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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 9 d/ y+ w& e) Y8 Z% O

    $ E# q7 \9 H( [1 S0 `- q  y9 m& X: ?9 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。7 |2 h* t- g& C+ U/ u; r, x7 J
    : z* T/ v6 U, F4 e, _9 I' G
    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。! ~: |4 {# [& f9 P" M! a

    4 R! o0 W9 \. X# O; N个头、模样大致如此,二十六公斤。
    - f8 R, `  }) K5 {% O$ \7 K
    : Y8 K& @7 g( F! [* x9 j: f  e5 V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 S2 i! o: t/ F. o9 U
    " g' C2 e8 i( L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。
      v/ Z: M$ w0 `2 B1 P, u- |* v' y, C3 _
    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?2 x) j, B$ {. C: Q7 Z0 h

    $ v2 p# |- _0 |# u9 v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 I; ~: J# f6 H( g- Z
    # X. g; |. u5 L6 X. X1 ~3 \' C3 o
    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!8 \" u4 L' o) ?

    ' c! U$ W% M8 {* J$ t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。
    2 `2 x/ b2 i  ?# ^- \8 C
    ( y9 L/ F4 W/ u5 e& \7 C0 d% ]0 w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。
    ! H5 Z; G0 [7 g5 ~0 O1 t
    9 Z8 F) g3 [% y, v说些个大家可能百度不到的。( h: R# Y* ^/ _" w
    4 N* R  @  l1 l4 V( [
    ===前方高能===- S) i" D8 y* h# ^

    ! J3 J2 \% Y5 o0 T: A6 S2 p1 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。2 b: h* J( }, Z. L7 {
    , c, n( x1 j' l+ ]# ^1 o# t
    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。
    ; G5 C: O3 f+ I
    3 T, n) [2 T- I8 _* N$ i4 G* H, y6 n8 i4 X
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    4 v% t3 x( _" ?" H6 x* o: H1 S* U8 m* S% f" E+ ]' b7 O
    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!
    % s/ P& t) Y: R+ @( J2 X$ L% N3 U. n2 m) R4 {+ u4 i2 n" e- o
    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。
    ' r- B4 L. Z2 n- K" x8 z
    6 J1 U. H' j( E) @- n5 Y( y# U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。$ Z3 |/ w! d/ q  n/ {5 a
    2 Y7 y6 {% V) X( z$ o
    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。
    & g0 s( [! z; Q/ o( T/ _7 X" x9 y4 d
    1986年,十的负十四次方。3 k4 _  M8 t' q9 j
    - I' Z1 {1 q8 ?  g
    2003年,十的负十五次方。. y% k4 \' n. @
    . B2 O5 v- I% X8 }
    2017年,十的负十六次方。, d1 P( N8 e6 P  X# x8 d8 k  o
    , g8 Z' e: L$ h& E% A/ H; f, v: ~
    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 b4 ]8 f# V2 \+ c
    % s$ n& A$ G/ m% [。。。
    5 P: F; l3 V0 i( z  O% ~) N# q
    / T' d- B6 x; Q- l) [
    1 M( t" K5 G) z5 g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。
    1 b0 m( D' M! L; i' F/ E* `7 I# [' b; O- `2 g6 C7 Y( p# Y( Y( t

    ' {, x, {  x; C  H; n1 G. j+ a
    / `3 f4 s7 P* C/ a' Z

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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。6 R( a, ?- a# y# V- \5 k
    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
    郁闷
    前天 13:38
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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
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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
    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 0 ]  s2 X' b9 L1 K! I! b
    6 h1 ]( V5 A3 Q( |7 @5 H' }) w% j
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    9 S, M* I) z' n9 v8 n" I看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。& K2 }8 x$ Y# J1 `
    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
    4 小时前
  • 签到天数: 3594 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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    [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. W) R' R7 M% N2 H" Q1 u' X' y
    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
    2 ?3 C( K; w7 D$ j/ ^
    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。
    ' G1 c: K' N, P% k/ R4 _" s, e他家的铯钟在基站上很常见。

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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+ S* r/ m" e$ i( 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 g& m" \; N6 ?2 Y* _7 O
    他 ...
    3 j" s8 H5 Z- B$ G/ |. [1 e8 I
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好. N) g. t' f8 [
    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 13:352 j- i& q* m4 f0 @1 ~3 r
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    ' Z  ^6 a' D; p/ }6 D5071A好像这两年不好买了
    2 {1 V+ B1 k$ t( P6 Z
    这个短稳长稳有出处嘛?4 t1 d% ^1 v  H# ~7 M& f7 y
    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 T0 `5 }- i/ j# l$ ]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
    / R; m# c* g/ }2 ^% c( h这个短稳长稳有出处嘛?
    6 l/ \, B# M  a1 w9 n5 B/ 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 ...

    & {! r. _- S" K8 Y# _' M
    ; n3 [3 t# N6 L( z1 a1 Q
    5 P1 D9 A+ X/ i. k% v( m0 n没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    , `; s. O# b7 H& E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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    2 小时前
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    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# M2 H" X( a" |: 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。$ n( w1 S, H  o# L5 m  o4 e
    他 ...

    / \, F  I. Z. H3 K, L* G7 [3 z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: t+ c( i/ m1 `9 K  w. x; n
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图) c3 ^0 ^. Z% L0 K
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    7 |, r% `9 U/ _4 }9 H( q
    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。) W/ k3 v+ a1 M6 n
    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。
    4 ~4 b- z5 ]. l9 T

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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+ x! ?" k! r6 {( a& 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。0 E, i0 d! @! H3 U2 x* N: D, M6 u
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    % B4 a% A. T& l
    可能高端的铯钟做的更好一些吧* `7 m5 I, G5 u0 \5 W) {2 g
    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& y. B6 U* D4 }# B
    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: Y: {" _0 L; b/ N( y6 m% |, q
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    5 C$ a8 c, a" }, R- f8 ~' D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* [0 m) E/ F, x1 i
    可能高端的铯钟做的更好一些吧4 t( a, e1 Q, M# K8 i! E5 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* J& [  s7 K& X: b0 B
    时间基准据说 ...
    - H0 o2 x0 {/ I6 |
    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
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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
    ' R+ ?: n# y& r4 B+ o请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    ) d% X, p! N& Y* t% Y0 t, ^/ h5 j
    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6 T; z( W7 i, M

    9 C& _! _: q0 l7 l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
    ' ^2 B8 y# p9 Q1 w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 ...
    % [& K; j0 ^9 D* ^" T
    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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