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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 & d: b( c7 j8 u' L

    3 |6 d. \9 y. b- ^) v# ^; D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。; m/ O3 G) o) y; A& T. M
    ! p$ |! [- \/ {7 |+ b
    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。
    ' L3 |& \) R" l1 K0 [& X; T% T4 T) X6 m
    个头、模样大致如此,二十六公斤。( F! N& V; P$ E  r5 \
    2 J) s+ z/ e0 O) }
    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。" w3 p, i3 J$ r+ M! Z' |; e# j

    ; r+ B( ?' V7 z% m9 I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。3 l* M% a. G/ b, g0 f$ O

    8 U+ @) q' F9 P7 Z5 B7 x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?# y6 H' H5 ]% N2 J2 ?* {9 W

    : K$ l( @/ S0 F( b3 W" X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。/ g. m8 B9 u7 O4 o
    6 ?# r* j# v% W( A" K4 ^% }
    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!
    + z0 V/ `+ C  f: A* I- y
    " _7 v, g1 L  t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。$ l, j2 t+ s$ y3 J& F0 j: P8 s

    5 H! I- C3 ^! }: k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。9 v8 x- t  r( e1 z) f
      O6 c7 M0 a5 o( `1 X  @) |
    说些个大家可能百度不到的。
    6 U4 U4 h$ V$ w
    5 r6 c6 A, E* U7 @0 Z===前方高能===
    ' ]2 S& w! }3 T, Z* |
    ) D( ~5 l) ]1 N" C! }9 Z3 I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。( _9 U) z. G% g2 Q- y

    * q9 N4 s6 M1 J$ `# n7 U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。
    ; l% o, U" ?) o. Z$ o4 @5 q7 [+ o' Q: ~% }3 r' W0 U

    7 V( V* g& |# W5 |9 g- [8 d9 x惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    , O& ^) U; V7 z- c9 D6 D  p* z0 h! o9 h' j/ y, v
    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!8 u  q: m/ ]% B  e) B
    $ r. B  r1 `* ]1 U, X' @: i
    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。7 N! F' Z' M  `( z' j" w' H4 J

    , L6 Y; z* j6 t3 z! P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。
    + w* n4 t! h" `" Y- o& z/ L' N% J3 N, r$ X) Z
    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。4 Y$ |  @5 F/ U

    6 q; Y7 p" C) F. j, ]+ G  {! b. r  _1986年,十的负十四次方。
    * J- e2 X' a5 o5 [- ~% u
    - C& q9 x- q2 M9 L( W7 t$ z2003年,十的负十五次方。
    9 S0 |8 r) K( b0 t: B# O  [$ n0 d" `: O2 d: C. _1 v1 T  N' z
    2017年,十的负十六次方。( e! p& L2 d& C: M4 x
    ; J3 h/ N9 `/ `7 l9 I; W
    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。' t0 k3 n2 E' ~

    # J' H. W7 o, b5 l9 k, |4 c2 E& _。。。" `# p, m0 z. ~
    % {) x4 H, t% R2 Q
    ( S) {* c: e0 h2 e2 V( {% Q9 @  b
    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。" Q% h# G' V+ B) Y4 \" o8 B% _2 a

    9 P1 Q4 h: D9 B2 W' ?, d) w: u9 w- E8 }7 }8 r

    0 p7 }$ X/ K' x; F

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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。  X. @2 W* T  P2 U* Z# {% _
    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
    13 小时前
  • 签到天数: 3358 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
    给力: 5 涨姿势: 5
      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
    2026-9-9 11:13
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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 " R* e8 j. {$ P% e/ J% M

    & W6 K0 @  ^6 n群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    ) r% z: i4 B8 {6 [6 q# P8 E3 A看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。6 F" R4 y" I$ h( r! b
    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
    19 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
    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" h9 y. f3 g" G' F$ j6 @9 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

    % m5 D# ]8 z5 D  r8 L. 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。  q5 X/ f; q" o  c7 w- V1 x& L
    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' w0 ~. a* f9 a  W& z' p
    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。
    ' L5 q% R' d2 ~3 ~  M7 u他 ...
    $ ~( Y) s% h1 Z
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好8 c8 L9 I; C# E1 R% ?  y
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
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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
    # \3 L; I: S5 _; W/ N短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好; J, l* ?$ c/ x* b) Q+ U3 l! H& H
    5071A好像这两年不好买了
    + o' l8 w$ `8 q# S1 {
    这个短稳长稳有出处嘛?. k) @9 k. [* F8 C* B' 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~~
    6 N% Y' n1 L( T0 K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 22:564 {) z6 E8 \% |2 e0 n6 h
    这个短稳长稳有出处嘛?
    . k% p( X! T* W. L. C0 I2 L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 ...
    + q9 b- L  ?3 v, Q7 r9 R/ Z

    7 b/ b( B/ }5 \% N0 ~& R, S, u5 l8 h. e0 L/ A8 O
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图& |# ^: v6 M- ~) |6 l) C; @
    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
    19 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" q5 \8 U. P9 P
    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 X3 b$ ~- m% x+ K( m6 G& `8 O6 G他 ...
    2 |: ^- k: W) s9 x+ f) h: v- C
    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
    9 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 12:489 b* M6 d. e9 q0 R
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图5 p" v% V! a% I! z2 @
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    ) T3 S: I+ H$ m8 W/ N! h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。
    0 T4 e/ x9 [4 J) \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 g1 W, ]& L) i; ~

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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 03:356 A( Q" ]% l, f+ v: ?
    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 `+ ]2 G) D" ?$ L' G冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    8 q9 h) ^* _  l# r可能高端的铯钟做的更好一些吧2 F% M& N! d+ I6 X! U; r0 i
    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! `6 r* y% o% R% ?. Q0 y+ [: o  t' v
    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 03:017 S; \* D1 H9 E" X2 j- b3 m
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    5 E# t! D' w" f- K+ |1 F$ k
    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 02:00
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    [LV.5]元婴

    17#
    发表于 2020-7-28 00:56:08 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-27 11:33% b( Q9 Y: _  Y: b
    可能高端的铯钟做的更好一些吧$ E. @$ X! P5 ]3 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+ w5 Y- L- o- t; |
    时间基准据说 ...
    3 Y% Q8 x0 d/ c' ~& M" b
    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 00:569 U+ Z) S* \0 l9 V
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    / ~7 H9 T- s' @! ?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" ^9 |. ?+ z: |& f6 W9 D: l1 Q; _) g

    8 `8 e$ T" P9 i( 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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    [LV.5]元婴

    20#
    发表于 2020-7-28 11:41:34 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-28 10:29" h5 |# V* l0 P; n2 h" ~
    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 ...
    2 d& i! i8 r# o$ 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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