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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% A  ~* _& \2 \

    ! R; W; p3 ?& V- _, j4 k% r* X% y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。1 `+ I) s0 c% F- n8 V. q
    4 E: M9 W$ k# F2 ]6 ?. Y$ e7 x
    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。! w( h! r+ e. [6 O/ }
    * k) L5 H: T0 n- ]5 B# _* O) G
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    - M  {! M1 j! h/ U' _* n( Q1 d6 f
    , q- x$ |, R! B& m, e% g' U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。
    5 X9 n# I' `( g1 R* W
    5 h( m7 |  ?. I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。
    ( S% \3 p  G0 a( _# H2 f3 {2 z# c7 Z
      S) z: N! ]. I9 F. B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?* W) R/ |( s0 x+ a

    ; K: {3 B! m" z' F8 E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 p0 C  c0 O; d: g0 p, I
    ; D0 f" B6 ~1 Z+ z
    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!7 j8 p+ m9 X- e" }  I" f

    + \" v4 o& J" M8 E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。
    * l4 u6 @, L/ M( c) f0 c6 C2 C& ?1 j6 X
    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 k4 n8 ]% \1 F$ R5 r. I) o3 q
    , u, z- d. M, l' N/ o说些个大家可能百度不到的。
    ; T$ `( h1 Q6 F9 u1 s' F; E5 ^0 W/ V9 v+ s. f+ S! I/ W
    ===前方高能===
    ( [9 w% L( h/ p2 [7 W  G0 U. }. ]
    : G1 G" @7 V7 h1 V) S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。
    & D3 a- f. E5 \( M" F2 H
    # d5 l; z2 y6 d  `8 ?8 Z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。  b) b: S. _) L8 m6 E; {

    $ |* r1 G' n4 [
    ' J' A* g* W8 I% U3 e/ s4 d惠普当年的铯钟,吊打全世界。
      }. r( [+ V7 ]. K
    4 Q0 ]" |5 _2 r: g9 ^; O2 v+ w2 R1964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!
    " Y* Z5 H+ d# {) {4 }5 o
    5 F; W0 L% z: d& n* }8 Z# h5 `# X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。
    ' S' Q; G! Z+ c% d% N9 D! [; c
    ) ?$ b3 U( o! D9 O8 L" M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。
    ) A/ r* h. h; l6 e; s9 A% F3 n0 r5 @+ a% C# p' X# e3 ~
    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。
    5 T) a& W  O5 W: B. d9 [+ A
    : f' O  F$ d! A* x$ q1986年,十的负十四次方。
    ! B% e) R0 n  g8 \% y/ S9 c* s1 p7 A
    2003年,十的负十五次方。
    - s. O& I# `1 y9 a/ N9 i0 s$ A/ D  j8 C5 h
    2017年,十的负十六次方。
    / R# O, ]. ]/ d. C' E. p0 S, z/ e# W7 J. `: n, ^6 U) j8 A0 ?
    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。
    ' R) h$ G+ C" u% O8 `* i1 B
    ! o* S" q% b' D。。。1 ]$ x; e7 g3 q' _
    : ^# C, ^6 C6 g# z' N
    " @8 D. {5 q" J( J0 S# 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。
    + ~" ^9 C: {, i+ x9 X
    % Y7 m/ w; T! r" X" z" I% m  y. a& y( I  @1 a
    . @! b' T3 _: R. p7 v3 b! A

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  • TA的每日心情
    开心
    7 小时前
  • 签到天数: 2921 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。" u% s  [, s+ j. T5 i7 ^. W+ L4 g
    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
    6 小时前
  • 签到天数: 2845 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

    2021-2-24 23:26
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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
    2025-2-13 09:56
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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 - o! x: q( ?9 r2 n3 W* G$ O: S

    8 H8 u. s" G; l群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);$ O, D3 Q/ W3 L) a
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    / }- w' s& o2 F. g1 s3 o, j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
    11 小时前
  • 签到天数: 3375 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 18:455 s2 l" ~! W4 _) C- d
    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
    % L8 O2 \  D4 ?
    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。4 m8 t# d/ w4 L$ ?0 @  K# A/ j& e: ~! `
    他家的铯钟在基站上很常见。

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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 22:560 [2 n/ h0 w( l0 G- G2 p5 L5 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。
    4 Q! |; J2 c5 x  M1 [( W他 ...

    . x: V- b6 S3 D7 u短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好- @% b+ I" F/ t) u0 H! Q+ ^8 ?
    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
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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
    6 t7 N( E9 y% g* R% O/ X* Y短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    + ?5 ]0 @7 t/ Q% y$ n$ N5071A好像这两年不好买了

    6 K# \) l: z; K7 G/ r& P$ x这个短稳长稳有出处嘛?
    - O0 }8 [0 ?4 u9 E2 h4 a6 f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~~9 p3 O* G3 u, L5 X( k4 A- }0 P- I
    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( N; ?6 J. v6 j7 _
    这个短稳长稳有出处嘛?0 N+ h3 p5 O9 }6 q- D7 f7 O) W4 H
    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 ...
    , B0 R# ^$ {9 m& U- M

    1 o& O" p- F( k* _4 X( a& a2 O2 H0 b- x# C+ R6 n1 i8 `
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    2 ^/ A' G! z# E0 k# a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
    12 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# B6 R+ ]) P- I" n1 o% e
    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。
    ) }0 _( R' g9 t2 T" @他 ...
    ) J* p. Z" I0 \: A- m* E8 A9 O! f
    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$ }1 @( h: j; _9 h& f4 E
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图+ @2 W# U5 z, D' U. w
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    ' M/ p( {. Z* A  h7 q; v
    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。
      E" u5 w8 S& k- _4 n$ z& t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% h. b5 Y5 v: |2 Y

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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
    4 a' x( f5 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。
    : d2 \1 ~# I) T# U冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    . P% R( l/ G8 ?9 X5 j" m1 m可能高端的铯钟做的更好一些吧
    . b, Q& V% f8 b  i2 a, n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
    9 I+ J( f& t% S+ a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
    9 B9 y8 u- i. y' _5 x. D5 s+ x- C安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    " V6 `5 _9 {5 v# w, G2 E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
    % ~: H0 a- b$ o& M可能高端的铯钟做的更好一些吧
    9 V: K6 M5 [* F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
    0 J2 g9 y' e. m! \8 }时间基准据说 ...
    * k( V  s+ |1 N/ T! p$ V; v/ 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
  • 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 00:565 h( M$ {: m4 t  [
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    4 B4 R5 m$ m/ P! p, i8 J3 [, O' ]
    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* H" B" x7 d* ]5 G4 h
    2 U, P9 X6 Z2 j1 P& S
    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
    4 L& ?; @- r; d# |$ ]% R8 f4 z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 ...
      y1 y! v$ z3 C
    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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