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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 : Q; J1 X% o- w$ Y& q
    9 y; w0 A! o* x8 t& z" R, K+ R
    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。
    , x1 Z. G7 t/ s: }; V
    ) j& G/ C# n1 m9 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。
    9 ?" u; k9 w  A3 H
    % P% H9 \4 X. ^5 P: x个头、模样大致如此,二十六公斤。
    3 T$ a  F; W8 E0 U* g5 ^8 S9 b! F3 B  I
    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。
    & y. |- B7 a' T/ I1 J. ^% g# F
    7 p! A# C4 R, O! m% m+ g% H- A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。* w6 Z' \6 P+ v+ u( c& G" c

    ( |" @4 |4 w; 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?0 |$ X6 ~8 y: Z' L9 d" g

    4 e: Q' p; {* R% Z/ ~! w% d8 Y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。
    : v5 p' m1 L6 j( d
    * y8 D5 A, U  I& }: O1 ^  S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!
    ! D2 |' u# x. A8 U9 q
    5 A; g7 @" n! g% A& B# M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# U9 `2 d* }' w5 X, `, R  b: c" i$ |5 l( i$ l* I
    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+ y& w- |' B; F" \
    ' r+ ]) e; p; R- I7 W3 o& A( h: z
    说些个大家可能百度不到的。# i% N; }& V/ k# Q. I0 |

    & O8 e/ @4 g/ i& X===前方高能===+ C. q. V  g2 b1 B! g6 h; i

    9 u" @' p: V0 `# l/ n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。
    1 ^2 h1 U3 J0 M2 y
    " H/ U: W; Y( o0 S% m% C" Y' 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。
    2 {2 }4 n  ?6 u# D
    * Z) {' h! h% _  K! \, S9 U
    7 ?' ^% ^2 z0 Q  C# v& Y) r! |惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    ( M0 Z. H9 a- [9 d1 ?, Z  q" y" `3 S0 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!. r4 k2 y, I: G6 j. f9 V" |1 e
    ) a0 b. \7 s: i' q
    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。" j( |/ Y8 i. R0 {4 j

    ! [0 g* D1 O' ^9 H7 _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。
    6 W/ c6 D* m# p4 \* p% L% z$ c/ \* K1 Q7 ^3 f, ?0 r) n5 k
    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。- q' `; \" v& S! L% L
    + g) u, o5 U# p2 y: T
    1986年,十的负十四次方。! ]: A! g7 H0 a( M; y; g9 P& ~6 }( J
    . `% c2 f- \- N3 R8 X
    2003年,十的负十五次方。9 t9 Y6 B6 ?: j- h) N
    5 m8 a& w7 u! ]) l
    2017年,十的负十六次方。
    1 `; B2 [. r1 j1 j$ C0 V8 p- G9 F# 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。4 e& ^& ?+ |* Y* u1 E

    ; T* q$ X, b4 A5 m$ J3 m。。。" c  Y* Y3 t" a0 f6 `

    8 y1 h7 e6 A) j% k, J. C8 x
    % k4 X+ q: ^2 f6 U8 V5 Y' ?3 h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。
    . @; E8 Q( P: w& y* {( W& u
    5 R* U8 [# F) y) W% p
    , I2 G& C. L  Z( G9 n- C" E. V" U- g) o: t, m

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  • TA的每日心情
    开心
    7 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。5 f: P5 g3 G1 {, @" n
    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
    7 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
    3 天前
  • 签到天数: 691 天

    [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
      c/ ^  V9 L3 I- L# o+ r! V
    $ U' i: H9 n* z; Q) o群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);2 B# g- e" }; l& e
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。0 ~- W! X* n1 q9 s2 F2 ^' A) p) y4 s
    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
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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
    1 I( [0 d( Z( O9 h# U- w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 d! \( o5 J7 r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。* p" A5 x: z: m' [- \
    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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    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& n: [6 t) ?+ d3 {6 M; V
    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 z6 y- _# J2 o9 v$ F$ `1 F他 ...

      l- ]! V- [  c. s" \& t- H短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    $ }, x9 H* |/ L( J3 |2 H5071A好像这两年不好买了
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    开心
    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& D  l8 j' t/ [- c+ G% B
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好0 c. C$ n) u- K8 _4 C" l& e1 @
    5071A好像这两年不好买了

    4 T/ c! `% r0 l2 R/ @6 b这个短稳长稳有出处嘛?4 K- j6 n; F7 E8 A( P
    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~~+ Q" l4 N9 o. C: |* a: Q+ }' n
    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 22:568 y6 V9 z* J- T# [, \# q
    这个短稳长稳有出处嘛?# ~( ?: L' J" v1 E; s$ G" 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 ...

    2 h% H% F' B* `7 K7 S: _  t3 U; O' z, I/ Q) x# g4 l& \

    ' ~  ?1 [. g4 X' Y没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图6 o( d' u2 l3 \
    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
    13 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
    6 F4 Q3 a8 a8 [" `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。
    * F5 l- o; h; m& n3 ~1 D; k% d* B% g! o他 ...
    8 h" g% z, D! U: Z  z
    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
    & Y) t- C3 n& g没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    7 W3 j0 p" _+ J6 c  F+ p这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    ( w) ]0 ~$ }+ i9 Y
    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。; `1 @+ g3 ^! `3 O$ v+ F1 X
    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。
    5 K; |6 ]; i$ h7 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
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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% z. G/ Z- J9 c9 I0 n1 P
    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。
    ; H6 ^6 k$ z4 y4 Q/ n+ Y7 A) q) _冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    3 a. ^7 j! @7 n  v- u可能高端的铯钟做的更好一些吧
    6 y  g$ Y4 b; Y" A  q( 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* M$ D% j7 ?+ I3 w+ M* O+ m
    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! ?9 U% g9 e! f8 O$ ^0 H
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    2 s: l( @  a6 r3 H+ J; L/ |  E  A
    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
    3 天前
  • 签到天数: 23 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 11:335 r$ F$ q2 s5 M
    可能高端的铯钟做的更好一些吧0 p, |5 V1 X" M+ ~
    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
    ; p/ r+ H; y* l时间基准据说 ...

    ; W$ F: |8 `, W) F7 U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% H, ~' h' N$ r( \0 k
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    9 q9 n2 \: R% c6 F+ M. ^2 q
    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
    ' @% n$ f7 V! C& Z4 s8 t: c( ~. t# x. L# `$ t. N7 p: x0 C1 K
    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
    3 天前
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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
    - Y/ C' o- f1 d, L  v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 ...
    " ]1 s0 y- f& h6 J. z' a4 U
    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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