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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
    5 |" s3 K" C( s! [+ f+ L$ l5 y  s  d" a' A8 y) 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。
    : Z0 \; [; \, t- Z, I2 z
    % Z" M  j2 ~; B' o  V3 ]9 a1 a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。
    2 b% `; Q- M3 l) _( t3 K& ?9 ~  ?) {
    个头、模样大致如此,二十六公斤。" B  f) B- r1 o0 K: _7 b

    6 I2 c- T' V- b4 P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。
    * q" `+ r1 ^1 I( ~( Z  N
    . R! m7 V8 F" Q9 L8 k/ R% 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。
    6 L7 q: l& Q3 ?' _0 o6 _0 X, f  p
    : H2 S) J' Y* K& U% M: n' q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?
    . z5 T. R% _- n, \/ y
    % E' {" ]% ?* s- g8 l2 h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。0 a( Q+ B8 G, R5 s
    7 N# x8 P& }. F, n) c
    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!) R( n4 S9 i" f& D/ L( r
    0 F- j/ Q5 b5 R9 j3 Y- B
    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。
    / Y( w, N7 h! O* G$ x8 n, L2 t- r
    , f" }& A; c( d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。
    * G! B- ^! c8 O) C4 i: W- k
    ' Z0 u1 N1 d- \+ G说些个大家可能百度不到的。
    ) c% F: x  o4 T% ~# W# ^9 b$ a; _; |+ k
    ===前方高能===
    & H5 u" W9 z2 h0 J
    % g1 g6 w* `+ A; v/ e) l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。6 _7 Z3 C0 E3 B; F- p

    , h1 i7 Q5 K1 d3 L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。4 w( f# U/ c6 n
    1 V3 q9 p  D6 F! X) P4 z4 A

    ( P) [( u" G; o9 w惠普当年的铯钟,吊打全世界。# X7 A: s7 \& J; U3 O

    ; X: q: v) e2 P  r3 v1964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!  g4 B( M8 P- L2 z! i
    4 u* i7 }3 e& c3 I% h, n' n
    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。. T" P, w0 h( `! l$ O

    $ a* Z3 j' G8 p, B0 P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 i8 x# {# l! R# y

    6 A  s. u+ y3 T1 ~" R8 e1 \4 y$ x1981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。* F% z; v% E  k; n5 y

    3 C, e0 [' F, j9 ^  F1986年,十的负十四次方。2 j, ~0 ?6 Z) L' F

    6 e; e6 y5 u1 M1 p$ ?2003年,十的负十五次方。7 O, g+ \1 k* _( b9 ~2 \) B% E
    " F& ]- ~" ~- H! \/ S
    2017年,十的负十六次方。
    " Z8 W* k0 s1 {/ C
    8 }+ A, O* o, L+ k9 m4 H1 d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。9 \' P  x: n! U) l" X: {  L/ h

    - O! i9 ^7 `; [  a9 U。。。
    8 \; H" r8 F) Q) u7 k
    & ^7 x( ~  q& p8 y. }6 {2 M
    ) A, h, t/ [: t  r  e- A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。  t9 g8 X* v3 d8 v* A' I# r

    - W$ V  _8 ~0 d2 w3 n7 @& i3 Z, s3 I% J, J
    & _) d/ N* _! K$ B

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  • TA的每日心情
    开心
    21 小时前
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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。& [& d* M0 O3 K4 `
    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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  • TA的每日心情

    18 小时前
  • 签到天数: 2970 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
    2025-6-12 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
    7 r' m' I- Q+ K
    ' c0 d8 B$ M* ^2 S% K- o群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);1 _5 [7 ]$ q2 {8 {5 j% s
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    1 a* F, _% l# N/ K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
    23 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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  • TA的每日心情
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    21 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& E! `( N) M5 D8 g! G+ J( Y; r
    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

    % ]  u8 f/ \% 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。4 ]9 y. J6 H) F3 J3 y; M$ A0 \
    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 22:56  R* \6 }2 P! p8 _& 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。
    ( m! t8 T) h5 u8 b# ?他 ...
    8 \8 z# e& R! Z5 x, A5 N) `  n
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    % V( l. |" B: H7 m7 h1 ~5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    21 小时前
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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
    + A" s# q7 E; }" B1 @! j短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    & [- b! x% L( G! ~, p0 I2 h2 h5071A好像这两年不好买了

    ' P: e+ ~  I1 {* [% Z这个短稳长稳有出处嘛?
    & c/ L+ V' Z8 _" 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~~# k* w; b3 }5 x0 U3 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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  • 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" c, T" _) p/ g+ K
    这个短稳长稳有出处嘛?9 \, V5 ~: u+ n1 L: ?0 U: Y9 V. O& l
    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 ...

    6 S+ J% S; [. ?, e$ L
      W3 U. K& T1 C, F$ l- t7 C( x, M- [7 v6 U( i1 n" ]
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图3 j7 D- {: h6 L4 W' A7 B& G
    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
    23 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
    0 }! z/ d8 t9 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。4 Y' S7 w/ q% x9 b$ p$ n1 ^" h; S
    他 ...

    ) ~6 n# B6 i" I# v3 ]) L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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    开心
    21 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 Q! ^8 |3 {; }2 N: h3 `- r没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    * G! ^" t  |+ i4 D这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    ) m9 m8 T0 ]5 M* q* @8 u
    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。
    8 _8 ~. Y5 N! ?: @0 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。
    ; h& }5 p  L  z& s# w% {( j
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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
    , J) g  e, y8 ]; v. 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。
      }9 C2 m7 h$ P3 M冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    " q3 ^# j3 Z* {; E
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    ! n6 J1 y) C6 {. {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  A. s/ Z% c6 c4 e, ^; F2 e
    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
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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
    ) Z8 m* s! R7 ^5 H# A安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    0 f' O9 Y$ i* ~$ u" @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 11:33
    4 ~2 @! d( d% a% U! [, l0 Y可能高端的铯钟做的更好一些吧
    4 q6 a# A. q( W- L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5 n! K0 Y0 V" H
    时间基准据说 ...

    # V% i; u0 U. ]7 a( m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 00:563 Q8 x# |' c& x. a4 U( `0 n9 ^- v
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    % \/ U) n  U5 ~- i+ z9 l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
    * \/ s  z4 D6 b& H7 D, E, q9 ]7 ~8 [4 u" ^: w! C
    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
  • 签到天数: 17 天

    [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
    8 C: I9 u0 h. 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 ...
    9 q, A+ D' P& K: H
    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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