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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 + L2 X3 H& w# E3 C; Y

    5 ^- `9 ?+ H9 t9 d) B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。
    , _, h( ~! A: m$ v4 E$ S3 ?
    8 m/ r9 \% v" L* M  ~6 V& D) E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。
    6 o6 K, k, q3 R9 n5 J) A
    ' _4 ^9 q0 S' @+ T2 c$ h个头、模样大致如此,二十六公斤。- p* z( ]' z: a' B
    % m' {- k; Q1 n- k; e
    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。
    + a; R3 r: U1 ~5 X/ _, _6 B: S. H% }! G8 ^# F+ Y
    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 R/ {8 `3 p. B9 ]5 x. Y4 A# T# c
    % k, p6 i3 U& {
    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?
    3 e0 _, t" v4 e5 f, {
    8 T; e- S6 P: H5 K# w6 F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。
    $ ~8 m' {  E/ G- |" s: D
    - o; H3 ?1 Y. x8 L$ v, ]9 [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!
    . F4 Y/ D% q% ?$ O+ P- A/ t# u0 G
    + |6 [! K9 c5 L* t# g" }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。5 T0 P; a" K$ L* }0 F6 k
    0 W: X7 j+ N$ u$ P
    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。
    1 Q& j# u9 f* `6 ?! p$ u7 _% K% @1 u4 Y
    说些个大家可能百度不到的。
    , _5 w1 y' |" [
    7 i+ \- q1 h' O6 G% Y===前方高能===* B& O0 S6 Q6 k+ ?8 u

    8 E2 x' K% ?7 m* `3 j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。
    5 i- g1 W+ `( g- [
    / [0 r: J( g5 P/ r3 O0 u% j) p. N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。3 m! \* w, m7 }

    8 o* Q5 O1 R9 F+ f7 ]" C3 y4 m. N( U
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    8 |# f  s& g) \1 _, O
    7 g: z) }$ A; S# Z, {9 p* `4 y1964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!7 _: A- w2 u. j* {: f( A
    3 y5 b8 c0 F, }' Y! T
    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。) v& W1 C" [! d: M4 S
    ( h' n) o# q) e1 V, p! i
    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 ^0 R- m0 D# x
    ; ^( I  E7 [$ r1981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。
    / {# o+ K% w. W2 T, }/ Y6 c& v* W. k& ]7 j
    1986年,十的负十四次方。
    8 b- g' s% I6 c. h+ \3 @. `  [% R: z8 J- X. I
    2003年,十的负十五次方。; l' D, y6 n9 W- ?4 W1 M

    # B- N  D% {6 x! t7 W2017年,十的负十六次方。, W/ i, z  E, L8 h

    $ {* C' _2 P$ O0 d) ?. 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。
    ( d: w6 F) m" e% u/ f0 A
    : ^" H; H1 g! c" v6 T/ Z, K。。。. I$ |; K3 z3 A0 C5 b
    7 n1 w1 v; q8 ?

      _. b( v# M; T( o& j; J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。/ O1 W  J! T" z& T

    & P3 e" J  O; L/ p+ B# \" @* P' u' H; o" t3 K; ]; H
    + `& J! t& [$ v; n3 Q" N) y

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  • TA的每日心情
    开心
    7 小时前
  • 签到天数: 3111 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。$ ]4 I; m+ B$ j0 ?( q% I
    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
    昨天 09:42
  • 签到天数: 3033 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
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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
    4 天前
  • 签到天数: 626 天

    [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. ?- s7 E2 j6 m% ]4 k0 |* N3 g
    ! f, e! d1 @) l% k& g8 ~
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    ( x4 i7 i; c3 U- P7 x看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。: j) c/ P- c7 p5 @
    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
    7 小时前
  • 签到天数: 3567 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" _3 ~1 x/ Z$ U2 r. k, M
    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
    6 }' y  H. d7 \( H4 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。, @; f$ `' y6 Z: H8 y6 e5 P' D# g; C
    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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  • TA的每日心情
    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+ K, A* h  X2 R
    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。' S9 e8 r+ P! o* p
    他 ...
    ) B. S$ V7 i4 {
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好4 S% {( }# ~: E) s, L
    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
  • 签到天数: 3111 天

    [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
    . x. U2 l' E9 T) _短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    3 r- T3 \7 Z3 }* y5071A好像这两年不好买了

    3 O3 ?. B# o& K9 v. T7 ~5 Y. t4 f这个短稳长稳有出处嘛?" z+ x# j+ ^3 G3 M% 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一半~~6 t  y# e% c! Y9 j: R' l  j; n; U6 M  g: w
    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
    - e% g5 c+ e( f2 M2 q) v3 S/ h这个短稳长稳有出处嘛?
    6 M  a/ A* C  E  E) b3 t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 ...
    # H0 b4 t+ W; G6 F- t3 V# H

    8 Z5 ]( `) ]2 l; J8 ~' v/ `% ?! J' u7 r3 d) r
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图0 ^9 F7 f0 z& }0 |2 P& H
    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
    8 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/ U/ D! ?  ?+ A! m2 C
    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 B# @! f1 J8 C- X" f他 ...

    ' ^  _" o" c3 y- a; y  g" H( G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
    . C0 k- l+ z6 E3 s. ]没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图# S4 q; A5 U. T
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    # T9 f( H( @# m+ L, B# g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。* U, j- E; B  W8 i/ d8 C
    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。
    9 h/ |$ ]- Z# v* w7 F3 A5 F" X' n

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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
    ' a  }1 j1 Y7 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。  g& k2 m, c8 q5 S; R2 b
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    : }8 W, i8 _9 D* H
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    9 P7 H1 T' l2 |! ~4 L: R! U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 c. w) V1 }+ m5 q
    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 03:015 }: r+ W0 r3 i% f% w
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    * \7 i2 [7 k4 O% `6 k+ c% M! s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 11:333 z0 l% |  O/ x
    可能高端的铯钟做的更好一些吧9 V6 |8 Y- w+ Q5 Y; p
    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7 N; R" s2 t  E) ~" C4 T* ~
    时间基准据说 ...
    # M8 ~; q" W, F9 d) }
    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/ o5 M/ }& x, m% c
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    / i& j% w& f$ f4 {
    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
    # G, N) N0 Q# G5 U. a6 }+ `3 l1 m- j. G( F5 J, v4 s, 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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    [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# j" e8 f) I, c' r% w3 d  n  F
    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 ...

    1 A: K/ U1 O" ]' q- M4 l0 \( [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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