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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 " Q8 N5 @' C" Q5 F1 U
    2 O; z9 z* j% Z( F4 c& I
    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。
    ( L0 w1 o/ Y; l8 f5 l0 k
    8 K) a1 X6 _, O( J: E+ j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。: _+ E( T! p- Y; i% `* T! C6 F3 b2 o2 _5 Y
    4 g  c+ ]/ s. W5 A8 R5 F
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    4 J- W% F- ?, f" h% U$ F" l5 |
    . C/ e' @" z- [; t. ^  e  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。
    8 r7 L4 g# w, |2 ~/ s* s
    . J9 Y* D- ?. ]" a; K: E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。( F: L9 a" s( C+ x( |  w
    + Z7 a* t- G" A% R5 Z
    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?
    + i0 P: |' R4 I9 \* ?0 u, Z7 {& k1 R
    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 \4 ?& D8 z

    1 z: Z$ u: ]: g, V5 G2 [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!
    , v( u5 u9 V5 y
    # {' D; T, o3 L, M  W$ a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 }8 p  v6 P& |: v: ?' L

    1 h/ w4 |* G( d3 S+ E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。) y- R" h4 i0 w+ A  a! c9 V- g9 D
    % X+ t, ]$ ?: f, s6 L3 m
    说些个大家可能百度不到的。
    $ f( t6 k# o; r6 V' f; C" y8 Q" r: C+ T4 l  J/ W
    ===前方高能===
    # I) f: o( c' N! V6 s" Q4 x/ w' {" m, U! t
    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。7 H4 P4 D; X0 h  D' G4 T- D
    8 B$ @, Q4 p% F' p! j3 s
    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。
    ; v& O9 q; }, C4 {
    9 n! _, d8 h! F* v# M" Z# h5 I
    . m6 Z9 T- g0 b7 R1 D1 P惠普当年的铯钟,吊打全世界。7 K' P" u0 c7 F9 y
    1 d6 Q( z! U+ 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!
    2 O' J" W1 L9 N4 o" s5 f. g! L, b
    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。: N% Y3 z$ X. J1 }

    ; Q# Q% {1 ^; H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。
    / o- i, p" `* x" V2 u( T
    7 u" r' S) p. \$ P2 k; m" \  D1981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 Z) m5 g4 N  r. L# R8 B
    7 m* z* a, B1 Q6 R( h9 J1986年,十的负十四次方。
    4 `0 _0 e* v) b& ~
    : I1 E$ S4 h$ i( U  T# i4 {2003年,十的负十五次方。
    - F8 h  c3 f/ [! _  i8 r1 _+ M- G* @: _1 _' o5 ]# f" J0 p3 G
    2017年,十的负十六次方。. A" D, a' t" S! m6 t6 Z

    3 j3 x& \3 ]% 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。
    0 Y: k6 B9 j0 ?' v( A) R; O! \; m) C' t: w; ], K3 |
    。。。
    7 ^$ T( r. X  f9 \# k9 X: }3 {$ g+ W+ b( I$ ?3 U  r

    5 I% ^" o1 E7 p$ E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。$ z6 e9 {  k: f& D' t% A- X5 p( @+ o

    7 j7 }4 Y9 U% r: F  T9 S( w. e' D
    2 y7 h% V% w# F( E( |1 C+ u
    5 ~4 M7 j: S  q6 }, ]2 x' p

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  • TA的每日心情
    开心
    6 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% w3 |" f" T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

    昨天 07:01
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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
    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
    2025-9-27 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 a0 W, F' e7 ~* ]
    9 z6 ]) o- U" b7 }2 o8 J) Q" H% y群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);, p3 _4 ~5 k) m5 ]/ o) m7 d4 s
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。5 j$ P- e( e- U6 ?2 a2 G
    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
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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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    6 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 18:451 Y1 W) @. Y* X
    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 ~0 Q/ f6 B' }; Y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。
    ( G9 g( Y! \8 t9 j& B( V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# G- h. U" o7 B- ?/ u5 t
    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 B0 o+ G2 s% J$ a; f. ~( \/ h  C他 ...
    3 i  v; {2 N% C
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    3 `- n; B' I- s  [4 {, G9 d) y5 x+ V5071A好像这两年不好买了
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    6 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 13:359 H$ Z% q; W9 `5 p
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好& y; Q& d/ E7 M( H
    5071A好像这两年不好买了

    + F8 z, [6 V6 b0 `0 h3 U9 u: A/ J这个短稳长稳有出处嘛?
    - `* A& f: [2 Y8 q4 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一半~~; v( T7 B/ T- b8 d) 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 22:569 \9 @1 z# n! q' z+ q7 s- }
    这个短稳长稳有出处嘛?
    7 \0 J; Z. p2 L$ z0 w+ r& w2 ]# G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 ...
    * A: F& B+ y- s3 S2 j( r) X+ E
    ) N* `* b  t8 H/ E2 \1 X4 E4 f

    2 `/ I2 ?7 V" ^. B: _4 P+ B$ w没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    ' c* B6 I0 p. _; ?/ d( ~: p$ ^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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    6 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 22:561 Y0 A. x+ Y; d, c; _+ o7 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。
    8 `9 T- x9 r% ~/ N他 ...
    3 ^' K% z' H6 d) X
    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
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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/ F" o# I8 G' ~# d* v- n
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图; W+ O  t) i( k
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    9 j1 F+ G4 }% ~& {4 a: a: C
    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。
    $ O" D& r" b. p9 L% I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。
    ; M3 Y: f- `& U  X! c

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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. C2 v' k* ~. w! Y- ]" J
    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。
    ( L' W, a6 [+ V# [  [2 G, H7 C冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    . H/ ?* W+ s8 G7 c0 ?) H
    可能高端的铯钟做的更好一些吧; n$ Y6 i0 V% l, ~6 @# C; j
    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 v& C0 L( [( Q1 Q& o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 03:016 ~; H9 K2 R# o% W) W
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    % Y5 o9 g6 U: V. a3 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
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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
      O, w# Y( @# ^& ]可能高端的铯钟做的更好一些吧
    2 D8 B4 U6 a2 N/ w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 D" r5 L: }* G2 o" a
    时间基准据说 ...
    $ [2 r0 z! K& G& 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
    / K, n+ o2 w0 A9 \4 e" h请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    4 Z5 H1 o/ X; q7 E* Y. ?
    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) Q* c& \8 o' r2 `+ t0 _: P$ A
    , Y# d. \3 |. k! |* k
    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: t7 r, E3 l( H+ x6 M
    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 ...
    ' O; O9 Y$ h# O- |' P7 g; `  F3 J
    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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