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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
    ' @+ I/ `! E) {
    8 V7 z) Y& w/ {7 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。
    . j' C# [# A5 A3 e
    ; y: _! O# o  f7 Y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。
    8 h" r# ^9 t* s: b
    " _0 F4 U8 i$ E4 x, Z' e个头、模样大致如此,二十六公斤。  k$ X2 g/ m9 q) d/ f
    ) d8 R, E' {/ ]: O( s9 Y
    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。8 k5 O* F- ], U: E9 R
    , p2 e$ h9 q. u& W& h1 [. J* j
    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。
    2 J* j! A; d* H2 r+ `" y/ `
    0 _9 q. s3 Q2 T% t  V/ \' {2 R0 v: o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?
    - L: J' q1 A) x4 N7 u+ Z- i: R/ q
    , P3 L0 t" }" {# F! z' O: u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。. L5 o9 N+ x9 N3 F( }/ x: p  x% ^3 T
    9 C7 M( ?: v  y, p) E/ L
    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!
    ; V5 ~( R) i6 @5 o( f" \- G- M8 V$ I# c/ 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。1 L( A) E, y  b" o1 f1 d# Q  Q

    ! W, W% n9 u) }+ w- J5 }# 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。
    / j" B( c7 S4 b( O3 e- I
    1 A8 r/ k; p+ l& i; k& l6 o8 W" z2 U说些个大家可能百度不到的。
    8 {$ p6 v- l) P) H: M1 ]- f. `5 ^* N  P8 c  i7 F6 j1 E) n
    ===前方高能===
    + W3 e! K& r, T% S
    5 z9 o: l" \0 V: p! r6 v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。  X  f9 f) E( t% K
    , M" Z( A4 B2 S  M* L* x; w
    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。
    : X$ g* h6 J' W) W, w  P% T8 g' l7 x  D$ d

    - y3 x0 b' K6 j3 \% B9 J0 B6 s惠普当年的铯钟,吊打全世界。# m1 J9 u1 A, ]: k+ ~

    * a& Z+ ~# y4 |% C1964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!) j/ j1 U9 V8 k9 S. h

    : D/ C) c7 z0 v* `( p2 U& x' u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。
    2 L* M0 r2 m; \/ l
    + p# [. }: u- x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。
    3 ~8 A0 O8 U# l4 Y
    - l( F# J1 Q! ?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。
    % r8 ~3 }' p5 e. c/ ]# T
    " o8 i! N; s) q6 w+ }& c' o1986年,十的负十四次方。4 c! v+ ^7 u% s# ]+ i

    ( K3 Y" w: L/ d0 V% b2003年,十的负十五次方。6 M8 g  `; m5 r" N' K! r

    ( `2 T1 U/ ]. F4 b+ P( K2017年,十的负十六次方。
    ! w4 q: [: ]9 s5 ~+ g
    # E, m5 [+ w/ t% N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。
    , R  L5 o/ s. M" x: k* f% P! V: [/ p9 b  r/ s9 U2 h3 X/ n
    。。。1 B8 ~/ f, d% }
    * V& q2 y1 |2 h" ^9 g

    ) G8 f. i( j! ~9 L& |  T' U5 a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。' l: f3 E. r6 Q# p7 ^* x
    / G4 ^  J) Z0 c# w7 x$ t
      D. K; X# ^# L) N& ~# e) j

    , b) k8 c/ V. R% q

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  • TA的每日心情
    开心
    12 小时前
  • 签到天数: 3005 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。% ?$ L& V' ]2 |) g( N
    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
    无聊
    11 小时前
  • 签到天数: 2930 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
    给力: 5 涨姿势: 5
      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
    2025-5-3 11:32
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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
    5 p5 j$ B! @# k7 C' G( N" k& S% d( g& t2 ~/ l3 v6 a1 H
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    # E% c" @. I! B* Y' U- }! O看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。* \* Y2 @5 N( M: _0 @
    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
    12 小时前
  • 签到天数: 3461 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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    开心
    12 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 18:451 `' u7 j6 n' ?& x/ r0 n( g
    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
    , \' h1 g1 k" M+ n, W% 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。% C% v; z/ {: m- C
    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
    ) H8 d! w' r& \/ y& 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。
    8 N; l# A1 v/ |+ X8 E. F5 a/ Y他 ...

    ; C- q1 m/ f3 J7 J# f: \1 }# V" r/ {短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    % F: S: f1 x, d* h2 ^3 X! T5071A好像这两年不好买了
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    12 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
    0 a* r- V  j8 E3 y* o( X! K短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    , k, z7 s2 B1 D5071A好像这两年不好买了
    3 h6 t3 x; f/ \; F: n% I
    这个短稳长稳有出处嘛?
    ) V- i, a! W6 k0 l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~~) W  l. P; x+ h/ Z& D& @% F5 p0 X2 a
    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( d' ?! _/ Q0 V9 L; ^" e0 {$ @
    这个短稳长稳有出处嘛?+ Z" I8 n$ f6 P/ i& J& p
    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 ...

    $ S9 u% E/ E- o" l% y/ `" ]3 t5 J1 S
    ' e( [8 N5 K. y$ ]; }' r  I
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图1 a/ d0 v0 s0 I$ A: S  _
    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
    12 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
    " P7 I$ N) G( i6 ~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。
    - A( o; Q& r' E2 W, R. j. [: i% [他 ...
    ( t/ N/ `! c/ r& p" S' 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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    开心
    12 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 12:486 T0 e) h4 T: X
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图% [) ]. }% S' p* l6 P0 N; @! G
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    9 E8 A2 r- D# @# S# E1 v
    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。+ j0 e: G* Q0 W; Q
    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。
    ; s0 d3 O+ Z6 Y4 t

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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
    1 E8 h; ]' w% t* R9 R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 ^1 a# E9 k% I! ~% B/ O冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    " u3 W# O; k2 e" v, v; {
    可能高端的铯钟做的更好一些吧9 g8 |' U) ]+ C( k0 k
    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 f+ y! J: e. f( L7 ^% l0 L  X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
    ( R9 G% M' {* V7 I7 \( c安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    ( Q" T: W# P% o$ k+ Z6 [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% H4 V: H- T1 p2 l4 Y
    可能高端的铯钟做的更好一些吧8 l* \( s$ o7 v7 J) ?( }% \2 v, U
    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
    9 e2 g% u: r4 z& k" i7 r- F' ?6 F时间基准据说 ...

    # O5 ^8 ^7 Q& h9 f3 |4 s" D8 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
    2 U) G& R7 O2 x7 G请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    1 L5 N7 {, H8 V' }; Z
    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
    * K7 y! T5 g' H  A% p
    & V6 o+ q% D; _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
    $ I$ t1 F+ T8 L! c) T, M3 y$ {* l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 ...

    & N' V' Q* @8 `# U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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