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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 . d& ]; o  R( H# V+ D
    & [& @1 ~; f; E9 J. W
    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。  f  d* [3 p; `7 S
    1 e) N3 r1 Z; S* p5 b
    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。
    , N' N7 H, Z1 k" Q" B9 i; U) p+ I  f
    5 y  C! u. O0 e% C1 z  K4 u个头、模样大致如此,二十六公斤。3 ]" {' F2 p( r
    2 d( i( u* x* k: U5 t
    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。! F( ?- S4 G7 `/ G2 `+ ]& @( j
    1 O: m' I- v( u+ _' B
    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。
    9 |& V" q; V. e  T  [0 [7 L+ N; M4 S7 i1 S- n
    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?3 Y7 P- B$ F0 t+ X+ j3 h
    8 w, }$ a/ W0 [0 {! ^
    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。9 N  ~- X: i% ^2 |4 U
    & {8 D( K5 t& O# e3 e3 s4 V
    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!% F9 c! b& E* v4 B9 R, j. U6 ]  M
    ; a: x) ^3 \2 R* r
    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。- Z) q  `# O, s7 t
    ; Z& t* _0 h' J+ O
    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。
      j( e6 K% E( K7 o+ o0 h
    . ~' r1 k1 g! \: _3 d2 d, B说些个大家可能百度不到的。
    0 v: G2 R$ q% M' Q* B8 W: ?1 u- f* Y+ j# P
    ===前方高能===- {4 P  t, L/ x* U  k* H! Q
    ! d2 i; X* m5 C+ O7 _$ a. Q" 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。' J, q3 S/ v, i/ o

    4 H5 C' @% z- ~$ l7 X6 R9 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。
    5 {0 w5 k* L& |$ T
    ( E/ w/ i& }. U7 B5 z- S0 Z8 H! t  T1 G
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    + r! j) v5 z$ e# u2 G  g7 j+ N: s. k7 Q) t
    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!6 j/ ?7 D4 A! n  c

    + _9 ]1 Q. n9 b  a# D- T0 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。
    / Y+ z/ ~2 i7 T# f' ^# m& N+ t4 Z
    / I8 Z: a0 {. Q, g) M3 m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。) A, a: y& I1 z4 X. R" P1 @
    ' M7 V6 m5 Z% V9 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。
    ; j- }6 d! _8 A$ h7 \4 O5 s
    8 N2 S. E' K  `, k1986年,十的负十四次方。4 |; G" N/ G; f. C0 p+ W' v- X; ~9 ?( c
    # p0 G6 y5 F. B3 x2 V/ ?# N
    2003年,十的负十五次方。. f: L) V% z- g) j

    , r4 n: L  n# [3 f1 |! B* w6 e2017年,十的负十六次方。
    * L5 W0 I' Y1 o5 ~# \, A4 o9 x
    : ^# U4 U, U' O9 J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。
    : x/ a0 ^+ E0 ~4 I9 [( o9 z
    " O. W' }/ m' I( c5 X2 U。。。
    8 v% }& S6 I5 V: D; F1 R+ G, b7 E! W, U  B5 E

    , f, D9 n0 `9 ?9 D* m1 h) 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。
    1 x6 q2 _) h9 Q" a2 ?, Q; s0 D
    , @1 ]6 N; K6 z; D( {+ M
    6 L% ~: k' o3 A
    , n9 `8 n4 \. @# E' y1 C) q0 t% C9 V

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  • TA的每日心情
    开心
    昨天 13:03
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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。& |( C& T0 v% l2 x" T! U
    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
    郁闷
    1 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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  • 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
    2026-9-9 11:13
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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 l3 J" T/ i! t2 j7 H  F+ ?

    % O; ~9 o  r4 e9 L群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);1 {, E7 I: G2 G5 }  z( w- r$ q
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    0 v  v$ B5 k" Y7 L+ R0 D- c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
    7 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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    [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
    2 p6 L+ M+ o' @: ^* G+ D  t- d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

    / E: J4 H- y2 L: W: O) e* a5 O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。, y2 G, M8 b. u. H# b
    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 22:33
    给力: 5 涨姿势: 5
      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' p5 }% E6 T/ K. x
    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。% ^9 b  @9 a+ Q9 ~
    他 ...
    ' M3 f+ @: Y# k. U0 }
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    0 [4 S" m; K2 |0 \, n/ s5071A好像这两年不好买了
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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" c+ ~" `1 d' {, b8 E1 e
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    6 d- J. V; v* |, ?1 \5071A好像这两年不好买了
    3 F9 o2 C8 f9 m$ i7 O
    这个短稳长稳有出处嘛?
    $ t2 V& g0 X: S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~~
    ! x. M! z+ Z2 M: ?& r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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    12#
    发表于 2020-7-26 12:48:09 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-25 22:566 Q2 V6 @) |7 S) }/ {8 w' H
    这个短稳长稳有出处嘛?- p. x) I  m0 T: e: v7 H  w
    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 ...

    - {" i. @6 u, ?/ T& m
      _( J/ Z3 q9 F1 a/ S
    / Y' W' G4 ^, Y* q' f. M没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    ' {, K9 ]4 b7 }0 M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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    慵懒
    7 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
    3 J4 U, R5 n7 X$ L/ X- D5 o9 W) T! I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。
    5 i; a6 s0 Q$ u9 P+ i  e4 U他 ...

    + ]5 ?, Y6 @+ I# ]4 @1 e8 Y2 ~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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    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:48
    # C, f* y+ G2 E没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图1 g# t  r. \& f  I6 ~( B
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    6 z' ^/ |5 b4 C5 @  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。, ?* Z) @7 R; Y7 A; G+ 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。4 l$ R& g' W7 H0 I  V  q

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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! y7 c5 s+ Q6 Y6 ?3 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。/ ?( r  j$ G( i1 |) L9 k6 C1 a
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    3 q7 a! g* g7 }2 G5 F* {
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    * O4 q- z7 J5 I; X/ b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
    " s: m1 N$ ]1 I( i* }7 `/ D时间基准据说用的是铯钟,利用其长稳
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    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
    8 [" j  D* _- |2 P安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    + r; M) V+ Y" H嗯,惠普 - 安捷伦 - 是德,不知道后面怎么变
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    开心
    昨天 11:42
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    [LV.5]元婴

    17#
    发表于 2020-7-28 00:56:08 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-27 11:33& m# f. q' Y$ u, d; T( d
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    ( n9 @1 y. x- @6 x% 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! \- I8 f8 o! l3 `" l; n" x) H: u, I
    时间基准据说 ...

    7 v# |' y' u) `4 A1 }, B/ Z7 g; 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
    $ E+ Q" m6 w" ^; B* T$ W6 s: T# l请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    ) C7 A" v! V5 ~, k  [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& e/ ^+ C$ P& j' q8 [  Y

    4 J' l! U( ]' H3 ]3 n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
    昨天 11:42
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    [LV.5]元婴

    20#
    发表于 2020-7-28 11:41:34 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-28 10:29
    " v! R: p* q0 s0 k% q/ b- j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 ...
    ; |) k: a" j* [* j2 m) N9 e+ P; Y
    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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