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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 7 A0 o8 Q3 H, I9 @- P+ @; t/ x
    * V6 v9 c( v+ 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。
      E2 D' m( c+ h9 Q4 j. |9 U
    0 F, Z  v" w: C# {( 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。/ G6 g# Z5 ~$ M$ g
    ( C- R7 X6 X! R' F# T
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    : o( N2 @- F% F1 o+ {3 z. v: C. h9 q/ _3 t
    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。. E( \4 L6 i) f1 T* d

    * C5 D( G1 e- p% l4 i0 }- H, [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。. F+ G: u3 ^- u# X- |" T* ^! x

    0 d' q4 L- W" Z* f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?
    + \/ q: A- z3 I: w! Y3 t- k+ i0 r( F) J4 l; _( x! C
    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。/ q& Q1 t; L, H$ o$ k

    2 r! B( v  g  E& d! c  R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!
    3 Z' E4 l1 y7 ^; u4 N. A1 e7 K8 X9 _$ L( G
    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。
    3 [; |8 z- {" y4 a: u" m# _) G9 A8 n( S
    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。) ]! E% t3 v, U+ ~

    , \0 h1 p/ M8 n/ L6 `8 C说些个大家可能百度不到的。' F2 d/ C( f; @2 |) L0 ?  k
    2 j: z+ G& \+ u% K+ q% a8 f
    ===前方高能===
    ' |) g5 A* T! t/ ]& o. c0 ]
    ) w/ y6 d" c3 j6 J: 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。$ J; g! N$ N: [

    . F; _) ~! f' [7 v$ o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。1 c4 t1 m  Z! \% b! J
    * U) C1 \, S" Q0 h

    " O) a% e3 d" N7 P5 R4 J* V7 p惠普当年的铯钟,吊打全世界。, E8 @( q2 H, x7 b% e# D. c- R/ ^' M

    5 g' s8 E# p" _% q9 u& W7 l5 B1964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!
      n4 h. V# p, c% ?, h& J( M- D/ J/ g) G2 q0 x8 r& }/ J! K
    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。/ A2 v5 U, v% G

    9 U: V3 U- z, S7 S3 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。$ a- I: V" m$ ]% @$ }! P2 |: _
    ( M5 K" ^/ ]5 H% y
    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。9 f7 u* l3 Y% m3 j

    4 U3 b/ P# r. U2 W* h1986年,十的负十四次方。. n* L$ W2 k9 L5 N

    * {9 w6 C* Z" A$ T$ Z6 z: |2003年,十的负十五次方。
    - x  y$ _4 J2 Z, {0 M8 C- ~: x8 V% i" K/ i# \+ i% ]
    2017年,十的负十六次方。
    9 h; G5 Q! P, I) E% W& V! P! I( y
    ! T, T( w' i6 |4 B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。
    % m, k2 r4 {  E5 H) \: h6 C- Z+ ?) M6 l) E
    。。。3 p* n& e2 W$ \$ C' q5 R1 a

    : ^/ A) K3 S& P( ]* F- T0 a2 l5 b& T7 z7 q9 P1 u' T( h
    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。
      W- g' b8 X1 u0 ~1 h
    ! R8 c9 h( i$ j
    " O/ G& }4 |- H7 _* R. B. Z8 W! Y6 S2 s3 q: n' N& u

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  • TA的每日心情
    开心
    7 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。  U" F0 `! }& n. i" A1 j0 f& u) {
    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
    7 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
    3 天前
  • 签到天数: 691 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 5 T5 X4 o" Q) [9 W1 k! P
    , k" w. d0 S+ X
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);4 d/ h6 z" ~" z& B+ s
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。" @$ D: t' r& P" [7 _/ S/ b$ H7 [
    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
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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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  • 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
    7 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
    ( c8 \" Y3 c. ^' P* W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 X5 f- ?3 W# O3 E$ S! z! `6 b- I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。/ M9 P: c- h: [8 ~
    他家的铯钟在基站上很常见。

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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( i6 l& T9 J+ l# o' M
    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 i6 Q) w& V+ s& X, Y7 d7 q他 ...
    % ~& q# [3 ^0 a6 F3 [
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    ; p  |/ }' E! F. P3 D5071A好像这两年不好买了
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    7 小时前
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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 13:356 b& S; [2 v' {' F' r& L4 G
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    , l: p7 E+ T& R: v5071A好像这两年不好买了

      m, G8 y0 s/ H" [% |, M这个短稳长稳有出处嘛?" b! {/ _4 K* Q0 n' C9 _  h
    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~~5 d+ h& I! o; C# H/ E+ M! u
    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
    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
    9 ?( a$ ^; g& h这个短稳长稳有出处嘛?
    1 j* L. v# g9 X* r- o* n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 ...
    - _2 A0 G, e$ ~, ]4 g5 U+ G

    / ]" A$ {# x5 c+ g" Y1 C8 _6 A% U9 O3 ^  A9 t
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    . G8 |3 z( o% i& P6 L5 U( \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
    0 E+ a6 w: ]$ w; m7 C4 c3 y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。
    1 o) {% b$ f+ G) I3 P2 F他 ...

    / s7 _- d: |6 s9 \7 \  b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
    7 小时前
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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 12:480 h2 ?- p! M) X& X! @9 u! d+ e, O
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    * a  _$ C2 N: P- `* H4 s* X这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    4 N9 U3 b* h4 Y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。
    : n% x' L0 C* 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。
    ! J3 W) r, k4 R4 n4 D

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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
    , J3 f" e3 u5 M( ~# M! n. i4 K  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。) b0 Q+ X, ~. Y  @+ c7 g- P
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    ! ?5 J8 J" _8 U3 ]
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    : J* f  S9 f% G8 W3 d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
    * c9 r2 ]7 ]7 @7 [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. @$ N3 X  m) E; r
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    / j4 C6 n: t( ?. I$ ?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
    3 天前
  • 签到天数: 23 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
      @$ `9 j) P. N) m, {$ [5 |  a: R. M可能高端的铯钟做的更好一些吧
    : P) [$ F3 c  v& o: x- Y0 R5 ~! t0 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+ Q6 ^% `' r- G/ P! i( [* \
    时间基准据说 ...
    * Q+ b+ z# v, R; B4 o' I' p
    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: Z5 A9 [/ [& P9 g& I
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    8 t6 v. ]2 `2 g  n. |' O; J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
    8 V# I( C! {& S, P  c6 U3 i, y/ E2 ~0 d8 {& [2 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
    3 天前
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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
    * p; N0 R9 D" C' G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 ...

    $ l3 r3 j' P& z' g3 k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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