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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 & N  H/ K! Q" G+ q  K8 w. W6 K2 _' `( j

    , Z* }5 K4 t. e. S9 ]- d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。
    " {2 C: a) e" N: y$ ?5 H2 h7 G( p- [3 w9 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。
    # d, \3 T7 V2 @) B* [1 J7 F8 u5 a( S' N; D5 a
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    5 }6 [, p2 l! k8 j+ H( q. [: u4 v* V1 V
    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。
    0 I& g# ^8 E! H0 D0 C
    * k; H+ h* O  Q% I& J: X; f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。
    % L) e8 o7 v7 y7 H0 v% }5 ~* A$ {
    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?$ m" Z! }2 ?8 |( N7 X: K2 _

    & w! M# b( K/ A/ w) h) _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。# T+ B+ i( d: F: G1 A/ I

    2 B9 n" ~  \8 l$ C9 R+ b% Y4 @! j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!
    ! j' `2 U% t+ U4 D8 F
    3 a* |. o8 l  \/ k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。6 g; P& G' e) m8 y7 Z& g

    . r% r3 o' N% W1 P9 l: o! D# `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。
    1 y0 n+ V% {) D4 F9 d0 B
    3 u- g% o% h- [# {. w8 s, w# \说些个大家可能百度不到的。( n- b6 ?, B" a! x) K1 B- L4 ^

    " ~$ K3 |0 A! C; W1 J7 O===前方高能===
    / |& V3 c7 _8 c+ a. i/ m+ ?9 M' ^$ i( S8 z( I' j5 t. m2 O9 H
    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。6 D! g! E2 \1 M' V" `2 U
    1 V3 `  I& {2 X3 [1 ]4 T/ R1 W2 m
    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。, I* w  T9 N- _6 k+ U

    , Q' x* Q* |4 \4 g( t* C/ M5 ?9 J9 t, c% }
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    ) U9 M0 o0 Z- U/ U4 D9 ~! a2 {
    6 f, S# i0 d3 w) x2 }5 S1964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!
    1 @/ ~& h% B; m4 w; f9 N% I! G- x4 V! _' o) l
    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。
    . t) I8 D! @3 T  l3 @  E" D1 j4 f
    . H6 I5 K% Q! b! J. e  ]9 b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。5 |/ B, R2 E4 n6 J, [. L
    0 V$ D! ~. z/ V: H2 Z
    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。
    . c: E5 U+ p- B9 @2 y8 s5 b# u$ L
    1986年,十的负十四次方。
    . [: S* b1 X# ]0 o
    , Q5 p: H+ v7 V2003年,十的负十五次方。
    8 \+ e) W& r# o/ w' G% c1 G1 @* D; x* |
    2017年,十的负十六次方。
    0 ~$ d; Y2 b4 Z1 g/ c) z8 K5 S& r' e
    , `1 m2 K+ k+ l/ o, |+ G; L$ C: |8 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。
    2 A6 q6 V2 N* O5 c
    5 X7 H- e: b$ l# x。。。
    % c- L, \' }2 a3 G9 J* D2 H
      J- q" q1 `& K$ U/ o
    " F7 U6 `. g1 X4 u2 P  v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。
    & U6 O; J! a) Z1 u. @. e$ X5 [) g, j- [7 o' E
    3 E& j7 a* R# f( t0 o

    2 ]$ u5 ]7 C. e' a  ^# o

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  • TA的每日心情
    开心
    14 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。' l* i8 H) Y: B
    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

    9 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

    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
    2024-10-10 13:34
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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
    2 }) U) Y/ M' b, k; i9 w5 ]: V
    / Q1 v0 {) W* j. w群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    4 ?' Q+ j/ }; @+ {, L看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。% ^5 K2 [. q: O  O# J/ n+ X  t
    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
    15 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
    14 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- p3 z, t; z# h" 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
    7 Z' e( }' T" W2 h. q! C! x: |  v2 w( g
    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 E$ G$ y- u7 M9 G! a8 r9 c# i
    他家的铯钟在基站上很常见。

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    开心
    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
    9 _1 {( g4 y0 j8 b5 ]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。
    & j7 D, f( a4 T; Y3 }& l7 N5 u他 ...
    3 [4 ]+ K) ?/ N0 b: S
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好9 y% j& q- F/ z5 y
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    14 小时前
  • 签到天数: 2841 天

    [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/ }! \8 S, \) E- @5 x" b
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    " r- _0 h0 P- W0 G) L5071A好像这两年不好买了
    1 d7 s/ V: D7 n/ T
    这个短稳长稳有出处嘛?
    + ]0 Q; I+ A7 i, R- S  C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~~/ B8 h: n/ q0 Z5 u* k
    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
    4 @( p$ ~# E3 B9 F9 }这个短稳长稳有出处嘛?
    $ h1 x! z4 A0 b. W- p6 v$ S' q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 ...
    4 D( R/ `( N: o2 n

    , W7 a) Z2 r5 f5 t0 C' ~
    4 w. _/ O  g2 a) \8 E没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图) |& e7 N! n+ e
    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 22:566 A! b# S8 q' H1 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。% G9 P7 U9 H$ k; }
    他 ...
    # V$ n, I) ~- E! Q
    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
    14 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 12:48! D8 G/ s/ E& a- C2 @
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    6 t. S" Z- y. K$ `$ Y1 f这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    : o' w9 c% [/ ?! T  v( ~! D! H8 ^# s4 ~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 R& F' J% y, G, t& \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。  }3 x, c8 u9 `  k5 G6 S

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      发表于 2020-7-27 04:47
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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

    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
    5 q1 j- P  ]3 o  n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。
    , Z9 N* ?( S' J, [" V+ N$ L冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    7 g0 L& g3 X2 E0 |. B8 h- d
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    * T# d8 G5 K4 s; {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
    ' F' S# ~* _7 y1 a4 M% v" M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 03:019 f1 n7 B3 ^# T0 W7 e' k
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    / S9 J# }  a2 r+ x$ ~+ W/ z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 11:337 X+ {/ b& ?4 H+ @" G
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    6 \/ u* d" f2 D  t8 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) [+ V" W, f# _7 \9 X- T
    时间基准据说 ...

    + u7 K/ }: V% @( @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+ U0 X5 c' \9 N, n4 h7 [# S
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    1 |1 m5 q; T& T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
    ' O6 C. E; N0 V! y  d* m. Q7 l$ ^! u
    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( H% z. A/ ]8 ?, l( t
    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 ...

    * E1 z% C0 u& `, x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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