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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 1 H: I* S$ D' s$ r# n

    9 N5 F/ o2 a8 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。
    3 _! z3 a+ D6 e' ^: [3 v2 Y: h+ B% \3 {2 j
    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。
    & s  v. l1 `5 e: O5 o3 T% ^6 G0 A% [. p# }  D
    个头、模样大致如此,二十六公斤。. r8 U, j0 u( [9 T. Y4 U0 S

    ) C3 J9 Q' Q" I/ n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。" U/ v" }+ R* j* y: ?2 X

    / [7 P2 ^* v8 D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。1 O* z6 V" O  C- s6 b" N

    4 t2 x# i& _7 F2 H5 T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?$ ?/ o2 \$ T: u% W
    + f. C  R6 ~. Z* O$ R
    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。& [2 y. p4 x0 v: |6 C( q) n

    ' c- |8 R; m4 j* d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!
    ) a8 w; d" `8 h( a
    3 J" g6 x! w/ B3 v. ]/ ]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。. q; H- \$ @( `4 s' z
    5 w8 }$ [. J- u$ Q" 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。
    7 K- E7 h* o' h' Y
    / q2 T( Q; P8 y; ~2 ]5 a0 p' r& v+ g说些个大家可能百度不到的。
    0 i! b* [9 X0 b- y2 ?$ C$ w
    . A7 G! Y1 `0 V  M. U$ R: d0 M. H===前方高能===1 [  X/ T& _$ Q, `8 X" J" u/ y
    - F% r% z# H: ^0 d
    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。, A/ I$ B9 S3 Q! P
    9 X! ]6 M* b; J; b! M6 G
    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。
    + r5 s, z! U, o% Y& U) U/ L2 f4 E1 s+ t

      i* s' ]  W5 h惠普当年的铯钟,吊打全世界。) B7 b$ B, S/ U( Y
    7 J9 j1 w# _$ |% U+ h
    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!( M* @+ E' r+ h1 ~! M$ {2 L

    $ Z) W7 @& H) y. s! ^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。
    8 `/ z+ M1 C( F9 Z3 ~2 u
    4 b0 p: L) |# E5 n( g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。
    2 D8 i7 c$ R5 E. D
    ! |% u' h/ r0 H; W: X1981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。
    ( y# e$ D9 g; ~/ N. ]% v8 T9 b8 s1 M/ S* i% A
    1986年,十的负十四次方。6 X- Y3 b9 [/ r3 m/ e# ~7 T

    & D/ W- v6 Y) d; U/ P2003年,十的负十五次方。- X" Y1 p) I* n% i$ W
    3 b1 K. [% e( b3 A3 \- H) W
    2017年,十的负十六次方。
    ' S9 Y- x  k1 T! @  h/ M$ L
    ' k. G' s9 l( |4 B; z' [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。) N) e* Y- F, i  Y$ ^* y9 E" i

      {6 y4 F5 d5 Z# J/ G" q; f$ ^. g。。。
    & I6 y" e+ a( U" E3 W6 ^8 u8 N; l% o4 r, ~8 A

    ) n) Z/ R! F, `) `2 o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。4 F2 D- U% V, K6 w% O
    ; ~" p" h( r& K+ e
    ' x0 E& Q4 z' q7 [# {
    % C2 b1 w+ y+ L5 b4 w& n

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  • TA的每日心情
    开心
    5 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。
    + |% A& P# {: s2 m0 D0 t3 i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
    慵懒
    昨天 09:26
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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
    7 天前
  • 签到天数: 674 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 * J. x& D0 M7 m" E6 A
    5 @$ s3 E8 x6 f1 X( c
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);# g1 J0 e5 H5 @. ?
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    8 U; x7 Q$ k1 h  m& t5 o! ?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
    8 小时前
  • 签到天数: 3800 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
    开心
    5 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
    5 S8 m% f7 L: I' D! C: s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
    % a5 s- O5 k% R$ }  t+ P1 U
    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 H" \# F2 R4 a! k0 n
    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+ R% m9 q4 {/ B5 i" e" 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。
      I/ r1 ^* v7 K: J# {* |他 ...

    * E* z3 L: q: A$ a; Z* I1 U短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    6 a, `( h0 c: |- J0 \! e5071A好像这两年不好买了
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    开心
    5 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
    ; ~; W1 @# ?. a短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    7 w/ Q  m7 m* V0 K: t5071A好像这两年不好买了
    7 C1 g. \7 @$ w! L# Q
    这个短稳长稳有出处嘛?
    1 B2 D0 \& D8 @& j! R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 F4 O" K: A6 G4 D* G) I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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  • TA的每日心情
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    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 22:565 m0 p1 X0 K; I) B" {( ~
    这个短稳长稳有出处嘛?
    6 J& B: j* A: G" k/ M9 v+ d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 ...

    ! q; ~1 s4 g) m* [) K: e2 v' f9 F+ r9 T( M
    , y! }3 @7 i) r& v- @6 E
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    * y) |% X" o3 l1 I) i- y) N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
    8 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
    ! [9 ^& h% {0 p) N1 j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。+ U+ x$ ^" Y* Y- o9 Y: K
    他 ...
    " \% c# E- ^0 A0 J& q7 v: _& y4 N
    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
    5 小时前
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    [LV.Master]无

    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:489 p1 X$ u, K) S/ S) x. C$ u
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图0 K: l, _4 o; T0 f, ^% d( O( [
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    ; @% u5 ^7 `. O4 Y; J2 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。
    ) P3 b2 v2 d6 g. e: v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。& C2 ^. h. a' j8 u, V1 p. C2 b

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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 03:359 d: B+ t; d8 X. y7 \; f' O
    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 C+ L5 A/ p! Q5 q
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    % y0 q* b1 W, G, j可能高端的铯钟做的更好一些吧
    8 D; R+ T. a: ]' S2 g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
    ( I8 k; [) P' ~$ n. K; v1 n# y# d& w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, ]0 e; b# V: t- O2 P; D% s
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    + q* U1 \. V9 m( f- ?/ 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
  • 签到天数: 17 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 11:33
    " B" O( L8 [8 `5 C5 ~可能高端的铯钟做的更好一些吧
    ( I2 V6 R1 t5 Y% X' I  `1 |9 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3 R& a9 \, {2 R+ k
    时间基准据说 ...

    2 e! N. ^! {) c+ k, v# a( q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 00:567 L  j9 O! w1 H' K
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    - B2 ^# }7 M8 l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+ k0 f( Y6 l' o4 x+ ~" A5 b' k* g+ h) C

    % _: N: o- F9 o# |5 p4 B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* a9 B6 l5 T$ k: k3 O* c
    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 ...
    0 `9 ^/ D' d: B! u3 W/ V
    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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