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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 - X+ C3 K4 ?3 c  @; ]

    1 k# ~/ _2 o3 ^7 f! ~0 I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。) [) K7 W0 c* i8 H0 |

    7 H) b# p# r7 ~. ~9 H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。
    ( R6 f% z: ^% q- [1 z+ |$ p& [6 Q( U& I8 P) @7 \
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    ! l' J/ T8 k6 B. {" X: K& V; A* Y* A
    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。
    + [9 @: \  p7 r3 V& ^0 r
    % a( i5 I, f. ^, Y9 ]" y! X! n+ 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。0 R! d$ X! T3 Q

    # S; K  {, H, W& m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?' R  a, ^& [! z5 ]+ ~
    . g+ s7 k4 w5 _: y% ?$ 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。0 N6 w9 {/ u0 k* s) i1 D
    ) }+ C0 x: I  W0 \6 w9 I% Q
    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!
    * L8 H0 t0 H6 z8 k8 M
    - w. L% Z0 x, m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。! I/ u) W6 L- H- P* D* g

    , z* G- @& E/ \4 j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。* p; n2 }  u/ u" @! }- f5 G  ]

    6 v: B7 J) `6 n! S" |& B3 z说些个大家可能百度不到的。
    6 ^* U; l/ _9 q# W  c/ o
    / c) X6 R8 k9 P" H4 Y+ G===前方高能===
    0 R# X5 u, g0 I9 ^. |' o; u0 k) s$ G) U; M/ z6 i! [
    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。( e" ]2 x( J4 l
    4 a: J" Q" j9 _
    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。5 z+ G5 q6 n" x" [2 ?$ W

    - K" ?9 x" Y6 R: R; [5 @* ?3 E# w5 W0 l7 i: ]2 o
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    ! G2 d* v, w! Q; }# ]. B& L3 d+ d- c  @
    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!  @9 k2 J) `1 \9 ^/ ?7 U8 h
    * w- b! j) ]5 x  e# g
    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。: A0 }2 J, T$ q* Y) L
    : _! H( w/ ]: d: n5 K
    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。: Y& |* H' u+ I9 {+ ^
    9 n2 k- L9 t$ E  j
    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。
    / A5 G3 J( U2 V/ o+ t
    ' ~; G. c) i( C0 q% k4 p. d1986年,十的负十四次方。& g) j9 v& V$ \  |  f+ c0 _
    - K2 M8 V4 j7 f% F- ]
    2003年,十的负十五次方。) U, J" k5 |) n7 Z( M, c7 u+ K

    5 ^' Y1 h- D; S6 ~! H$ Y: G2017年,十的负十六次方。  c, U- ~5 D4 e& N9 W
      x2 T3 j9 ]' X. 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。
    % w" u1 [+ J/ P2 k( l- e# l7 {9 D/ u# b
    。。。
    $ N5 r$ M( |# ?5 Y& b' F0 ~& G  j1 f
    0 C" f8 e2 J( l8 f
    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。
    & i; I: t$ y: K# r
    * [7 ~5 K& `$ H  f/ w* J% T6 t0 K8 r7 R! W1 Y) C. i4 l

    2 w0 i) t, _9 ?" x- M# a! M

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  • TA的每日心情
    开心
    昨天 00:07
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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。! R/ N. Q& a2 O% C
    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
    郁闷
    前天 13:38
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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
    2025-9-27 11:31
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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% o! a1 D4 E; S

    ; L# X% m! L: b0 a群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);) x. c; K& d0 T$ g( ~% S
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。+ R' T; y+ V" P6 f4 p' l
    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
    4 小时前
  • 签到天数: 3594 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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    [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- P  q( B* X. A
    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
    & i& [5 F* {4 W9 l
    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 p" l! P5 Q( ~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 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
    4 h& R( c$ o* a0 o. 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。
    2 s4 h" `8 J; u3 m/ _* r! H  c+ U他 ...
    5 v" ]9 a, w. }! Y- D5 w
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好  ^5 c: O9 j4 m9 l+ d& d
    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 13:35
    0 C. x8 ]- c1 [, ~短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好& V+ w( f: W9 B, l: @/ _
    5071A好像这两年不好买了

    , h+ i0 T" o+ V4 y! [* @这个短稳长稳有出处嘛?: V; U# L; N/ h: 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一半~~
      x: H  k* G7 I7 G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
    * `" r. M- x* x这个短稳长稳有出处嘛?
    ' \5 F" l, e. [- Z7 K/ o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 ...
    3 ~. L6 k9 m9 P2 n. B+ v

    # ?3 s: V' X7 ^1 ^0 [4 C
    ) u9 F9 ?! a  C% O0 h# [4 w+ d2 ]0 K没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图% v( ]5 Y7 }  t; t# _
    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
    2 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
    ; |* b& m. M) g$ ]' T2 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。8 r/ {1 b; X/ D1 S) g7 A9 |
    他 ...
    2 }& f% R  w5 W/ d5 t
    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
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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 12:48
    6 R3 ~8 b' ?9 \9 c3 {没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图$ a# M* T- B: L7 i9 w3 r
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    ! G2 ~7 n: @( r' T# Q
    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。
    ; `3 @, ^8 P' M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。
    * a% V+ D. _/ g: u- f6 _

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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# E' y6 j; s% D5 f
    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。& I. M2 X; |2 Z7 f& ]1 [
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    1 h$ j; |2 \+ ]+ i* x; m% g
    可能高端的铯钟做的更好一些吧3 n6 r9 d; k  {1 a% Z2 r; l% Q; c0 C
    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# O1 ?1 `9 n' U1 g3 J
    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
    8 s1 `$ B* {( _安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    # I0 t1 R( ~- O7 P! k; [. f0 Y
    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
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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
    6 y- U/ |: A: H5 {2 i) d可能高端的铯钟做的更好一些吧
    ) \4 F7 e8 f3 P, I' h8 [; b0 F! z% o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- i' a5 F, ~  y) T3 V+ r6 V
    时间基准据说 ...
    # a7 `. m/ y. U
    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- Z3 y6 v2 h, ]3 T
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    - {& a& f- S; M7 W: f; e, O1 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
    1 q3 h% g' f7 R, Q/ ?! N
    # Z3 S3 |9 N9 g: y9 R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
    9 n4 c- L" W, x4 O0 _5 v; 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 ...
    2 h! a: i* j5 z$ r: K3 h* d  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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