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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 & A) B4 W* m+ i# `) x
    7 D4 ~( w' l  c, l' @
    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 {* d5 U, S, t2 }! }
    . S# {5 ]# B0 Y. z: `% y* A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。9 ~7 y) z" j/ u3 ?
    , r, I! J8 p( Y, y. q3 D
    个头、模样大致如此,二十六公斤。3 X* u7 q' J! N; |8 v; ]& k! E7 M

    + s- D# I2 A/ j3 T, [# I, n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。  `- N1 |* {+ |' d* L( V( d
    / x; [' x' N0 }- X! y7 g3 P3 u
    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。
    1 C- L4 d' L% Q" S6 ~! M
    ! W3 J& M+ P1 S& C' D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?
    " a; _5 Z  c" p
    1 B9 v1 U, E9 e" e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 Q. c0 X) G

    3 j, d0 M% w+ V  H8 i% [' 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!
    % ^/ Z7 Z, ]7 G  L0 M6 a; X5 F6 c- `- D0 j" u7 j: s
    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 i2 Z0 j5 {( }3 l# e  k
    1 E0 Y/ p; p1 q) ?% Q' m; h. }% f. _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。
    2 m/ ^4 q9 O5 v9 R' I- I+ L( ~+ E. V) @& p
    说些个大家可能百度不到的。- L7 o! m% S; u$ _
    , H7 c0 A1 O! O) Y& Z) ~
    ===前方高能===
    - l: C0 c' S' D4 d4 \8 ~2 s/ q& }% P
    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。8 |; e$ Z" \' J& M) y6 F
    + K& r; N6 U- _2 O% V" C
    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。
    0 @6 k! a. ?/ K2 X
    9 U3 w2 G4 ^$ L" |! m1 \+ i  ^- ^
    2 [2 k1 w  q6 o$ f惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    # {* b' N' H+ u- ?  \- M5 o. ?" w& \8 k$ j" F& Y( Q
    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!3 {/ Y# A. {& {7 b2 L

    ( V  `& C# q$ Y% N) M  a* d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& |$ ~. j$ F

    . I* R8 ?7 A# x9 N9 O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 I0 F$ j. p' ~; q6 r) {' Q
    ) O: ]1 h2 j8 _, D0 {
    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。
    ) W. z, j; A& N& \' [# J5 ]7 U
    7 A; u/ [( h# j& W. E5 k/ k: ~1986年,十的负十四次方。$ g" B/ ], o' }0 }! |

    & f3 }/ v5 b" x$ P; Y( y) N2003年,十的负十五次方。# c) a; f6 }* P% P

    ' L/ ^& X5 S; Y  S% G2017年,十的负十六次方。. g5 Q, @( c% T

    0 I# [' E& m0 {* u1 S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。: a+ {: ?5 T2 _1 ^! C3 u
    7 i% e! _: ]& w
    。。。$ W. D4 E1 e) ]  J0 T# ^* W8 p

    + |9 O2 q8 d: N' L! R! X8 T$ z6 x0 f9 ?. n+ d% `2 B* a+ t- G
    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。2 ^5 ^3 F# G- q- t  f8 d/ O+ s# g
    5 U2 k: C" p& c8 D7 F
    8 U+ h, m) T% u. ?
    + Q5 r. ?. W+ W( L" S& `

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  • TA的每日心情
    开心
    7 小时前
  • 签到天数: 2921 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。
    - `# y; _& S( B0 c# ^( ~% d, Z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
    奋斗
    6 小时前
  • 签到天数: 2845 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

    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
    2025-2-13 09:56
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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 $ w7 [" {+ Q  I& Z$ l$ n3 e

    ; H/ \$ o; P, C- W& O群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);2 j- h7 L; W0 i, b1 V
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    & Y1 W, L$ C7 Y4 o+ f) 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
    11 小时前
  • 签到天数: 3375 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
    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
    " ~' E( d, M0 }: k/ C8 v7 S+ V0 J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
      t9 |4 s4 s0 H* H5 t: Q
    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 Q1 A% V3 p$ _% m
    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
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      发表于 2020-7-24 07:14

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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 22:568 P. t3 c0 ?* m" K& F/ 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。0 n5 G3 I' |) I; w5 v0 x; }
    他 ...

    ; x$ {" ]8 I; J7 K$ X  L% i; p; `短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好, G4 h  a( U6 x9 c6 t
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    7 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
    . H& B" d8 ~, }. ^+ j4 C短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好$ v/ @" a! w, ^
    5071A好像这两年不好买了
    & `. [" V: w* R. O7 c$ ~
    这个短稳长稳有出处嘛?5 a6 R  n' _- w2 R' h/ F* r% x* y2 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~~
    + L  K7 t3 z1 x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# r" s8 U: z- h, r
    这个短稳长稳有出处嘛?
    . \" s- r* {5 A3 K; j5 @4 J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 ...

    # o& `7 p% D( ^" k1 _% `
    ) q0 R- g* ~& b! I8 R& N# x% K
    0 f' D4 B! j  f% Y没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图4 B4 G5 j6 e0 m; u' {) A
    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
  • 签到天数: 3341 天

    [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; _- _/ a0 J% g7 e9 Q
    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。2 Q# K( O, x1 Z$ D
    他 ...

    3 w. ^- y' v/ v" C2 o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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    [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
    , J# w5 E- H, ^/ ]0 X* C% o$ g! C没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图( F0 S& ~5 s7 k1 Y  e
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    2 q1 K8 W5 W. @$ ?1 c) L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。
    * G* g) V7 @) s* a) X: V+ y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。
    ( o# \$ ?; S# P

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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
    + \0 e! i  @$ f4 e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 n) S  S0 W/ Q! [2 s
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    . ?, x8 R, I1 P1 l+ _" f3 w" u
    可能高端的铯钟做的更好一些吧$ M% ]& B/ D) p( W$ @$ U) N+ T, [
    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: \4 t+ b/ `2 `4 l3 [  Y
    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" K2 L9 `; M安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    ; k+ o, ~% _4 p! 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
    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' O- f3 A, r. g6 S6 _2 D; Q6 J
    可能高端的铯钟做的更好一些吧# \% h$ m/ C5 `: `8 _- V
    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) |2 v1 Z5 k! t- X' D; T. F1 m
    时间基准据说 ...

    . d1 Q, a8 D7 u3 b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
    3 {& q6 u& x. g* Z) l. W/ |: D请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    ( Z! P$ e8 M5 S/ Y& C% t" 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
    * N+ N  s7 J. V) U9 Y0 F. M  K2 t& p
    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$ B4 U. k5 r* u+ }
    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 ...

    4 m1 P8 x6 v8 L9 W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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