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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   G% ~$ E$ O: G8 M# y6 v2 ]6 v' Z
    ; p2 m% {- p+ j( q  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。6 ^1 O+ q: e: F$ }6 s; f4 |

    # i" b$ y  g9 {/ ~- o1 i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。
    6 n/ Y4 [5 n) _7 f0 Z- ^3 O+ `; \3 W( ^4 B& w4 x3 m* O
    个头、模样大致如此,二十六公斤。" t4 q. \2 D* t, ~. x) c- p

    4 \# l4 e& {( Q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。* V2 e; G+ z+ l6 S. x1 W
    $ G. _" X! C5 W
    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。
    6 b6 B2 Q3 d! R
    4 z2 i( p  d8 Y) `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( L2 F' r: e) w7 i: Q
    ) y! J, v7 P- ^
    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 M$ L8 n8 ~6 f& V6 w
    - a! Q' E, e! f9 C% D) K7 w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!
    * f% h# D6 Z7 @1 l* O$ g
    8 p) `" G1 L: Z$ \; @9 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。2 U  t! C3 F: l9 F* G

    0 l* ?% ~8 S* ^% X, g) L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。
    ' h8 z  K9 h) T0 A) w# V1 G- c7 e9 D" D% ~  y1 K8 X% O
    说些个大家可能百度不到的。$ W5 s* {4 W: V. I! o0 h0 J
    / i$ ?8 v2 N5 n& T( J
    ===前方高能===! u! F' r: ]4 r! s( ]' X
    $ S0 T" g- G7 ~
    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 }/ d* k& p5 p- ~) R

    - V% g7 G" q, s% |& \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。0 T" k4 a2 m4 S5 I
    ; X# Y1 f. W) O- t" Q* P

    6 a: q$ m& {8 T! e; @惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    : l: K( K* L$ V6 m# C0 H, s; {3 Z8 U; J  j: O' H5 L, ]4 q) m
    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!
    9 P0 f$ h' E. w
    1 I' N7 ~; B8 r8 q$ o2 [' h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。
    & t4 w( e7 n* m; v9 y* R4 g; t" @6 q
    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。
    7 ?+ b: p! n7 x# G. y* P. N, F. r& P
    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。
    ' C: O2 M; [# G/ W. u8 W4 Q9 Y" S  g5 V5 @3 P+ s
    1986年,十的负十四次方。
    * O+ T; G, k: Z3 n
    6 _8 P# A+ g! |, b6 C2003年,十的负十五次方。
    / z' Q% t! k( H3 S- s2 Z9 z; M1 R) w$ o1 n% m1 W8 H8 e
    2017年,十的负十六次方。. Z! w, R, ~6 z: }( L4 f3 R

    : v$ Z* z6 A5 }# |) D- _% Q/ K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。" c5 \: H. P, H2 c3 e
    2 F3 O# I5 w0 K/ |5 X
    。。。
    - ]# {) o8 v0 I4 f; ~
    ; I* b0 _: j6 g8 B
    ( t2 s6 T% L- j# S9 `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。
    , i! U5 `# J0 n2 T4 i4 I1 |$ H' `7 u) B9 C4 e4 q) W. Y

    ; A5 w2 W- p: ~3 ~
    " n- G, D. V) W7 S: c0 P. F

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    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。
    ) q& K: F2 v7 t+ @+ m0 B5 `' X7 z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
    擦汗
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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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    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
    2025-11-25 10:37
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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 ' v1 r! Z  Z- X5 T
    4 e- t, q3 C" @0 w0 X. X
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    8 W1 X4 o; f# F看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    & J: z( v/ Y$ N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
    6 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
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    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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    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:455 n; u* n. E4 b( 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

    ) a0 `8 L7 Y* w% R% W7 y+ q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。+ b8 r- J( t/ M: N/ }1 O7 q
    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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    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
    ; G# H5 E; M, Y5 W- Y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。" N7 j7 _) V+ j
    他 ...
    7 |* o6 l( i. @& |- K
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    ; D, A1 g* f& q) s; s5 J5071A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
    7 N8 P9 l9 W& E: y短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    & [- r  ]6 x( T: @5071A好像这两年不好买了

    - J( f7 T% g, ^; q( g5 O1 F这个短稳长稳有出处嘛?& D3 s* t6 G; }+ [! I4 t
    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~~  v+ l- W, `; s7 T# j) D
    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 22:56
    & u: w* V5 |- w: {: y2 k这个短稳长稳有出处嘛?/ y# k. ]& Z6 x% q* H/ 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 ...

    1 E) U# H0 b& J5 ~+ x* k
    : @! j* Q- B9 o) B
    - F: L. B4 \. y9 u1 H* b没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    # M! f, a- b3 a$ @1 {# u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
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    6 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  X$ m: P3 @9 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。6 V& j8 i- g8 Q$ V  b% Z% `
    他 ...

    0 H; K0 {- V* 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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    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:48& P  ~% l2 j5 D9 o7 U+ |$ Z
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图+ G8 Q; f* C( i2 G/ H9 ]  j( n
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    0 \- e% P3 a. a$ T( b; b! K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。
    / o4 }- k7 j. }% @- W  D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。$ b' o4 z3 H# ?, o5 k

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      发表于 2020-7-27 04:47
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    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 03:351 H- g3 P) X. I' M. s2 B. s
    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。5 B% q) W6 c0 X! @1 M% O
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    8 j, o5 {' o5 w3 B' J  X; p
    可能高端的铯钟做的更好一些吧3 b% z7 S, y2 v
    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# A( z0 R5 l2 p" o- l. z
    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' |' d' k* x1 \
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    ! Q4 b! V0 q$ l7 Q, C# y
    嗯,惠普 - 安捷伦 - 是德,不知道后面怎么变
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    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
    $ `% G& K- v8 d/ ~可能高端的铯钟做的更好一些吧2 b3 g! D" x2 Q) Q
    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5 ?4 v8 N" Q4 p, O
    时间基准据说 ...

    ' @8 c% J2 L  T# X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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    开心
    2019-12-31 23:10
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    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+ h9 q" O/ D' v  w
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    7 \# m% s* x1 ]* H: f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; `' ]$ Q  m) j7 H0 Z2 ]9 u

    : _. O4 J* @: e- D# C8 a# e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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    开心
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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% U' j* a1 k. S, E# B4 E0 O
    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 ...

    ' Q8 q% T3 D5 L9 A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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