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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% F+ y! J* s0 z
    5 T) x' [" K9 v; r/ m+ l
    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。$ C2 q% V& Q) J

    ( y! K  F) ~! ]* L( m) z! W0 B& 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。
    * t2 Q! o6 f. `$ A" @) h
    4 |% l. C: i" L' s$ ]( l个头、模样大致如此,二十六公斤。
    . C: M0 L6 C" k7 V: ]7 r& `
    5 M) \( j7 n5 ?# g: Q1 F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。
    & h& a% ~7 G8 n4 P* B
    1 q5 l' w" U$ x& ^- G' B- k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。2 L* {0 f: m' d8 x' }; K" H$ ^
    ( Y5 x$ J- Z/ U6 ^8 _1 e8 V$ ?
    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?- n/ [: k8 V) Y% M- a; f

    , k; K$ a0 @5 S  S, ~+ _% k; `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。
    6 y& X% x5 }! L- F
    0 a$ M) c# P5 B! p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 B. d' X; j4 i8 J9 H
      |; m/ i1 C3 a) B' T5 L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。
    ( Z& S4 v7 T, o( ]9 M; y6 C
    # q8 d. l  O, x+ A: s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。
    # r  B" I  Z0 L0 F
    2 a: p% {% O% i8 k3 d说些个大家可能百度不到的。
    # n. @6 T( N# O; H% r; R* N
    * [  N& Y# B0 H/ K3 f===前方高能===
    - O9 j3 D' }  U0 Y( E# {! A4 d9 Q) l+ `% U* g' d9 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。& G7 p7 S) y) q0 t
    " t/ e8 ]$ s; r0 P% y/ O3 \/ x& m
    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。
    8 x, ^- C4 H" P3 _1 X" r
    8 s9 P4 W  D# v1 e. H* A$ Y) ]8 T) f  ~2 f: ]# `( I
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。8 k4 `; l+ L! x3 _' X# \9 U
    % }7 o' z( K" Y/ z" k/ [
    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!
    8 a8 \2 R* [7 A1 i
    ; E0 b( ~5 Y" y2 {  \/ @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。# k; f7 V1 K) r! y2 p2 v+ U. T

      X. q& o4 Z. }7 E, w* \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。! ?( J# n$ G. v& c$ C

    - T! l% U. |( D+ N3 [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。, k1 d5 M3 A# n: B6 {

    % P1 w8 o5 E# `6 S# e/ P1986年,十的负十四次方。# ^1 j* a7 C$ ^9 j5 b& ]  z0 P" f

    7 M: I3 i4 D- ~- @) S5 {5 D2003年,十的负十五次方。
    $ i1 z- n9 C7 N# @% N9 g, k& b) N$ W# g
    2017年,十的负十六次方。) \  E1 C) Q$ ^4 l1 J+ P

    2 w4 U) _: ]+ u7 g( w) c4 y0 ^; t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。( g( S8 J' Z, p: d- I# g- l
    7 z$ G, C" g" r% \! j) ]
    。。。& u6 I- C: K4 K  U6 Q

    " }  b5 F  q5 Q; `- X
    / s/ G- o! z2 T3 Y4 I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。
    ( q  L3 R3 a8 k/ g# P; ?) u4 D. B% Q  V& E- l+ P. y

    % T3 f1 G0 q: d
    1 W' B' E( Q( C

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  • TA的每日心情
    开心
    2 小时前
  • 签到天数: 3098 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。7 O( J# m- N. `! e) f3 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
    15 分钟前
  • 签到天数: 3021 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: 623 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
    ; r" j" E- f, y: F9 i" d9 J* a3 o' L. k1 F8 e0 I
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    9 T3 ]$ c% P$ i2 j看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。0 C4 S) f2 J+ c& u
    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
  • 签到天数: 3555 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
    2 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) J( A( H" P* A0 w; K& b. E- R' N' w( Z
    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

    7 \7 w& Q5 t7 y* B+ Q7 h5 k* x7 s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。% A7 o. e6 K( a1 e- k' i! 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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    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
    7 u: \4 X3 a1 b% g7 s1 F# E0 a! 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。
    9 H3 \1 N  h4 c: Q- @他 ...

    $ r7 G; j- l6 D9 F: Q6 s4 ^短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    & A) h1 y) E1 w- o. N- c: `5071A好像这两年不好买了
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    2 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 13:358 S: |' ?/ |: S
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好$ S6 E1 R/ J! B8 G
    5071A好像这两年不好买了

    ( L1 q+ @; J/ K$ x3 K7 d这个短稳长稳有出处嘛?
    9 r7 U( {4 b+ }) j& D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~~7 X+ a  T& |4 T6 R$ _7 b. p
    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+ n7 B' B  ^4 d7 V3 @
    这个短稳长稳有出处嘛?
    2 k/ p. f" a/ J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 ...
    ( s( _  _- i1 T- p6 i5 L
    % Z* n" ~! Y3 q

    - H2 _2 V/ m% [3 M没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    ( V5 K6 E  I/ b3 J0 d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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  • TA的每日心情
    慵懒
    昨天 00:01
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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# B* X  `3 n# H) c4 A: P) n
    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。* z: O# \0 k, r: z. W$ F' O- G& K( |
    他 ...
    7 n3 r# ~' [! [
    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
    2 小时前
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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 L+ A& z: z' Q  F0 w$ |没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    5 E3 O+ b. j7 A7 x这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    : l0 f' Z# Q0 t  C! H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。* H! `/ p, O9 R6 [1 w+ X) y" g
    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。6 i! x' X6 N; j# T3 l0 p& B

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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
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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 03:357 s0 z! m  Y8 ^- ]3 p6 ^0 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。( C+ f2 h4 ^' v5 |
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    8 A3 ]9 m4 g' L& R1 h# c可能高端的铯钟做的更好一些吧
    0 O9 k+ G* ~! b% y" b; B1 b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
    ) |) O2 [3 X" X+ M$ ?, s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
    ; J/ s8 w* e1 ^# L1 x9 `安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    0 Z% |4 r- p) q, r' Z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 11:339 w6 X4 W7 s5 [# x7 O# T$ I0 k* {
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    9 m/ G) m* q+ u& r9 l0 b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
    , q8 s' f, g2 s时间基准据说 ...
    . s& N3 X2 |* E. Z
    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$ k5 U1 ~8 N9 \3 Y
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    ( n/ ~) _* j6 |7 l/ v, m/ m' Y' g  ]
    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
    ! E& E. a' S( }2 U' [6 |! ]9 V: L% O$ V4 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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  • TA的每日心情
    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. p; ]( ~0 d6 b  k& F9 N! }' A
    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 ...

    & T+ @; d. m6 h; l) E! `0 x/ A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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