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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
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    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
    " N4 g8 c, X7 {1 _' R9 B1 c
    4 b6 W1 _  n3 \, u' [& n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 k: B- N0 w+ |: c5 O2 g$ Z! T* h
    . y: q7 G/ F, L$ A* z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 B; U& N" ]/ k; h7 D
    ! E0 V2 D/ x! @7 P2 `个头、模样大致如此,二十六公斤。
    ; u& y0 R9 G- @( k: {
    4 u1 I( \6 H5 ^, V6 A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。) h0 V7 I- s" _+ P; y/ Y

    . X1 M( M3 @) X. v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。5 v; ]3 D5 E2 H

    5 r) t6 b. y) g# w: J2 w4 [( H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?" O4 T) q2 x  n2 ~

    - @4 S+ U  U) {5 V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。
    + B, z' D" U. [7 N8 t/ F+ A* |( ?/ Y& L' |! {
    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 p: G$ h, U) M! Q
    ! j1 ~* l, }+ J3 s) v: l5 ~2 Z( x, s
    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。# ]( B# f! D% t. ~. L& V/ w2 y

    : \$ z# Q7 U6 ?3 }; n8 ]4 [* P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。* t( @( T: u0 x$ f; e

    1 B7 H" j$ L( I* j说些个大家可能百度不到的。4 X3 J, g2 ?6 L( z
    ; [6 o! Y  R3 Q& H
    ===前方高能===
    . o' N; C7 L- P* `8 j
    ! s- R, w! s2 I; a2 Y8 q. F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。
    ' \" s. ~% s1 z8 m1 O3 n$ [9 A; ~: }
    # m3 b+ R0 |% Z( h- I3 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。$ k1 f7 r( V4 g1 }# e/ P

    ( G+ t) H# s  ?! y6 o1 v( ^* ~/ d4 }2 C7 v0 k$ w" V$ S+ G
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。6 e2 X; _/ c& M/ o8 @. i
    3 S# ^) q" Z) t( {0 B4 j
    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!
    % o9 {# K1 |6 N$ H3 D: e8 I1 }* Z
    " Z6 `8 F! o- e& x& F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。4 R0 O# j2 r- h/ a8 K6 A7 b1 s

    6 R7 y9 g, g/ J9 S" `* P, C4 @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。4 R" }7 P0 |0 c0 U$ f
    5 q4 T2 X2 t. _6 ^" k: P
    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。+ ?5 T' w/ Q. v- R8 o$ @

    0 a$ Y; n7 |. t/ e; v1986年,十的负十四次方。% i. e+ T- c+ L8 i/ |6 h; |

    6 l, m9 U3 N  `7 P; ~8 ]4 e) `2003年,十的负十五次方。1 j' a. W$ i( O; d# {, P
    1 A- u8 ~; @4 |9 E8 z3 _  r) o8 m
    2017年,十的负十六次方。4 Q7 A0 y, q1 m& L- L' P
    0 L! @* x* T7 Q7 ^5 R2 b
    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。
    ( v6 K& P$ |8 L0 A! l- ?# L# f8 }# X
    。。。1 {5 I& m* u" N, c2 x
    & v4 s% f% W+ s( v5 ^

    - m; m1 @7 W9 ~. l, Y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。' X6 X& a: s+ u4 G; |

    4 Y9 a+ z- _) V) H0 Y# m9 S3 ~) u
    + @/ v6 {) n2 V, b
    - P3 b% r% t; p

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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。
    . I2 `5 ?9 i8 D8 q$ g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
    擦汗
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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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    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 10:48
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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# k  X2 \' x" T* G
    4 y3 k) }1 i) I/ _  X* W
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    $ Z% D  m3 ?- W: U5 q看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。! s6 z/ B* n! w! 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
    5 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
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    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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    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:45
    + ~; l  q- j+ 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

    ! K( ?: h; N& k+ H5 y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/ S5 s1 T9 }# f, q1 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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    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
    8 t( k' X* Z  j5 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。
    % N$ P: `9 S; x9 ?4 L他 ...

    + }! G3 c, U% ?9 q- H) _  H* L! R& N短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    7 {  k7 V7 J. {  g" P5071A好像这两年不好买了
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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 13:352 ]1 t5 o4 f& L
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    # c6 W6 H: ]5 C% C4 U5071A好像这两年不好买了

    # d7 l1 M1 J5 l6 u. L3 a( `( k* ~这个短稳长稳有出处嘛?5 {# N+ `+ A$ |  j( V6 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~~
    8 @& j+ A6 Z% m4 G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: `, K4 d3 q# K$ B4 n# T
    这个短稳长稳有出处嘛?9 I+ \) I8 x, V/ V
    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 ...
    8 j( P1 Q4 p0 `3 U$ g" [5 z. k
    ) m& p2 Z6 A, x

      I, o8 i8 O8 @3 o' L- |没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图- f* z2 e5 U/ ^% R3 J/ }; Y
    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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    5 小时前
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    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: O: E5 Q: l" [" M- t7 [2 c
    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。3 x( F7 Q. E: Y7 `: l2 r* B2 f9 H; P
    他 ...
    * v; C. Y. g4 N, ?( O3 C7 U
    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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    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:48% I; W( D. A/ T: j9 t; k/ o
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    8 p- B( i# C- m+ }" A, s2 f+ }' M这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    5 A3 Y: O1 G+ N; k1 t) n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 {2 C7 b* s5 j. w2 A6 f" ^
    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。
    + q0 l1 ~' v" _' u6 M; ?  m* 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 03:353 Q% @9 W, J9 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。
    : C2 |4 [. b3 |+ t: {, y2 t冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    * L0 a. d" C* [' |
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    & a* y- N* d  a  P( t' v4 h- _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 g# X2 T2 X& Q5 N
    时间基准据说用的是铯钟,利用其长稳
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    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 03:015 g  @, [0 f$ m( {2 \5 \" E
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    $ p' B0 l' Y2 z" |% _/ 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 11:330 B  D% m) ~* E! ]! w. z
    可能高端的铯钟做的更好一些吧- s, M5 D7 }; j* x  D, `; T
    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
    9 ^9 `+ K2 K: `0 r1 \& l2 @9 C时间基准据说 ...
    ) v- N. I1 Z$ y0 B9 l$ _  b8 i2 o
    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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    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 00:561 I0 ~& i% ~/ x" H) ]' f
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    5 O7 q& ]6 V* {2 `( ^
    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
    1 C* r4 D1 b9 \) g+ i8 I) N
    2 {- X: [0 P- m: x3 H( @" x3 p! O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
    ( e, Z. x1 p* U4 H! o; G+ O+ K: d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 ...
    ' D3 k0 x7 N' e. [; @+ b6 L0 G' ?
    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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