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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 % o8 Z* z% ?, S, N* g
    0 U1 @8 x2 I: t# 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。
    " x: F  Z1 |7 N& B) N4 _
    ) A3 N" c+ U$ [/ Z/ H# H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。
    ; {7 ?0 ?( u% U% F0 S; m& O( o7 ]! M5 C& e
    个头、模样大致如此,二十六公斤。$ G0 f3 I3 u; h5 V( K- S
    * W6 X3 w4 G: k& G
    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。
    - S$ s) d- L1 R6 c& `" J; {7 e5 u, [+ ]
    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。& r1 Z: }8 p. {4 p+ `8 x% r

    : a1 {0 [$ L* I% W! Z8 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?
    2 ]$ F5 T! _, U" E6 c' }  t: G: s6 {5 j2 S3 @
    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。
    5 H' _: H. S% t$ j' W( A: l" k! m/ m0 a, ^+ k) E; 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!2 C" j; {" x4 y$ }' U' G
    ' I( W6 a6 [6 l. E; t6 t7 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。
    , Q0 C7 X: E2 w% }6 ^. g
    $ Y9 I: T% |6 D) o# F$ D$ 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。
    3 t6 R: ]" e5 y% n  R% l) e( h# B: f
    7 H3 C* ~- J% o" g- j4 v3 U: x8 k说些个大家可能百度不到的。
    " ^  r& o6 n  ^* u
    + a" }* I/ E& U4 F; G6 @===前方高能===
    , R8 b6 u4 B6 l: W6 Q; o0 g/ [" e! N: i8 {- f( {
    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。
    3 G3 c5 U0 P9 c4 L) x4 G: E  m- b4 s& Z) h! U" y6 C
    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。
    + O% f* _( N( e, Q+ h- ~1 H" S9 b. [5 K7 {! E+ W( o  o
    ) o$ G; E; P% @% I
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。% G8 M' p0 ^: W3 q% g# P
    * F+ d1 J7 v9 f# u5 g
    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!
    " K6 p6 N8 T1 s* F& f5 {/ j1 q4 G/ o' c6 ^2 d) u5 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。
    $ B. k1 q) W- A5 I. E0 {+ O& {; A
    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。9 u- i! J6 Z( D
    - s( f2 O% x% ^% S+ I
    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。2 \0 ^9 U7 A8 D$ Q. q3 k! c
    ; z% v2 }! Y/ X  A$ P- f
    1986年,十的负十四次方。
    + I; _; t  U) [% T; t+ c5 J) ^/ |7 _% r" I$ S5 P* P" o( S- q
    2003年,十的负十五次方。
    + P* f, b. ]6 @' ^5 q6 d- H# K
    : S4 z2 u4 e8 r! w4 {2017年,十的负十六次方。2 v' X( u. m- z* O/ |1 Z
    2 i2 q3 ~+ ]1 d# l2 M7 v" S
    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。: S' X& v* r7 K) m/ u; D
    ' c; M% f9 s7 d: s
    。。。! d0 t7 c7 P4 i+ [1 p$ c
    ) g- b+ f1 z# n( @9 C
    : e/ D2 C/ c- ^" Q
    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。  {+ k1 @0 [8 V8 D7 w) ~& v% F
    8 k9 n0 L  M0 O

    ) [+ Q* M0 x2 t9 L& @- {, c+ `6 ?0 _, @3 y! \( [

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  • TA的每日心情
    开心
    4 分钟前
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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。
    ) E2 j' N. O3 \6 e8 Q8 Q# Y8 L  A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
    无聊
    昨天 05:49
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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
    9 T" w& F! Y; T. r  C- z7 |0 c" [$ Q' o9 d* J
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);3 N2 h4 ~& P& C; y5 K  m
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。3 D+ `7 s  f3 o
    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 分钟前
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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
    开心
    4 分钟前
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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' f2 X2 }: D0 V& _% `' o5 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

    9 y5 ]7 S+ D: G! 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。6 g9 k: w3 R  g5 _" J# G; f
    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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    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
    ! {) n# Z- T8 X( S* ^6 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。+ [- f+ z$ Z- B7 d
    他 ...
    ) b8 _8 ]& H/ d
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    ) t6 B9 T# }% N6 `/ n5071A好像这两年不好买了
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    4 分钟前
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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
    : N" e7 [4 A& S9 v% ?8 H& v$ H短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    1 q. c# h( _/ p9 w  Y0 ]( s/ b) U/ U( R5071A好像这两年不好买了
    + H$ h0 ?. [; B
    这个短稳长稳有出处嘛?
    ( D3 y6 `0 ]. E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 `- ?4 m$ |: a' B
    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 22:56
    " S& e7 R6 M& [# Z3 U这个短稳长稳有出处嘛?) n* p, l' W& X' I, {- D# 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 ...
    ! N7 j% ]- Q4 Z$ f5 K2 r$ o1 C& e
    / b- R# ?* Z8 E8 R

    0 w9 w; c7 W- S" s" o5 @没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    . G9 _* Y8 Y1 ^6 p* T2 _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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    [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% q9 g% C: x( h! p
    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。
    ; K6 j* i& O  e2 O  c他 ...
    5 u/ @* P+ F/ Z& ~& u4 w' q
    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
    4 分钟前
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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
    " A/ r& k5 r- M! [$ s没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    5 z& k5 f$ a' D/ c% s这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    . d2 D) }/ f' y2 d; `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. m& |- T5 [1 w
    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。
    ' Q- v, k* {% n) d' n5 E7 P

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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) F; M" R8 Y6 ?& \  z3 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。
    / x+ K, r' r( B. p& h冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    7 y4 a) R0 T7 q4 v可能高端的铯钟做的更好一些吧
    * w  ^4 }: g( {. p; 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
    / ~& H# E5 b7 @6 g4 b4 a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 03:012 j& Q) k) y$ ]. o/ `7 L- h: W
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    2 Q! _1 W: g- I% {! a  e
    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 11:336 h; S# {5 q) _: A2 m
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    3 q8 x- T0 I! o8 Y& y0 T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% z/ @4 r7 l1 B# ]2 y8 U+ P9 p
    时间基准据说 ...
    ) x% R' \# `+ C* Q" A. }
    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 00:565 e- N+ R( X0 S, L
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    4 @  g3 z- Q9 j7 u0 `, R
    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
    ; k7 ]6 t$ v1 ~: _. G  H" F) ~5 l2 N) r$ P' }5 \
    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
    , r% Q" W( @* N% 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 ...
    5 M8 }$ E/ J% [: d+ n  ?
    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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