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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 $ q3 G) \6 _) D

    3 X0 F+ @6 x2 K" @# H# K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。" R4 [* n6 T, Y- x
    + J- s3 l' q3 {3 Y
    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。3 M' O: b4 T* C1 K7 K

    9 C7 |4 E" ~. \6 W- ~/ D个头、模样大致如此,二十六公斤。
    ; |# |7 B: V! Z& d1 ?  }9 M8 X3 L
    : c+ u# e- U8 t! P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。- h, ^3 q2 i7 Y- x( l# r0 F- ^! |, I

    ( W6 J! o# S% _% D5 o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。  b& F0 ]* }9 r

    4 B+ W$ w5 e: D' Y0 v+ p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 U0 ?9 J+ B) V
    2 r$ t& h5 ^: Z+ `. Y; H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。
    4 V5 {6 F/ g0 `* [. X7 ~  Y5 W, A- `8 M- v# Y! W$ t
    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!
    7 L1 R5 k) k/ D, g% m
    2 m% Q  r0 N2 l, w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。
    + a1 x6 b$ a6 T+ f( W
    3 B/ `8 `- m0 E; z  M. ~2 M( 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。
      c: o2 o/ D' p6 p6 k4 l) f5 b* m/ Z, f) F
    说些个大家可能百度不到的。
    0 p" V# N4 q3 D; R6 M) ?, o) _* S3 w0 S  u$ b) r% y$ H9 L6 ~! L" Q' Y
    ===前方高能===' \# g. o; W5 p, n6 g1 N7 R$ G
    0 y' r& g  w! E: w
    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。" O9 D0 y& H' x) d& q, T0 F) E/ a

    & m5 m5 Y8 [, T. W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。/ X+ R% V3 D4 u  _3 X

    6 D5 c  s1 i: b6 D* _( {1 h2 z9 [) U( V6 r( A
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。+ `1 s! D* F0 p8 n, l0 ?& U2 \

    . U' S' ?$ r) C3 T' B1964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!
    + @( z5 h8 B) ^  U
    : H$ q) F; r/ s$ [. z) v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。- a% j# F/ I( |/ V/ |

    # y! a+ y/ Y4 E5 O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。
    # a# w  J- w# H& U6 e0 U- k
    : g* Z' ~8 {) i+ Q6 v9 a1981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。; `' p: Y% @; g

    0 R3 C8 F0 y, e1986年,十的负十四次方。6 o7 [1 f0 ~/ I/ G. w1 e; a

    5 m3 c1 `- s. z' A* x, q2003年,十的负十五次方。5 J; B/ Z5 t/ f. S

    - ~, k0 C/ h( j3 Z4 \% F" B2017年,十的负十六次方。
    2 \# r9 d) c- Z6 M3 S( g
    # d% T* c' O+ 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。
    & l! \+ R( A& j9 l3 r: m6 H: D3 }" m$ b, I6 I  U
    。。。" e+ w( x- F4 d1 u1 F" M
    6 H! w$ C( Q# t
    : S% u' N. S; H8 M: f7 S
    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。; L+ L! B- X! t9 F5 q9 X

    / G+ ]7 R& @- I( D) n& j6 @4 t( U0 a* l+ M* v. w5 a
    9 Y5 @, x1 C) O# p( \

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  • TA的每日心情
    开心
    21 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 `$ }1 j2 b4 j/ t. l2 g5 x2 B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

    21 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

    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
    2024-3-24 17:30
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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
    ! j! O9 Q! A/ }5 A; x4 t# g4 E+ O
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    + q( X! y6 Q8 O; x9 Z4 m  X看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。/ q4 ?- d% x$ l' s9 j/ j
    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
    21 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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    21 小时前
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    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:45
    " s1 }* _4 I% ?2 X! z: \4 M/ {% p2 i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

    7 S+ _, I+ Q  Y) v9 |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。
    0 m7 S" Z2 @/ N他家的铯钟在基站上很常见。

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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 22:562 y7 c1 y$ s$ B
    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。$ t& q9 Y" Y4 j7 Y$ R' [& v
    他 ...

    : z. M3 v4 {8 {短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    . z. @/ ~% U1 a' d/ s5071A好像这两年不好买了
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    21 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
    5 S8 e0 ?, Q4 v' v; @短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好3 d6 h- ~$ W, P% E" \
    5071A好像这两年不好买了

    . E( X  b# g. b8 o) b3 i这个短稳长稳有出处嘛?8 _( ~' t. O& B$ h5 X3 a- l! {3 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~~! m# b  j2 X9 h$ I, f# g2 o6 X# c3 v
    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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    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/ [7 \/ v2 w. \# j6 _0 W
    这个短稳长稳有出处嘛?! ^1 t% d) e9 n- G
    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 ...
    % [! l4 o6 L% H0 P- [0 U4 x' ~
    - q7 c+ O2 A6 s1 m9 S
    . d/ e/ K! C( R8 r
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    : D( D  ~7 T/ h  ^3 {% K+ y) t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
    21 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. P8 h! a: @" n. J2 f: U) m# b
    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。
    ( G* ~: L& N% F4 q他 ...
    4 Y6 |7 U# y. m/ D
    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
    21 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( b% n% }4 @! z& l  l3 y
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图: z8 m# n9 f  _( R* w( e) `: i: I
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    1 Z' j4 R. d) K; d, j9 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。: Q7 I/ M/ j% `; f2 ^
    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。8 m8 L/ Q5 z* ?' C

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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 03:358 g  @( u5 O6 n  u# 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。
    ( `2 R6 v  _6 i, Q% p& x" q- p冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    1 w' m! X. ?" ~  U可能高端的铯钟做的更好一些吧
    2 T/ i: c0 _$ O" v& w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
    7 E; o8 R) H* e4 K" b% N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
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    [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
    & R' E/ S+ L- n5 ^( H# q( ]5 Y: I* J9 P安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    & x! M0 h4 h  G' L* n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
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    [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
    ( }' X9 O- d/ `4 f" a  J可能高端的铯钟做的更好一些吧
    4 G5 Q8 b* N+ {& t3 y' 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0 C3 [, o  M0 p- T+ R2 F$ x& J
    时间基准据说 ...

    % u1 A6 s! d0 |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
    9 I5 t: Q* |9 K8 H请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    7 A$ K  ]( o% s8 t" N5 ~& [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
    - C# z. X0 c- Q4 `
    ; w2 ~+ X! W2 z7 _, M5 I, [4 s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
    ' @) i: j0 ~) l- {6 j, R$ 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 ...
    : a  s3 y" e6 S* e
    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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