, S/ V8 {3 k5 M+ 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!
    1 I: V$ j  E" V3 M5 K# i  d: y4 u0 O: g  H& o  i- p
    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。
    % n; t  k6 G! a- _3 G) ~" P' B- 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。
    5 B0 K) [' d% N, f
    $ l3 x  q8 y. X$ S9 J说些个大家可能百度不到的。
    0 [  }! R. g8 Q5 Z
    ' X6 j+ s8 E+ e" h$ U" @===前方高能===
    ) b: V$ t+ g5 P4 _. p5 I9 G3 G& u1 _* L$ U! \7 g! u% `
    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。4 E' [9 t( e7 K0 N, {

    6 U5 O: {# y5 \0 D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。
    3 U, Z. j# u4 |0 W, P
    # I$ o& q! }% L3 `* {  i, \
    ' t* P3 N. ]( b3 M& `惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    + _; d0 t' k! p1 J* {( p& l! [2 X; M3 g$ y( a( T3 _, w
    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!
    3 p; x* \/ n! h& B7 O3 a! I' z1 \6 D2 H9 y
    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。: P0 v5 O2 `% T' Y/ ^

    # f+ J, N& N) K" n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。- D! H$ r  b/ x4 Q
    : [# Q6 x. U0 v( @
    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。
    ! S. r) v7 X& q% C3 n1 s/ q% q% X- t; V  o! x
    1986年,十的负十四次方。8 w# h/ r- v+ }0 d' e! G
    - f# s0 U# p' J8 E8 H) q1 l
    2003年,十的负十五次方。7 ]8 W* q, D2 ^+ o: W" S0 h
    $ E+ ?6 B7 x& \$ H. d) I
    2017年,十的负十六次方。
    & {! J9 ^3 }1 e
    0 e+ y6 R, Q$ k0 s& m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。- {/ v2 x3 Y- u' r. B2 S
    2 W. v! J4 ?8 S
    。。。8 [! u* S6 @( p% [5 o7 i" @+ E( P

    1 N3 L6 l6 k8 J( i: D0 ]
    3 U4 T6 _- d, z- \, Q8 ?3 o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 x* W) s: [. T4 b+ \

    9 m( \  P/ M. G: b" X  C
    4 z) f) q: [) x! x
    * g5 W7 ?* ]: v* I: |" Y. o4 b

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  • TA的每日心情
    开心
    3 小时前
  • 签到天数: 3237 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。
    5 M' D, Y& q/ G- s, m7 P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
    前天 06:31
  • 签到天数: 3146 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
    2026-1-6 11:37
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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
    ' Z# D  ?3 [+ }+ `  X5 @% L" A$ Y$ F, H" M, D2 `
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);0 g: A* E1 d6 Q4 ~6 K
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。. h: x& R1 `' L( {* a" S: I
    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
    4 小时前
  • 签到天数: 3697 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
    3 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; a' y7 B  i% Q5 v8 z9 X) x1 j
    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
    % ^" I1 m9 }; X8 _3 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。
    $ O( Q- a( i) u- ]" O  t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
    " a9 @: v: y. y- t! d( P( Q2 Z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。; z, i0 |6 g5 c8 ~# ^
    他 ...

    ! w- u9 ]$ u% h# h5 V7 ]短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    ( K+ q) l7 H1 t/ H" B5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    3 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. w6 M( A) Q6 Q$ J  G! _1 G6 m* u
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    ! _0 n' A0 p# M5071A好像这两年不好买了

    : \+ G, I; ]2 |这个短稳长稳有出处嘛?
    & m- m+ x/ n& H; x6 s4 c; ~5 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一半~~# I1 W9 j/ \7 p- N! 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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  • TA的每日心情
    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 22:566 H' D( p% k. R, M( }- }
    这个短稳长稳有出处嘛?8 S$ H' K6 y& j1 s& |9 r9 t* 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 ...
      x3 h' e/ G9 T4 X. {- j

    ; y5 D+ m2 O9 B6 R  K. Y/ |! `4 x4 q: O0 Q3 H5 ~: l
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图5 f4 g+ a3 i8 u4 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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      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
    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 22:561 r) A# E$ G5 I) m6 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。2 U. p/ a  D' ]* G8 Q2 |4 ?$ ^; t
    他 ...

    $ _4 t! I( ]9 p4 @" M% U, E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
    3 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
    3 L5 H# p' L' @没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    * ], ~: n& x$ D' q8 N这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    - R' T! _% @8 x
    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- S1 L% }. K$ I" ?
    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。
    ) u" I; [9 d4 J' M# }& s$ M# K2 v

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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, u! A+ w$ `" Q  `
    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 k+ T) S( ]  p5 X  F' k6 R
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    ) O3 Y" Y7 g# S8 O
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    ) u5 ]4 M+ Z) y1 _3 W# y- [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
    & Q; R0 R9 k' I6 G) A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
    - k! \( a$ L, L' x, L8 W- y安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    , o) g/ R2 C' H! [: u3 P* U  X6 X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
    4 I1 Z4 ^( o( e/ D  o6 x可能高端的铯钟做的更好一些吧
    1 V' j0 k/ T& k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! `& n* ^- `% V8 F
    时间基准据说 ...
    ' s, X( t6 L$ G& q
    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
    9 C: B& K$ p. B, p! e请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    : {) G+ }# t! Q) p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
    ! @* b' B9 {  q, O& s8 w" g7 `6 a8 ?1 O$ `& R" r8 l$ R4 L0 I
    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 10:29: ]0 ?" E5 x& Z) V: x& L
    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 ...

    ( D* }% {0 I, t& K4 Q) B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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