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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 3 f, {" O8 Q/ E1 w

    3 N. s3 R* 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。
    % {& \, ?0 G5 Y/ p1 u: O4 u
    3 c9 k7 e2 t8 I( O4 k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。1 A. A. m( h; N* F& u" E" @
    - o, [5 h/ m. f( B
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    8 m# x1 m( x6 y* D4 R/ \( s! {3 V, Y
    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。
    ) x# T. `; g4 b+ Q# `/ x* V3 E. H# t( y9 {1 M+ w' a/ G
    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。
    4 U. e$ O0 F; o" p9 l' v( b! j0 g0 O1 w" R$ @+ g+ s
    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?
    / H- m  B; t. j. C- J
    4 ]2 k9 ~; }& d' @! m" _/ N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。
    * \3 x# K! L4 ^$ O0 z( o5 N( g
    . C* {* P' _, Q" E& @4 N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!
    ; f3 U- \% C+ m9 C5 ?5 O  B0 d6 ?2 t" h7 p8 h, Y
    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。
    . ?8 O. Q. p& H0 U# h1 g0 Z+ J2 x) V5 V  a
    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。% i+ g; D& e/ ]9 ^7 M# K

    " w2 @0 J' P* w- H说些个大家可能百度不到的。
    , m  |2 |2 ]/ K
    4 F+ |' b/ h9 o: e===前方高能===" C5 ], _3 w1 w. e/ B! T

    ( c9 i7 O+ [: J+ y: V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 x: m) G& }5 u: A/ [5 D
    0 I% z5 j: v8 }* h% K# H: F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。: E% ^; Q9 s, y- v

    6 H5 S5 V/ y  G6 F' ?' Z
    , ]9 K- L2 G, }惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    + s2 {$ x- y; v) s# C, |
    8 k9 y* q# S# ~$ W1964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!; z( H6 M9 p  b
      o) W$ [! G5 l$ M
    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, W8 t& D, Z& P9 S* {; @+ @' s0 \+ Y% N) ^% {
    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。5 C: g6 P2 }7 ^8 b: D
    * @- x) b* q* m2 }- I' K
    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。
    % S% u9 H4 l$ R
    & v1 n1 g3 Q" k6 `' G1986年,十的负十四次方。! S, G8 f  ]: C
    8 m- E9 |) f5 Z3 V* t+ J
    2003年,十的负十五次方。6 l, X0 l6 e$ `6 r$ ~/ F1 O, [
    " X( {; H: `( g+ H# q& }9 p
    2017年,十的负十六次方。
    4 n5 [4 q' D; q6 K9 V8 ]( _2 Z& ~, p( A# L
    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。: ~/ M( C# Y$ V' z4 g" ~3 a! O* x
    3 L" A$ ^" g6 Z+ i* S6 I
    。。。
    - B! ?- P/ n& w8 l/ g' X  A% X5 |) x6 v' O

    . V) E* Q% U# I/ B# [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。' H* f& o# r9 Q/ u
    ( A! _2 i2 \2 [: j* s! @! p
    3 Z  [& R/ g4 m( w
    : J* H% W/ g0 O1 e# D: `- \

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  • TA的每日心情
    开心
    18 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。
    & T0 U: i/ L; i8 Q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
    开心
    12 小时前
  • 签到天数: 3245 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
    昨天 11:32
  • 签到天数: 680 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 / ~/ \/ w. K) q8 p* A; O0 M
    4 k7 s- k7 J2 u9 N; v$ R/ W
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);9 V5 A: k) t. ]" Z" d- m, s8 O" s
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。" T! l' ?! u+ T6 B8 V" E0 ^
    谢谢,“车旅系列”还能有第2季吗?
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  • TA的每日心情
    奋斗
    19 小时前
  • 签到天数: 3822 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
    18 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
    ' x6 J! B3 N6 d* b" B) D! |/ |/ i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

    * F" R) P8 q  K/ A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。+ U( f( J0 q# d+ |0 j1 p
    他家的铯钟在基站上很常见。

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      发表于 2020-8-8 16:41
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      发表于 2020-7-24 07:14

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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 22:567 w, q, H% z. u% n% j9 X/ F
    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。" `7 p8 t8 ~0 d" G6 }4 h# x
    他 ...
    ' s" ]% B! z& U- B* b% f4 }
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    & D- y; }# N4 B, e( {$ z5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
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    18 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& v; Z: A0 Y: e$ i  B% g: F
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好: f$ y$ u$ V' E* v1 Y+ a
    5071A好像这两年不好买了

      p! S/ a* @( I% [% [& C这个短稳长稳有出处嘛?. [9 Q/ ?/ n) 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~~% e8 A/ ~. x% I( `" O, P: 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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    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 22:560 Z# C! q& g, ~
    这个短稳长稳有出处嘛?
    7 A- x: Z1 h  k7 |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 ...
    # D0 `2 L4 r4 ~6 v
    " h/ O. ^- F+ F5 z$ F& q

    2 a. ?" ^. F4 R没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    7 r- h  L: n( \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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    油墨: 5 油菜: 5 给力: 5 涨姿势: 5
      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
    19 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" Q6 R8 i# p( V$ |: o- 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。
    & y0 M( L/ F) L( K% }他 ...
    " Q# X+ M$ B! L! L# 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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  • TA的每日心情
    开心
    18 小时前
  • 签到天数: 3357 天

    [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 12:482 i- h5 W  G$ C. S$ l9 Y3 i! r% F
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    4 O. q: @6 ]9 g' l* k, S: W9 `这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    4 ~6 _; S# l5 a1 I9 n- o; s) 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$ `8 r/ x  F. t- E: Y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。
    3 X' E/ n6 d; k( U6 `4 M3 A

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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 03:35; l' f5 k% |/ @1 J  v" X
    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。
    . Q; [0 E  ^( U/ x冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    " K; H) O9 J5 i! W& J可能高端的铯钟做的更好一些吧7 r) ^5 W. z. H* u; O
    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
    ) i7 G# ~$ H# ^3 y9 Q# 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, q! R# |$ c- u3 f+ ~- t0 p
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    1 L% P- h  g" M# R; _$ C" |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
    3 t3 q+ }. t: u7 p- ^可能高端的铯钟做的更好一些吧
    - ?4 Q* E: |2 W8 }# S: h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 Z  J( K+ ~9 E# f% i6 K时间基准据说 ...

    ; ~- v( I; g1 b$ n- S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
    8 @# a: G. |. e; E请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    ) S/ R5 Y) {, H! e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
    ; q9 e) j5 O3 z% n; ^
    # W/ T( u# D" I3 \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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    [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. p9 E" Z' u+ S# |
    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 ...

    0 R. z3 J5 W, {7 t0 e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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