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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
    ( N  K0 C" m; R8 r* v4 x
    , J" p  K6 o/ J# Z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。/ g' F& d' R, v7 z
    $ \/ b7 D' Q) T+ q: E
    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。& w! z3 e# h! L

    $ N; f4 o8 |( f个头、模样大致如此,二十六公斤。
    * r; T  H0 F# C8 O4 T3 E/ p" N  O% _. O3 j/ \* c3 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。0 f, A. `$ d9 L$ @& i$ _
    # {" o. O: U" [& R% c/ a* P
    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。
    5 K- H4 Z+ @, f8 t3 @$ A: v6 w/ h/ L* a+ \, R# A
    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?0 z2 p" Y' z4 l( A
    2 f: H5 F* n2 l* q6 o9 Z' ]* D
    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。
    2 [* \; n/ s- K- t
    ( }. a4 I( v" ^0 @8 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!' W3 z2 _0 w2 V* H' K) A9 z/ S! I
    & E+ q+ `: o% L* 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。" v5 a( ~: w0 g
    % \2 o. Y( u: |) c' @' P: 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。
    . p8 W$ w3 C3 u- m# k0 h5 x. z6 w# J: N# ^
    说些个大家可能百度不到的。
    ( O' r/ V1 \8 ^. g
    9 b* H9 O8 W; P% X2 z# M===前方高能===
    8 D! b; k& G& z* x& ?! D; n& ?# _/ O
    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 G1 [$ Q; A, o# [3 [- Y
    9 _3 j" H' S; h) Z
    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。7 T/ D3 i0 j& j7 D

    8 I7 j# y1 H3 K( N. T/ }& w& H0 V( a/ p; \" a
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。4 M( m5 ?5 h- c& f: `; k
    + `5 O# o# `' `8 j
    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!$ X. L8 g; v1 y% e8 Z( @2 L, K# w, p
    " g1 m# X1 h" k" X7 L# P5 E( X8 C
    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。, q- o9 x* K& T! ^

    5 s* T* Z+ r) _/ D4 }  Y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。0 B, c# u, Y0 }4 V
    # A- w2 k3 u0 q0 T: U5 g4 \
    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。
    ; t* \3 v; I. [* g0 x/ O7 w3 @% r- _% P9 U9 k; d% |/ D0 c; f
    1986年,十的负十四次方。
    4 O# R2 Q0 e6 a0 C$ b$ [0 r! x) z1 z, _8 u3 K
    2003年,十的负十五次方。* d0 b7 \7 m- a: \

    7 {7 H3 [7 y: Q6 m5 W3 X% C- |2017年,十的负十六次方。
      G/ p3 D7 Q3 z4 Y. L% E$ R" J& j( |' x
    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。) t& e& R" W5 [# x

    - o; |6 |9 Z/ Y$ L. z。。。
    * f0 Z: t/ M7 j& P. @7 `0 `7 X! L- S+ c7 _- X- N& A

    3 j9 S! v" F9 j4 F# J9 ^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。
    ) A& A: J1 l, @8 f$ N: ~, c1 i
    3 F; Y2 g5 N* t; l2 A6 e4 Y% S
    * C4 o* q: Y6 I0 \. Q! }
    4 h* V) a% M7 Q& T+ M# d7 M

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  • TA的每日心情
    开心
    9 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。. ^9 }  V& H( d2 K
    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

    3 小时前
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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
    前天 11:14
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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 " Z+ n- Y# L8 J9 v. j
    - h4 t0 [1 ^1 m: N! @6 N, ~7 V
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    1 h) q. T0 v4 h! \# @( W! w看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。- v2 O9 m5 {; M0 Z# B$ p' }
    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
    9 小时前
  • 签到天数: 3837 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
    9 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 18:456 C8 r: L9 w( o) L  O! w% @- o. C
    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
    0 D! C$ ?0 r3 F% w( \. A5 ]& o3 d
    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 J3 k; F$ z# z$ G& o
    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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    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
    1 N* S/ L2 f( ?. F5 |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。
    0 u0 r5 T6 D( R6 v他 ...

    8 w8 |% f6 `7 R% `- q短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好/ p1 T2 n, b  Y0 f) R
    5071A好像这两年不好买了
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    9 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 13:359 J# f7 o- e7 x( L8 o
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好( P) v. ?6 W3 p( m9 Q
    5071A好像这两年不好买了
    4 Y7 \5 ~7 j& }7 Y- T+ ^3 ~
    这个短稳长稳有出处嘛?
    7 d6 K4 W% V, ^3 V* h) q( [  R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~~# a1 z. o3 s* _$ v
    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
    # a" }% t* S# t这个短稳长稳有出处嘛?
    ) ^8 ~& H% H  e- z6 t$ z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 ...
    0 `1 z! v8 ~5 ]* @& `' p6 _% O0 I
    " c' {. c: h/ ~, S' e8 P% I4 r1 f* X

    " r9 q! Y! H. {9 U9 U+ C没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图! j0 ]+ A( W; Z6 G2 n. S
    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
    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" T% r+ T0 c# O( w. ~
    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。
    1 E" M$ B7 m  w8 g9 w( H他 ...

    ) q9 m$ Y, a" M5 L: U$ a. V9 ^; T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
    9 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
    ( A% n6 T& L4 H6 [; O; q没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    % n) l9 v8 Z' F3 ~9 G* s这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    ( W% S* Z8 [0 a" M8 D7 e: p* Y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/ a" F7 o5 z3 e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。: _4 }7 ]; i. @5 i! r8 U- {

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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 03:353 f4 j1 S  P; b# z) ~" p7 o- \
    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 W2 c$ u1 f/ L3 Q+ N3 l0 O冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    ; l; {+ [/ m. x! d  n( T$ ^可能高端的铯钟做的更好一些吧
    : a2 Y/ g% {. m/ B0 _. Z3 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9 L% A, c# d5 J3 _& j
    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
    ' H. X5 B7 X) Y, U" m9 \) [安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    & y* _7 K4 f0 u5 F2 h7 R" w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
    , T' j6 ?4 N4 m* S, ]可能高端的铯钟做的更好一些吧8 v, K; C5 ]' ^+ F
    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
      l6 }. q; ~  Q* g2 _3 [" n: e时间基准据说 ...

    & R2 x% N1 m/ q/ @! b" X) y" }. 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
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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 00:565 ~& ?9 e  Y+ a/ ~
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    7 D! m5 K7 g4 A# V9 `8 |8 _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2 W' G# ?3 W) j" \' J2 {
    9 C# O8 n/ z3 H9 m
    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
    ( L, d6 g0 O. ~& N) F% 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 ...
      z1 Z- q' x, ~+ 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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