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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 ) s* K3 Q) J5 @" g; I1 e& I4 w
    8 H( z. V8 Y' y: k2 [8 u+ }
    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。$ {+ z: O; T: l  o2 x5 y3 t
    9 ~, v8 h( Q8 N% u
    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。
    6 N* g2 c4 ~0 ?/ R8 s8 J& K- s. L* e+ T3 c2 E9 L5 l) k1 H! b
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    $ L* U# O" ^1 A- B' f7 p% v
    8 D" o, [# e& q7 R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。/ h! n& K8 \8 t8 e4 p  C* g
    3 E# l% T1 X+ f8 l0 z" O  l
    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。9 K- e  X4 }& G/ o! Y4 M- W8 z, A# a

    9 w  j8 B7 x. v2 O+ h+ x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?4 ]0 ]! G5 `& J8 k- A
    8 _  `1 A) [0 @4 v: M  W
    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 [' g! x, y& O( Z8 A. d
    , s" d- ?6 s* n# }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 K/ r3 Z# d( ?3 B1 R) Y& {- ^! T* N, `8 `$ Z' o5 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。' K- P3 o+ {+ r/ ]% U3 H& C  Y

    . {) d' Y) ^" K% `  H  b( w( N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。. S4 D1 b6 [6 P  u

    ! b6 W  d$ v, @( O% M& m8 a4 L说些个大家可能百度不到的。
    7 a1 t% \/ g4 C/ ~! P' p3 T
    ) U1 K7 G2 |; p. G# H===前方高能===0 L5 W9 S$ \; v

    ! w9 X0 Z, Z" r, x3 _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。
    9 H- q* S) T% q# P* T2 {0 q! L7 q' L1 C# J( A9 \' F
    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。4 V- P  f2 c6 R6 W! Y# q7 Z

    # E& n3 c8 k. [' D  S
    % |. v6 x( m, A2 I惠普当年的铯钟,吊打全世界。# p9 Z0 M. j5 }/ e

    % G7 ~) ^4 Y* d  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!
    ( T! V8 k3 G1 H2 G
    ) r+ X7 V+ w5 s7 N8 I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。
    # U& A1 L' c6 i: B5 w
    + B% D0 z0 w" J. ~3 W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。$ ^6 n+ w( x! m' J0 h

    ' X% C  d: }7 v# 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。
    1 f9 }4 B# Q+ b4 p. B
    5 z5 u6 \$ ~$ [* e0 U1986年,十的负十四次方。
    ( j$ q% Y! G8 E& _2 [, P+ o6 G% a) U8 ]" {& m
    2003年,十的负十五次方。+ s+ s/ g4 U/ Z7 i/ L3 d

    , ^! a5 Y& _) m0 s; z4 w7 N& k# x1 S2017年,十的负十六次方。) z0 w3 N; K9 L! c5 {9 [' ^

    ' v+ ^) D4 M7 b3 E4 n  ?( s4 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。2 T: ?# a% W* P1 ?+ ~: o8 r

      Z+ A; }# m" h) C4 A% n/ f9 q! j。。。1 p2 R; c) T! e  B0 w3 B6 p

    9 k2 B  Q2 ]: W+ V" v# n
    " a- x& w% v2 F4 }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。
    / n9 _: M* ^. C) ]3 A' k' a" y" t4 T  |* X% X3 S( J

    ! k3 {* E# t6 c* c& u
    # V/ V3 |7 Z" G! ~

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  • TA的每日心情
    开心
    昨天 01:54
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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。
    # k! w# }% Z2 O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
    2 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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    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

    2021-2-24 23:26
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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
    4 天前
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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
    ' l$ ~/ C5 _, t/ i
    ; q& q7 S2 v! a+ j2 H0 A群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);) o( `* N( j: d  t  d* H4 v
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。/ J0 A0 B3 {6 c5 h& Q$ q& `: F8 q0 |
    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
    2 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 18:450 D" l& f* _/ ^) |. M; y
    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

    & U, a/ u6 G; z% Q: Q! Y# 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。- f( G1 H3 l( o5 ^
    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
    9 x4 l" ]$ u6 P6 w% 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。
    $ ]# I1 C2 ~5 C他 ...

    - w. ?* A+ m3 E6 ^7 h7 H短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好0 O2 N3 J1 V7 M
    5071A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 13:353 J$ `) ]! C4 o: m) P) X+ P
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好1 ?1 m3 }3 R9 r
    5071A好像这两年不好买了
    , L' i2 S. L, F" j9 H
    这个短稳长稳有出处嘛?
    . [2 Z5 j! V, R* I4 ^! r* ~; S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~~% j' C. V! I, V- T' T' c2 Q
    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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    12#
    发表于 2020-7-26 12:48:09 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-25 22:561 h" J! u7 E$ v0 A) f( q
    这个短稳长稳有出处嘛?/ ]8 l2 y/ P( E
    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 ...

    8 C+ A4 N8 j9 @' d" R( H+ n2 [! L
    ; r/ P% \* ~8 |6 ]% e6 k
    + S0 Q$ [' G( h没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    " o" [6 }+ ^& G* G9 j* L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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    28 分钟前
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    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& J" E/ a+ v. @8 K$ `# }) F( h
    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 ]0 R9 _) E7 M0 ~0 v他 ...
    ! h. X" ^2 r5 W
    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 12:483 Q. k; e8 _2 P  H) z/ x9 G
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图6 D& D; r* w8 E# J8 B0 U, z
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    % S6 T$ K* `, _1 k. K( ~4 i+ ?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。
    0 I$ x7 j" G! I2 L% e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。1 D! j1 u7 W4 T: Z& k" ~

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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
    0 z& w$ x- u  h6 r8 b- B$ w1 |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。
    . Y' ]1 z" T$ k1 F1 h! |( x冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    : N% d0 ~5 T; _- U0 h
    可能高端的铯钟做的更好一些吧, y2 L, k4 k! \& 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
    7 O) V+ |2 N8 {% u/ W8 t时间基准据说用的是铯钟,利用其长稳
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    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
    ! f' l( `) b1 t" ^安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    2 B" u( I. s/ f4 G1 f嗯,惠普 - 安捷伦 - 是德,不知道后面怎么变
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    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/ B3 e+ `+ _) g( N9 W' F# M, S+ U
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    5 X( ?$ A7 l' 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
    8 Z7 [$ R. n3 P; {时间基准据说 ...
    ; ^) d1 R- `# `1 R
    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; l: S+ s! f. ^7 V
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    0 V2 R1 M- D1 ^$ R4 Y/ }( I  H
    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
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    * I  Y5 u- {8 ~2 A$ I! @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
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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( E# a; g0 R5 E  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 ...

    3 E; R" L% {3 @' Z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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