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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 * E- f8 Z7 E% T6 M$ x8 f9 U# J
    7 p9 S- N2 _$ p; 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。* E- W  v( H& V5 j. l: X' A8 _
    ( ?) Z$ T0 i2 o+ i
    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。
    ' m( `% J3 Y' v" @) W  u3 ]
    , y$ j5 ^  m: V5 S! Q+ j个头、模样大致如此,二十六公斤。
    ; a& C" ^- P% W1 S6 @4 p5 w1 Y/ R
    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。
    7 D! t( h* q) m. x6 g% y& n) F8 }8 y1 w0 U: q( L6 b
    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$ {! h* ^2 H( b9 t- s$ i
    % x/ ~1 |' _: `1 g) Y( r2 O' 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?
    % ]7 Q4 H( C' `6 ?: R3 q* c; H5 ^  Y
    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。
    7 p# r5 Z3 Z# U9 d+ p# s! m( U. W6 ?: t% B' h
    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!
    ! {6 \& ^5 Y7 e; Z  I# @# Q
    $ C% {- k% M1 c7 T3 P  n/ y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。' q- v  e! x0 }  q3 r# K

    % z. q5 {8 I" w  J: \1 C1 l3 k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 P; K" B8 P' o$ L
    8 y+ R/ j6 Y8 `" `5 {说些个大家可能百度不到的。
    8 Y, O3 ]4 u, R2 v. S! \' s+ U+ m. j' l' F5 r2 y
    ===前方高能===
    , X0 O2 C, t9 u$ o4 p
    % j) X- H) T* }1 ^2 t) b# d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。
    1 J- _+ b0 y8 _" \0 |0 W
    " n5 Q+ J4 e) Y' x1 R) X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。: e' m; t6 A3 B2 U  Q( M$ I

    ( c% O' ]  O3 G! {; I
    , Y' p* f5 c4 N% Y( q; N# `7 J惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    6 d( z# u: J5 s4 j2 A, K: e3 u% I" l8 }% B1 Z: I! S+ 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!
      J$ u0 l; v. n0 p% r; G
    , S* D0 u8 R* |) `* d9 b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。: c0 U- g  J5 ~/ y0 R2 [8 ^8 S

    / X# L0 C& ~: i% d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。
    ; r/ `$ D+ p6 I. w  B: n4 Y. x, t& v5 Z8 w; P2 x
    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。
    , j1 M4 P/ ]7 }& `; `0 z1 j  `1 {7 U- z& o
    1986年,十的负十四次方。
    2 ~% w' l' k% U8 ?9 N
      N, |3 e7 z5 j& h9 e2003年,十的负十五次方。0 y; V+ W' C! q8 N& d& [" \
    ; }9 r& \6 E8 a
    2017年,十的负十六次方。
    6 q+ \. e9 o8 f% V4 P6 E- H' n
    + G, c; v5 ^1 Z# F2 v7 z# S2 A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 }4 U3 X9 ?: z! b( {
    . _" K# w2 D8 [1 q/ [。。。
    6 o/ J; k" t8 \+ G6 v* ]9 C* v
    : d  ?$ Q2 z$ y/ t1 x  U3 X! ]0 R% w) ]
    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。: n  a* E0 W! D1 v7 [( M7 Q, e

    $ g0 P5 q  ~# E! A) Q( s7 h  }3 ?, }$ |1 Z
    7 a! _# ]/ l% G8 O0 ^7 U% V

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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。
    5 X& @/ L' W  S1 a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

    半小时前
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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
    & s& U1 p- x/ t) s% s
    + ~( H: b, B" p; {' r& m群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);/ h7 r( A0 K) g% _
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。8 S; f. M6 E  V9 S) y! r8 x
    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
    6 小时前
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    [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
    - V( b* w; j& a: F, `- 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

    # q1 I& k& w# C4 ]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。) [$ u0 Q, n5 E8 J! ?
    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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    [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/ Z$ P2 K$ f, \8 g
    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) [$ H( f" F! ]2 i: f
    他 ...

    / E2 ^( ]! X' i6 v$ A* T9 s0 n短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    7 z  H9 {4 Q/ T* Q. Q. H5071A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$ O* m, S- K# A
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    / c8 A+ ?0 M. C" B7 \$ e1 v5071A好像这两年不好买了
    # R& q3 H7 l; T' {; i) _
    这个短稳长稳有出处嘛?
    " @* Z! d# B- Z# g' Z$ i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) Q8 l$ F8 `3 o9 f# 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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    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
    - j1 c5 t$ Y* G9 ]6 I  O这个短稳长稳有出处嘛?
    8 Z& H- A4 M, |1 c% x3 ]1 W& w2 ?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/ R" w# t( r3 A8 J6 d2 O2 e# }& J2 T! E9 X6 V5 y$ m. ~! X* H
    ' ?6 @. U0 O  P3 o5 L
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图) r: \! a1 P: M1 y& \
    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
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      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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    4 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
    - l; T- g3 a0 c* H6 d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 \8 ?0 `. n! W
    他 ...
    / b- s, e4 C! u( L) J5 a% b8 L' j
    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
    - i# @8 e7 O5 u' g! C% X+ p没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    * @2 M7 D: A, W4 ^- {1 A- M( X这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    ( t' U% U' V1 }, o, ]+ R" S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。
    9 e/ l( c: ~$ s% R6 _) M" n& `0 X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。
    1 ?: B  [$ s1 t; N1 Z$ [9 x5 M

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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 03:355 H' ~4 c+ Y/ Y' t9 {
    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。) N# w. M: E/ s/ M5 V7 d' b. L
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    " D7 T4 u. v5 E2 A8 {( s
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    8 ^( e6 X: ]. N! `0 O, h4 Y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 n8 |# e. |" {' ?6 f+ M) L时间基准据说用的是铯钟,利用其长稳
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    开心
    2019-12-31 23:10
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    [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
    % o$ Q" Y8 D2 U$ M2 x安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    ; k: A, \! K* Q2 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
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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 11:333 Q  k6 |% v1 O6 Q4 G, d4 B
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    3 Z3 t  ~, t9 {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
    ; F, K& z2 {* H- [6 H7 t1 c' @# e时间基准据说 ...

    ! ^% g8 L: E1 y5 t1 W0 T$ b" |  l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
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    [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' d$ V8 D% V) k
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    # k& V" I/ F" Z: w' Y7 ?$ u( a8 [$ u0 d
    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
    + v" L2 t. u+ J* z3 ]0 q2 b; W
    3 |6 \1 N0 U- v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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    开心
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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
    ' W( `$ K& X# |) a( }/ P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 ...

    % z) N8 O( x2 @4 ]3 W( _% W7 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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