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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
    / T, c  {+ t" P
    8 D- K  @3 }8 y" ^$ E/ {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。7 q  k' w( n1 F4 z' B
    $ }/ L2 e% d6 S
    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。* U( ?- f8 H; e# ]! n
    1 p" k3 s4 W8 u0 e- K
    个头、模样大致如此,二十六公斤。' Z5 z0 S/ F6 H- `& \
    / ^  x; g+ b) D0 U
    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。5 o) Y1 \* Q, A7 k: R  e
    ) `: K# Y; W" b
    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。
    ( h7 z) ?9 P1 d$ i4 N& A
    - m) H: X7 w! \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?
    ; T$ B3 Q" l* v: |  y4 ]7 U
    $ ~; j: S' A5 i1 R8 h4 X0 Z0 p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。
    + r+ `5 l- k- S2 r) V0 N& |5 S* m4 }- Q
    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 R' ]; q; G) ]) W4 m( n0 w
    9 @3 J5 z* z. k+ i5 f* J! e7 w
    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。
    % ^5 C5 Y7 c4 `$ w0 U4 q  D
    % J  m$ _: v+ B: U! }7 {+ t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。0 N4 c) p  p% i

    & z. Z& a, v5 n( ~* |: v6 @! `说些个大家可能百度不到的。5 f6 w, @* N4 y1 D
    ! w7 [6 P- L6 z& `6 @
    ===前方高能===
    & _4 T1 J' W. Z# o- @2 N
    2 Z; k1 g" b+ s7 e: Y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。
    ; s2 B' M  A: f% a3 @9 Q
    % @( }* O. P/ X! J3 ~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。# r1 X4 O8 g  `; E- ]

    / {4 c5 m1 k( ~! z5 Y% W. |$ a7 y: Y5 q% Z' t" G( `, Q6 O
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    6 p& o1 l3 |6 C: o4 m
    . G% ?/ k4 [" x8 X1964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!+ W) |  y5 R) F% [5 R" b6 t
    : ~; z) S( G7 T* n) B
    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。
    & R8 \2 l/ b  U6 u7 R/ T4 m+ M
    " \8 b% ~% x6 d2 T! p7 c/ ~% C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。
    % b: a( r9 k/ h) t
    9 p" _8 F9 c$ Y. M6 d. z& e' u1981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。
    2 `  z3 a( B3 a% x1 [1 [, \% a3 J* k7 C9 P6 ]9 x4 x1 c
    1986年,十的负十四次方。# n" C+ Q2 z& Z; H4 I5 F4 a, d0 X
    , Z4 Q* d6 ~! d' a
    2003年,十的负十五次方。' f9 ?8 u, A0 I* \) B' s% U

    ( X8 L5 A7 A4 l3 i7 e2017年,十的负十六次方。) f, A  o* N! N$ k3 H

    * i. V4 Q% b5 j* P# h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。
    + s& \+ z  F  C& {% H5 R4 c# O% _7 y9 j9 ~2 g) j& j. l5 o; G
    。。。, S# ^: l7 r4 y% G8 i6 U
    % x  E2 E# @5 M$ V
    5 l  E) [% k- A0 t7 g
    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 [5 e7 T; O; G- l
    6 g/ K" h) X5 N/ ~8 G
    9 J6 X9 W$ B. _# l: O" t$ V
    4 s/ Z- Z& A, l. y  o: c  b( }! e

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  • TA的每日心情
    开心
    3 小时前
  • 签到天数: 3292 天

    [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。
    & A2 Y8 F% ~& a) |$ \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
    1 小时前
  • 签到天数: 3203 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
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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
    前天 13:17
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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 : F/ K& k( |( s$ c: z
    " I" T! E) q. X8 T" f
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);0 t9 Z0 K8 L8 ]4 @: C. _6 T
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。9 L% t' |  P: s* ?4 R
    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: 3756 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
    3 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 18:450 K3 |! S3 a( y4 l7 k5 }6 `/ 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

    8 D) i: _7 ~- ~4 j" P/ l6 p$ s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。( v3 O5 _( |/ i
    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
    : n1 f. y# i- Z; B8 n- s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。4 |" ]* T% H5 l9 C, G, Q7 Q
    他 ...
    : x; Q+ p4 Q( J1 f& ?( Y
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好% F) z( f0 }' t; F; j5 l
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    3 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
    + Z1 U) z$ F  C2 B) }短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    ! t3 \- a  k( b/ G5071A好像这两年不好买了

    ! p% b3 J% q* d& ], F  P* A* K6 y这个短稳长稳有出处嘛?
    1 u( a/ \) M8 P5 g+ w, c* u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~~* x. i) A0 x% _% g& D# D( _( 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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    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 22:56  G8 h7 L  S. c. X; _( u+ q0 d* Y" ^
    这个短稳长稳有出处嘛?5 {+ e( ~% N  t6 W+ w$ q9 x5 o6 ^
    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 ...
    % I8 j8 x1 C! _6 n6 o( w

    ( F  b1 w8 u7 B& f- [) D. I0 n- Z0 _# A: L0 T/ E4 p9 L, J
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图9 v7 ~3 B/ l) i
    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
    7 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* B9 W  t* Z8 l# n9 w/ [8 |- a$ 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。8 `. p) O% K6 e
    他 ...

    9 V5 Q  A6 D: L; h/ o9 F) k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
    3 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 12:483 O' B; F! C% r4 t$ h
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    0 B, s0 @) N5 t8 v这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    & p4 A/ j. h, O0 m
    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。- o4 w8 m8 t2 w/ G$ ~2 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。
    : w# n& F- w/ `0 _) 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 03:352 v/ r6 j3 X- X3 E' h2 J% K3 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。
    " u8 I) e. C* j% {" P1 H冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    3 Q' H% g+ q" ?0 z
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    2 i3 l' b; M; u! 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! Q/ k  i  Z, d. ]8 k" F3 ?9 }1 I
    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
    . L& Z% H  o+ W8 j4 n安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    ) w5 }( G6 Q; Q" F: @8 [7 r2 H/ }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
    ) a: l7 p! r8 R0 ^2 q可能高端的铯钟做的更好一些吧
    " ^! @" G' [0 P- G+ M2 y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, S6 |3 T" x/ H0 \: P* e
    时间基准据说 ...

    # B1 ~9 X- b+ i; Z  m, X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
  • 签到天数: 1 天

    [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* ?6 A5 @8 r8 S. p
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    ' r* c$ a+ n$ P) H$ Y6 u& f; I, 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0 m1 ~: y2 H! G. A( ]4 B+ Y+ U

    2 H9 \& @- m& F! H8 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 10:296 @) O2 A  M: w$ C% a) R) x7 i0 O  _
    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 ~2 F7 _1 A. \# T) X! Y( w3 u7 c
    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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