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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
    ( R  p/ c3 x2 j% f1 h: b' H9 |' o6 U! O8 L7 P8 s
    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。
    $ F4 b4 P4 d* j
    0 d' a6 J  }7 V' ~8 v3 C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。
    ' \% P# ~* ~( d' K1 K
    4 x9 O! F5 c0 f7 K- a4 q; O2 M个头、模样大致如此,二十六公斤。- y  z2 h, k6 g) }  ]; Q# \8 A# k2 k5 x

    : F: K+ Z( ~6 `' m) Q9 Q+ R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。0 q% `7 {0 e2 p/ R9 v& d) i
    ; _9 m: e1 J* P* a  a* Y9 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。/ J+ M" \( E" M4 R. N8 _
    8 v# e. P( M; B% K# a
    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 b4 G' k5 S) D- S

    & D3 i/ r" b5 \/ z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。* w( O6 E% A) C" }2 O1 @
    - j& j' `( w( C/ `! _
    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!
    8 Q- [  x2 G1 {+ a5 H
    8 |3 D# W/ ~: k2 M* \- x0 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。$ w; x4 ?, G& k9 n) T, W
    3 s% ^  C, Q  X9 l6 K: f
    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。
    3 p% _2 }3 u" J# O7 U2 l# d. z; ^' ]% H3 f9 V+ a$ A; X
    说些个大家可能百度不到的。' H' |/ l; G0 y3 @' F: N: f1 _

    , J5 T) k7 P( S& N4 i9 n6 v===前方高能===
    - S2 i  N: e0 u$ z! i; H  o
    + S7 ]. u$ }# 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。" X6 Q1 F; ~1 r& M- V
    / \; w  i' f% q% w( f: [
    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。
    % D( B9 k! n2 O* g  w" y7 E# f4 x) Q5 J
    - B# W% h; K) R! h
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    5 A: D8 U' q) k
    ; A' V# @! |; Z* s1 p1964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!
    , ^, S+ v! I/ Q2 w6 n; [* D& z
    3 K# U2 }/ G& W5 G# y# q0 _3 ^- U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。$ m5 P, J: K3 S$ O+ H7 a
    1 P6 s, d8 w- {  f8 O2 F/ D: K# 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。
      ~0 |1 C/ f7 f$ J; C! z9 k
    + c) R  m) Z7 d1981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。; j. G; r# S7 x3 q+ N9 W& V1 n
    ; A+ X) O, m1 S+ [
    1986年,十的负十四次方。
    # _3 o" N0 T7 K+ g8 p$ ~
    & v& j! d( C: l8 p  B4 K( h9 r2003年,十的负十五次方。4 n/ x! }- o0 {3 \

    . m( H+ T; `, k8 r/ E6 @( z+ [! k! B2017年,十的负十六次方。8 [- l" S: p3 B6 f0 {

    - K6 E7 r. d+ Q6 ?( G7 z% O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。
    ; w. _. n  s) L) q6 [1 V" O2 a9 E6 f( ~3 y1 x* N
    。。。/ G: V5 O4 t( R, p2 a
    2 B: y9 f* P: E( V. F" A& L  X, y

    ; T7 `8 v3 L9 C# Q7 i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' ~" j- N' p7 Q6 j5 [/ r

    8 v' ~* G8 F% r* [
    ( X# F+ ?: X3 _/ q) q
    & `5 w' {! G( j/ G% b$ _4 }

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  • TA的每日心情
    开心
    前天 14:13
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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。
    3 h+ h. W; o# z* f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
    昨天 07:04
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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
    2026-10-3 09:58
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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
    $ ]5 l# t" M" }( O2 t2 U
    9 {2 _  C+ P2 ^群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);/ f3 \' ^: H; `
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    - C: ?" f7 U$ L  J/ G) y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
  • 签到天数: 3967 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
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    前天 14:13
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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* V5 e9 B9 g8 w, v0 K- `
    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
    $ L6 O8 S: t/ S* k# ?
    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。9 P4 N  y# N3 m$ |. Q" ^/ R# k
    他家的铯钟在基站上很常见。

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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
    0 y: Y1 P/ ]- W- Q, T) _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。
    . e7 b; Z3 v' J$ l& ^5 y他 ...
    ( J4 Q8 q$ u7 y" r% a% n4 e
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    & T+ K2 F. }( F7 s+ t6 T5071A好像这两年不好买了
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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 13:355 L8 K7 ^0 F5 Q7 ?( V$ m& c
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好4 @. R: s8 J7 o3 a1 U5 e& P
    5071A好像这两年不好买了
    7 J8 B+ F7 p+ ]7 @) {2 O- }
    这个短稳长稳有出处嘛?
    - I) M( S, ?& {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~~
    7 [; B3 q- F3 ~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
    / f2 n! `: a  ^. n这个短稳长稳有出处嘛?
    ) g3 p: f$ q5 p4 }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 ...

    # z. K* N5 w' S! {5 ~
    . t+ L' L: }9 J" X+ P: G
    2 I  U% Q3 g% e- Z/ Q没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    ' R' Y+ f2 N8 H; f; P% V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
    ! q; O( d/ @- C4 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 P1 E7 D% R: V/ U, t他 ...

    0 a4 w2 j$ V% w8 t, s- Q: n( Y, i3 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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  • TA的每日心情
    开心
    前天 14:13
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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+ `0 ?! H5 A' T' X9 \& v
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    % {, \- v- A( c3 c% g这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
      j, b+ x8 B- M3 F9 e) `) L
    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 T* @5 C  E9 Z- ?! K& 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。! O6 A9 V( K9 e: G, I, c( E8 F

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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. ]6 r  }7 s. i" Q- i* a
    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。
    # G9 v" L& N) B* Z$ Q! W冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    4 W+ q& Q7 P: Z, \# i4 ^
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    / N- [3 B" s2 f! t, P5 k* n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
    : v3 p! a8 l' l4 }/ Y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 03:019 z' g( s9 H. y3 F& B
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    . V2 F5 z, ]& L) T
    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 15:38
  • 签到天数: 39 天

    [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
    4 q0 ?& [, N: o- K& u可能高端的铯钟做的更好一些吧
    8 |$ x) }4 _  w) Y& o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! b, E' M9 X9 V& ~
    时间基准据说 ...

    . I  J4 j" f& f7 Q" 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
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    [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
    , H8 Y7 O8 ^  y' o4 p3 h/ @请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    % ?" @% S; X: z# ^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
    $ `- ^3 l  [! T' u
    % w+ C8 u# \- 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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    [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
    7 h* d$ V# n6 P1 h2 U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 ...
    3 d' n1 V; j* n/ 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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