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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
    ! R2 M+ T/ i: R( \$ o. d4 e) |3 ~
    3 w% L. a9 p7 Z2 K, p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。
    % k; A! ~+ d+ Z: g, `. A; M) q. U& l" h# S$ p: [( 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。) K& y3 Z+ ]( ^+ C+ Y* v
    " F4 P5 G  @* u1 G+ A
    个头、模样大致如此,二十六公斤。) Q/ H% N8 z: c
    , ]: |- q/ y7 w- O: W% A/ C
    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 G. w. Y1 y/ Q- j$ {8 X5 n, b! W7 \8 t( z6 I% p
    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: x: q" |! X- i8 S8 a& y. A9 p

      s3 y' N! E! r, r# L- G( `0 `! Y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?
    # I( v1 b, n6 n' ~4 s. V4 r7 G
    " X; a4 W9 _7 E4 {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。
      F# X1 w3 `; x' W' F  G  P  T3 @2 ?
    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!2 M8 g* q* ^) v4 N2 ^* z
    ) W& j" D+ v: f' l
    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。
    9 K! }& G8 a- Z) U4 q
    7 L7 v& y" m9 j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 i5 f# \/ v$ b
    % l# \% h- ~6 q4 C, ?9 l* v$ V
    说些个大家可能百度不到的。3 a8 w0 ~1 y& M7 t3 s
    1 s7 X7 w/ d( O% ]% ^, `$ Z
    ===前方高能===7 w1 b# m7 I: H6 V$ @

    ( M7 K" @4 w5 p$ o/ C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。
    7 p, b; @- T3 _, z  a
    : F8 Y# u9 V9 J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。% ]. N4 }6 \" R7 P, f

    - W6 f) v6 t8 F, L3 m5 r
    1 `. Y  b# _% A7 D3 l1 m惠普当年的铯钟,吊打全世界。% b- T4 E+ W* M/ l, X2 i
    2 M: w8 z5 J2 O0 V6 D& H7 _; j# G
    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!
    % [/ d4 r$ b! d, H
    ' P( b) p0 w7 w; P5 ]0 W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。& P9 b: ~) X4 _( f, I: K
    5 }2 q8 ]* q  z" {
    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。) I7 s3 V+ p# T

    9 w. |" Q- n" e. |+ O: c1981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。
    . X/ v+ m1 p4 p3 I( A, Z$ V4 e! X0 n0 v; Z9 _; f* d$ k* ?3 k
    1986年,十的负十四次方。1 B4 c0 C0 f8 K2 |' [

    4 t" ?3 I& K( ~! W2003年,十的负十五次方。8 l% I0 |& |- h9 F8 p9 n: p

    0 S' z0 z9 K* O, U  W7 y2017年,十的负十六次方。
    ' O/ Y- ]! r% u/ @7 j, a
    $ C7 H. ~+ X" L4 ^; k; Y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。
    / h  K+ \' ~; e5 Z- T+ A
      [# }: B$ j/ N: Z% U0 s5 s。。。
      a  p8 p5 n) e, y7 d1 B9 z; [( X0 t, w% M
    ) J  O$ M4 W& u3 e  t, [
    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。( [. V9 [( }. }9 }5 |
    % T" z" `( U  M- \; ~& a# u

    5 j0 \2 p9 j' s7 i5 p% k9 T  H) f5 |* Z9 B6 x

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  • TA的每日心情
    开心
    9 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。# Q( t* `) t6 d  I. x! R% }0 O$ s/ R5 X  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
    8 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
    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
    昨天 10:32
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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 ( K6 B) V' M" r; a
    7 w# H& ?1 d7 V; r5 K
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    , l) c. R) ^4 U. B1 l看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。6 C8 h( L7 F. v5 q; |/ E. R. N
    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: 3884 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
    9 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
    & B/ M; T6 ]( l. T+ e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
    ) A$ g3 c; [4 V" V* t" 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。
    0 L9 ]* f' B: @' e3 a( I0 ]3 P6 b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 22:33
    给力: 5 涨姿势: 5
      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 22:565 {/ z0 v; Q  Y7 S# k: 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。
    4 r6 z# S+ i; L* V; f3 i他 ...
    " L% r, x) y# l  }  C( V8 J
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    ! c9 U- q6 A0 m5 z/ _( l* b5071A好像这两年不好买了
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    9 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
    6 j2 x3 X- `( H% d& j短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    5 i1 y- G9 F/ I6 ?8 u8 |5071A好像这两年不好买了
    4 s, C& ]5 e( A7 D; m4 g
    这个短稳长稳有出处嘛?
    ; m3 u1 \7 D1 F4 Q( M9 W: Q( 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~~; @, E; d( f6 b& _7 A: C
    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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    [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
    4 Y- L- y- E( \) v- \* V8 j6 S" V这个短稳长稳有出处嘛?9 p3 a7 R' [# F7 v9 X
    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 ...
    ; k# ^& m5 }* x' `, ?! `8 t$ Q8 F5 i

    ( F7 Q) v) }5 u0 I0 f1 ~+ q8 S& B, Q) ?% q( F
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    $ N* E* E$ r3 v8 {( `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
    15 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
    6 R/ l% x) i0 l' R; s; m3 A  W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。- f  Y8 u- [. b9 Q7 ]6 j) r# p
    他 ...

    # o" B  F, n) r" P3 C- G8 Q8 B0 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
    9 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 X3 [' a; }- R2 f6 e6 S; Q
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    : d5 \* ]2 ^9 a8 B  J/ A这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    + b# @  w( N! |. M/ D: O' g( U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。
    ! M# @" @2 l8 U4 z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。7 J7 N9 z9 }0 W) E, Z% n

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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 03:357 R5 i0 ]; a# V0 v; k& 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。
    1 ]. w1 f5 O- H0 h冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    $ T0 J4 L' Y8 J. e可能高端的铯钟做的更好一些吧8 {/ q$ j/ p0 J
    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/ N: I! ]4 M" n0 b
    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. N7 E4 H+ [
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    * D2 i8 |: C4 q: x/ 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
    前天 02:01
  • 签到天数: 20 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
      f9 T% R$ y; Y, c* _& Q: b; i& K可能高端的铯钟做的更好一些吧
    , ^  t; r( u% i2 V# f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- H/ Y! j0 O& B" i/ n* L
    时间基准据说 ...

    ) v! R; W- h# Y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 00:56
    0 F4 [1 r, a" u4 E. Z; a! q请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    . N  ~' u! c0 y4 q
    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4 l) A  R% b( ?& m7 n

    . o2 F4 G; ?% ?1 j' G6 S4 j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.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
    & M, V) r' a' o& W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 ...
    - t3 z; [* f) S& h3 T  r. ^- n  T
    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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