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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 % ?; O5 n) L7 r/ V

      U* M% |* Y4 z4 c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。
    + z6 ]2 n, H7 C( ]! s
    ) j1 B( r5 j. i9 F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。! C  m- b( R' S+ J, a7 r
    7 D7 y! _: }9 e# M6 L  o/ M0 D1 V9 y
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    . O9 i- A9 L7 z5 v6 W/ m: r% m1 u; X0 q, o. h( S9 d
    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' k1 ~, U  Y
    # T4 x! z- P7 o2 X8 U( n, N
    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。
    $ c7 ~# @, C9 U: l- W
    * ?: X8 p4 A. s6 C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?( p& N. H/ d9 h  s3 B7 n! ]  f
    $ L; Y2 q% l, C# a+ F
    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 P/ x2 A2 ^. ?9 E5 d
    6 B4 z6 E( T1 \* y  u* H/ o6 S: Z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!. S6 Q, O9 I7 f* c
    ( r" }: f9 ]% O/ B0 ?9 ~! d/ ]
    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。/ d6 s- c9 D2 f8 l
    : l$ V# t" m: U6 Z9 I0 ~$ Z
    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。
    4 P9 i* |$ P4 x, z2 ^$ E1 x8 @" [8 D, _
    说些个大家可能百度不到的。
    , J" n+ X! ]8 C
    3 c4 x$ }$ R! S) H( J- j7 y===前方高能===9 m6 {5 o7 s6 P% {% k% h

    3 ~  ]# l& e* d4 m& m0 C: ?+ h. u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。
    * g+ ^. E/ ~2 i& @$ \4 C. H3 Q8 B. ?+ K4 H9 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。
    9 m# J1 A: G. x9 g" Q: @# e+ E) U6 ~5 U. r  H1 @

    ; Q2 t$ q# }# S8 _惠普当年的铯钟,吊打全世界。- o+ O* j1 ?$ F# h
    " w' K) k3 ]) {. C8 e" {
    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!0 j/ n* N+ Q: d( n

      ?' B5 e" J$ t% @! M! A% y9 Y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。0 M/ I) |+ m6 q* S$ A) A6 m( V
    , `& S# i8 m6 D& _
    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。2 n2 ?% c' `& Q/ z" s# s6 v

    / W, r9 s7 K4 E# o; C  n# R1981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 B3 G2 s8 {$ z! m/ h7 T
    / N# b6 \& P5 k9 {# m- T1986年,十的负十四次方。
    ( ^' Q9 a1 R! h0 L! A. F. M. j- h# \4 d) g8 I) |
    2003年,十的负十五次方。, c4 j+ T) ~6 P4 ?& L/ ^

    " u1 C; O" `' _$ h2017年,十的负十六次方。: x$ i; r" E' }% c! X* T

    ( K5 Q: P5 ?, p/ i, G, 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。
    + d! o0 ]. K2 u6 G3 }/ q
    - `  T/ }3 i- P。。。6 c. f( B6 K, L; m+ `
    ' p$ r. {; P( A! ~
    + |( A2 T9 G2 r0 y& ^
    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! ^- J9 y+ d( P3 F- Y
    4 ^$ }6 u% ^7 o7 |9 t
    ! z0 I6 a  \3 c) b! n* I) S( K8 }/ _4 {; z5 s; K

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  • TA的每日心情
    开心
    13 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。
    " _( e9 X3 ^6 [& f4 N9 P) Y/ O8 F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 05:54
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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
    2025-6-12 09:56
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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 : ~% |- s& ]% J) E9 Z5 B
    ; W1 |! u: _0 P5 T, l
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);" s8 S3 b9 ~3 Z4 X$ l% }; r
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    4 ^" r8 Q& ~2 Q# m: X3 H9 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
    2 小时前
  • 签到天数: 3503 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
    13 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; W& P5 @; x2 l" B; v
    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
    & p3 K* E) C& G2 U" _8 I  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。
    7 L& c( s' C% ~% E# ~2 {6 m; U. d; J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 22:563 N4 J* ~( q) L
    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。, _& y' E9 H! j8 w6 n; M2 y
    他 ...
    0 V; ?' ~% \! l3 b9 h
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
      n+ |8 }0 }9 j7 t3 d5071A好像这两年不好买了
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    13 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- ]  j6 X$ p' N1 Q2 t0 Z7 B
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好: h/ O' k4 \7 h
    5071A好像这两年不好买了

    & g! E' [5 h& `$ m! U# Y这个短稳长稳有出处嘛?
    / }$ G, r- C1 w7 R& h, ?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~~
    2 p1 R6 u' H. H% I$ d; l0 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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    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
    . Z, l6 h% K1 a# w9 m) n这个短稳长稳有出处嘛?$ `; [. W& ]; \% |: f2 p3 x
    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 ...

    ' C9 F* g. Y. y; N+ s$ \, \' D9 Z6 l3 T
    " \- o& k* r9 ?" {2 A. `( c
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图$ r" @" A. u) {$ @$ [1 B
    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
    2 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* P. c8 Q7 Q! |" O, S
    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。. S! U1 o4 A4 a/ H
    他 ...

    ! U" U0 F! C2 M& H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
    13 分钟前
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    [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 12:488 T! V" b9 o1 E
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    0 O7 o% ^4 D% B/ h/ W+ z; ^# o% X这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    # O# A: k3 e" C9 |1 [% n- d+ z
    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。
    * w& r$ c$ p9 o6 a7 x8 ]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。
    7 p- C8 `: q- x# a* N. s3 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 03:355 o% f& ^; p9 \
    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。
    6 o- z. ]) l0 I! `/ ^' e: s冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    $ o! O+ W7 t% u# e* j4 w
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    ! t# |/ s  M& P% r7 c9 @$ }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
    & _+ s9 R& A2 i9 @! 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' E! f' _. W$ G! q
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    ! ]0 Z/ n' E1 e2 C% B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 11:335 m3 F- O1 [4 o# g9 f1 |# s
    可能高端的铯钟做的更好一些吧# V+ y2 r  x* z, I( ?
    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 v( j3 c% u3 S7 y! z* }. t
    时间基准据说 ...

    9 `  U* v- o+ U& V- n+ `$ f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
    * I+ j" b- V4 [! `/ V2 ?: n请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    * {, s( T7 `* g8 I
    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+ H- x9 S) U2 P" i6 A

    6 R' {- c% q3 E7 y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
    & E2 d( j% F9 R4 X5 C) X& h6 }( i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 ...
    4 I% y, t) k" j" M
    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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