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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
    % f9 I4 E- b" p5 b8 L2 r: H
    - ]" j8 |1 q8 M7 |5 G# N0 B2 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。
    ! F. c, G* M$ ?4 _& q  w# R7 U% O) e1 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。
    " V7 s& D1 J; ?+ i- ]4 t7 _# c9 v3 K& H: i4 V
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    + v$ T2 {4 v: k; L# n! Z
    * w& o  P- O' m: g& {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。1 v; _! J( D3 w8 Y! r6 l; u6 W- T
    1 r" c& `% C  E& s
    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。
    + Q  c/ y* |' I  d8 `
    9 C$ k" C# o+ V; V$ ^7 N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?* O5 |) t6 i) ^; p

    8 [" W$ J( {8 y! I4 t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 V3 j7 }% e% p1 z0 Z

      f  i' r2 F, s% ~, _7 K- [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!
    / e$ N, f) s% |( m9 p+ O9 P, G. r3 ~2 d& }
    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。* P- D" B0 g  M% Z
    / ?: D% s+ \2 z: E' s! V
    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。
    4 u. S; C* R# X% G: J5 W- W3 t# O; U  y0 O
    说些个大家可能百度不到的。
    $ [1 T! b2 ^6 d; r; u8 ~; B8 Y9 [% e1 z7 w! Y; v+ h9 w* k( b" F3 O. {
    ===前方高能===) \2 R% V- W9 Z5 h$ x

    + c! V$ S& W7 E( s) W8 a; c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。, e4 B$ x5 x0 r+ M2 g
    7 E1 U4 e1 f* t& h! 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。
    . ]+ n8 D$ E1 Y$ n  m! L
    + @# D$ n$ G# I! a. Z% |/ n- s
    , P, x) X) y; H$ ~" Q4 |& `惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    7 j8 `* z4 L# H8 ~: M+ G1 e  _* I' x; r! C/ ]" G8 Q  f! X$ R
    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!2 Y, a3 g" J5 x+ m  a) c! f# O% W, U

    4 G$ @$ Q# C% m' l$ a: ~! I5 s0 C! |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。
    + [( S9 j* `1 u$ R3 O. n0 h2 N) i
      |- ?. }. n% @5 s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。
    2 p2 Z0 V0 l2 a1 k+ S6 N) `9 E6 z  y- @" m( g
    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。
    : u! |/ f$ P# s/ ^
    4 C! w* h; B+ h/ p% G5 T9 L1986年,十的负十四次方。- r/ w' ~/ P) p- ~) @; @

    8 H8 O/ d* S  z- v2003年,十的负十五次方。! R" o3 ?6 k9 X  i! F5 N: @- U1 Y
    ( k( @0 l0 q$ l% w* A/ @6 J9 \6 J
    2017年,十的负十六次方。
    ) ^  @: E7 d# ^
    : F: I# [& M  u, Z+ y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 p2 K* M& P9 s) R# k) f5 Z3 ]/ S6 ~, p) G/ q! N: \
    。。。, D3 g" D4 G% O! _6 l. m  V

    / g0 }4 y" b5 O0 |0 g* a# P- T, I5 t7 X/ w; ^( ]: X
    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。9 Y" X( ?. x* H* E

    2 y. K! t" \+ v( @4 \) M% J# e% z( ~
    7 D) R9 v* b, q* ~
    5 j* C3 Y7 C+ A7 }6 u

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  • TA的每日心情
    开心
    11 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。
    ! F3 }' z* q/ _) Z9 t: u; c8 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
    开心
    昨天 10:43
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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
    2025-7-12 09:31
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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
    . |* h+ W! B0 a$ W" ~( R  ^0 M& ?4 r  Y5 i0 `
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);3 t2 i: [( [5 z( z$ s1 J$ X% K
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。; D. g! h% `7 f: M( \8 e
    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
    13 小时前
  • 签到天数: 3520 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
    11 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& v" R1 {" }3 v5 D$ s# Y9 n
    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

    ; [& V1 F0 o. O2 H& T( T; a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。# @) M. I4 ]& H3 s0 Y: w* Q
    他家的铯钟在基站上很常见。

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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 22:56
    ) p2 g. Q; l( d2 F" s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。
    5 y  f/ J1 |. A  _  n2 m. H他 ...
    . {% l% [$ [" J% v% b
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    . ?  R8 W) X/ ~5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    11 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
    1 C# c1 i/ P$ r2 E短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好+ p6 Q' o# E3 y" a
    5071A好像这两年不好买了
    $ o8 A" ~/ A" T% D( [
    这个短稳长稳有出处嘛?/ d, O4 n3 F. d' A6 d
    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~~; p6 e6 n6 c6 k: }( P$ c
    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 22:564 Q/ m  Z8 x+ I1 O
    这个短稳长稳有出处嘛?
    ' `: \( w  O6 ~  T, B% 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 ...

    + v5 Q8 E- z* v" k8 f! S6 q. J6 k7 m1 w/ S5 p

    8 z1 h7 k. B( M6 q, ?1 J8 J没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    ; M& y  s/ ?+ Z; P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
    13 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
    9 h7 l* B3 p- Q1 }: {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。5 Z; Y) C9 j+ d6 @; F, Z! @' j
    他 ...
    9 O& G) e. B! `4 A
    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
    11 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" T# @5 ?  e5 }: [5 y7 W
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图7 L* A  V' _: S% A
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    . y& J. U% f/ N6 G! C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 p4 z$ ^9 B: U6 Q& 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。
    * B9 v! V, W5 O, w

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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
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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
    6 d9 O( B; L3 ]4 ]  z/ w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。
    % }2 x3 U$ W9 m& h冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    $ `2 q5 k' _& k7 M5 K5 A
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    # U6 O3 B. c8 p& E: _, g( e, @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
    6 `( h0 a: X# F2 R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
    4 s/ g/ d' U+ w  K- a0 J安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    ; ^, }6 r. o$ q9 P" b- G
    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  j# G8 a: |, U4 S% z
    可能高端的铯钟做的更好一些吧( x' `! q* G2 {+ M, 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  R+ N2 B6 [  B/ ?2 W5 v6 Q: @
    时间基准据说 ...
    7 V' j- i' {1 N7 C+ g% e9 Z
    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% F) ~8 B" ^# G% V( r
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    8 g! r8 P7 G$ r, |5 \
    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
    # }/ q! X* |0 H  Q6 A( U
    " o9 T$ K+ N5 a4 g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/ Y' m# f% h8 y/ W% R8 k6 ~
    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 ...
    % u; B8 N$ A) e6 U8 L
    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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