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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 + P& m; p: v1 `  P5 [5 T

    , j1 L% q4 S1 D! k# W$ l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。
    9 J7 i5 [1 d# D. ~
    7 z) Z5 X9 o- S! t, O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。% D. n# e! P9 V/ f; P4 N# a

    5 z+ U. B% v; G$ s9 \  C个头、模样大致如此,二十六公斤。
    : ?8 i8 b+ o' k+ E
    & a; E! j) ~: L5 ^" l: W5 D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。
    $ L- [' A/ A' l% ]9 C; g( n/ a
    2 q4 k- Q- U2 ]- z0 ?! 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。
    5 z* }- p" R. S& H0 ?7 N8 b% D3 O% w; _- ~( P8 @* q
    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?
    / g4 ?; U+ w8 S9 S; F. |! L" h5 ^+ |( }) |  b$ N4 w  k- `
    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。: c( e" l) s# I

    ' I- n; M" }) t( B/ Q8 q: 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!
    & n! }3 G. i$ G9 Q, s( \6 X* Y" J
    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。! f+ x, [/ \! |; H6 Y# W: _
    2 M, Y+ v5 t0 c- N) A
    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。) ~) U! F7 z' Z! m3 A) ?
    9 a/ ^; r9 u  u# v
    说些个大家可能百度不到的。7 _: q( W( Z  {  \* Q! H

    % q9 o" Z- v/ W, |2 I/ K===前方高能===
    ( W7 F6 d5 x+ K7 n" Z8 Y& J% F
    * D9 w; j2 ~$ A' E2 u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。) Z  N5 \/ `) |; c4 H0 h5 r8 s0 c

    % K" g$ O, L: n  z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。- j6 n' u% n' Q! D' A
    ( k5 F1 Y& T) s) L) ?& Y! O
    1 L0 m3 P: Y+ v0 P3 c* K& ~3 J% v
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。# U7 J, |1 {# e- G8 V) ^3 ?
    ' x+ C, l. W  n5 P! o1 N7 Q: W
    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!
    7 v1 t7 L5 }$ ^4 q$ ~/ r( h, J8 q3 J
    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。
    : V) v* u0 e' s8 X% m8 h: J! s4 D+ i- J8 p0 ]  D: y7 ^
    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。
    5 S* U/ o; E+ F* T7 ^2 Y2 {& |7 J5 T- O7 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。
    6 }8 t9 @9 ^# Z/ r
    2 w! d6 Z) r* g# l, e" K1986年,十的负十四次方。
    " K0 V  q7 x# o; @0 O) Q: P* G- ?: Y, k' d1 ]
    2003年,十的负十五次方。
    ; a2 V9 ?/ I$ A7 @0 C6 S( }6 n2 P8 c- \/ |& \$ q: ~. ?+ ~
    2017年,十的负十六次方。
    , }; K. q" I5 K; P# ~' x  u# M. g. |( _
    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。
    8 J! y  W7 X$ z4 p
    9 Y, j7 C+ F8 S9 l) m, g! c! i0 ~: v" I。。。
    2 T1 U4 G* ^/ ?0 U* @6 ^
    / g% B5 y6 n! N+ c; d- N2 z. I; c! @9 O$ k4 D
    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。
    . ^8 E. m, _! o. _# j7 C) \/ M0 j+ n* S
      d  R* A) V9 z* D9 d
    : y5 h' Y* Y5 l* ?

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  • TA的每日心情
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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。
    7 L0 Q2 F5 s: W  d; W2 a+ I5 k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

    4 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
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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
    2025-6-12 09:56
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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
    7 j: D$ Y/ A" {# w5 ]- I  |6 R
    9 v& @' R3 r- ~# j# s- V6 `% @群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);" ^7 \% n1 t: T* C( c- j
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    6 n3 S; j' b- x2 W5 c0 E1 t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
    4 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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    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
    ( L6 y$ i7 Z2 g$ S: T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
      x: M( k; q9 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。% P0 p0 T% e0 B8 f( K$ l
    他家的铯钟在基站上很常见。

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    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
    & d/ M% i- e' ^0 @$ J4 R( y0 n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 s  n0 P+ P6 [) m" A
    他 ...
    : c: `& v, s- A3 d
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    5 a- ~& U  z- z; Q% \6 G5071A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 13:35) M4 H+ Q0 m1 S
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    2 F9 j8 O1 y% D% }5071A好像这两年不好买了

    ( ~9 M" Z4 g8 V0 ]) u/ g这个短稳长稳有出处嘛?8 T9 t; T: P4 Y; ~8 [
    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~~
    : C" L& {; U& `# q/ N! O1 Z/ v1 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
    7 J- y% r) A3 c7 A这个短稳长稳有出处嘛?
    9 O; }1 g0 n3 {/ r' w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 ...

    7 S# d7 n: B% W; n4 V3 F0 c: |# _% P
    & ]9 ?3 Z6 d, M8 [7 B$ J$ u$ k- `
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图* h% {! \0 V- c3 \+ f% h* a  k
    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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    慵懒
    4 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
    3 m* A3 N& I9 d9 B8 T6 Q' q) G: E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。) `" S5 Z' x. I* I* d3 I( i
    他 ...

    6 G# f$ h7 L* t. x& V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 12:488 I: c8 n! \4 f" W, ]9 J: p9 L% a- [
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图1 b: \- f# Y, m0 |  }& W
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    1 L* Q! t: _. J9 E! C% }: _2 F
    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。
    ( v8 M5 ]( _& p. k; F; 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。
    - x: n, q! j7 C1 k) _* K5 W

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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( H. L/ ~& f) t" c
    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。
    + \3 j4 D( v+ R5 U6 h冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    : X: J$ _% p8 B9 k
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    * L' \: \  `( L, ]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" l+ ]: j1 R9 t/ 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
    % z. }! y' _8 K( j( C3 V安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    / |* j- Y5 G* V8 ?/ M- V* W
    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
    " }/ g/ E% l: l! g# x* J2 O: F0 K可能高端的铯钟做的更好一些吧
    * a/ ?2 W5 F6 W7 z7 _; \- {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
    . s& N3 G0 J2 d( |* i. L时间基准据说 ...

    # _) J3 N% W6 X; ^3 g2 `" v5 I& d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
    , U$ Q0 N, w7 l+ |% p) h请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    ) G0 \+ w' s4 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
    7 N& v6 r1 O8 t  u9 {
    , Q5 Q* m3 `7 K- W! D1 ?0 p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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    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  R- I: u" R& |: }$ ]8 k
    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 ...

    ! @+ I8 `1 J; a! z& q5 S4 j) {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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