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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 ! @% F, i. u+ w( `6 k7 h2 b+ M
    0 t' S7 N; t5 o- F$ ?3 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。- C  v# v2 n& ?/ W- T0 ^

    6 Q; h: ]2 l6 i5 T  [; N* O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。0 T: U, b: ~; P8 X. ?) v
    % Z# d2 V8 S1 k0 E$ O6 _
    个头、模样大致如此,二十六公斤。: [1 Z4 z5 `3 u  ?' g) q9 ?
    ( r2 |- @. S3 z1 O
    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 w, ^% h; |% J! w
    - s6 Y3 r- Y: D1 P8 N
    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。
      a) T" l7 u! Z" W; z9 O# _& b% S: {5 F: ?9 l
    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?
    : X7 D- }* u9 k) ?. ?# M4 n8 u0 d- I/ f$ E" R5 z, V) h3 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。+ H7 P9 o7 |; i+ q2 V4 U

    # H( F, X5 N4 Y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!9 e4 ^1 H& D7 s6 m/ O4 x, F7 T

    # G+ H1 D0 I' u9 d+ Z7 e: z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; |* _/ e4 y+ ^/ D0 c( Y
    * c4 b% N+ Y4 n1 R; D6 y% a4 U% @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。
    6 m, `9 c0 ]& G: r7 H* o
    ( G: S3 o7 p9 H4 ^& ^说些个大家可能百度不到的。6 F8 ^$ V  M6 P, _4 r" K1 _. G
    + r( |9 E5 K, y) T
    ===前方高能===5 ?4 P" }. ?1 H, n0 i( S

    * ]; t! ]8 e0 z. F. w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。
    % F) _- n3 X* M  `
    2 P4 D  v' X  U+ p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  H$ \/ B2 x/ o, m
    0 w0 A1 f+ H+ `0 [* t% K! s4 }* o! R$ s" X8 @
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。! p6 _" i& H  A! M- V6 }
    / p: o7 {& V- l0 [
    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!
    $ H( t8 S9 _% j: T1 G- ]3 \7 a% }  x* w9 E5 l- @5 P, n
    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。
    % s8 i/ N: N: ]
    " J) P5 Q/ `8 j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。1 B& F' a! Q; z0 X  L* f

    + g; N  J, W0 l) I- |$ c1981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。
    , M# n8 Z% U: P  R7 A; O- ]3 r1 d" Y5 t' p/ a* d
    1986年,十的负十四次方。
    ' K' l; ^* C# R" c# R3 G5 d8 B7 r( Q# u: c+ z
    2003年,十的负十五次方。
    4 B( }0 [5 }8 L2 x
    & H( b: S! b! d! b4 L2017年,十的负十六次方。
    8 C! V& B- T( @) [: ]5 C3 a
    ) d$ K- D$ J2 F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。! s( m1 f* c5 ]

    ; M8 \% q# \6 O( p' @; |。。。
      E/ f# I: Z6 w$ @
    4 e$ W& B7 B* g5 f" _3 o& Z$ e, J" S6 I* H, s# q" [
    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。3 y7 f7 d( `! y. U6 X- N! s! a
    ( q7 u) |; m2 y5 o
    ! X# z; N- k! w
    4 M2 r' Z  I  e5 o

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    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。
      x6 B* N& s. u0 x" A% R/ X6 U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
    擦汗
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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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    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
    昨天 10:48
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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 % s% S! b6 d$ C

    , ?! b( T* s! l, p* l. `群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);9 t; m" G0 t- |' T
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。4 s* b; F; B' C) k6 a0 f' |
    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
    半小时前
  • 签到天数: 3778 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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    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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    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:45
    % S& A) k6 d( F+ d6 e0 H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
    ! y* T' e; {/ H
    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。
    . y/ f' L/ r* G+ L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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    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
    " v; U) Q5 k! A- s( F6 K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。- {- `! i' z9 W. V0 P0 q4 B# V: q
    他 ...
    / P- o# [# l& O2 g
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好2 J! h+ L. ?) a5 {1 i" @
    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# v. `( e: e, N" Z
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    0 d! m# ^  b# h- p! I, L+ u5071A好像这两年不好买了
    ) }- G( y2 Y% l/ j* E- D7 E
    这个短稳长稳有出处嘛?
    $ J0 a. h# |+ `  f8 K4 S1 w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~~" O) K# ^! \' S5 ~8 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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    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
    & n7 L6 f- D/ D6 r' g6 t这个短稳长稳有出处嘛?6 q! ]5 q6 L  `$ `" r
    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 ...
    2 t" e! v9 ~% R- }
    " b. Q0 J( j) G3 p. j" V

    9 \6 D0 q- K3 r没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图9 q0 e. M  }0 B4 p" J: D! M$ G
    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
    1 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
    8 l" k! U. g6 f  u" k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。. q  L  G$ B1 J( Z
    他 ...

    # n1 K) o/ D# v" b" c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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    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:48
    3 d4 }. t6 U+ q没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    ! e% [' v& l& B5 R' I这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    & f& _! E. u  W; a# Q% c, P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。
    $ V  y1 H1 i) e' W; o: 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。
    * U  y: ?! K% W( v! j

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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% h- n$ V3 ?( 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。
    * I& U- w) P$ z! V, [2 n& d冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    ) n0 G* G7 ^' I0 c
    可能高端的铯钟做的更好一些吧0 j; D3 @: e1 V! H/ ^
    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  ~: E+ ]$ H" D2 u$ O
    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 03:014 g" U# A6 z% V9 x
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    % [+ e# H, y6 u: h/ A) M
    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
    3 U; L0 ]: {5 z0 f- ?- M% ]1 G% d9 q可能高端的铯钟做的更好一些吧
    ( t2 O1 r( D/ G& \' v  W0 M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( {( |0 M, U. _7 M6 k" t时间基准据说 ...
    6 W/ O. `# d$ s% H( s7 V/ ~) i) q
    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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    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  v! i" ?9 k# L- a- u+ e  G; w
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    , [) [; l  M" F# D3 K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
    * |& w( h0 b' ?) N- T. b) r$ R: B; H+ e
    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
    & U$ q# n8 ?' a9 O' p1 K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 k" N/ w! P2 c1 o% ~! q
    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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