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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
    8 @' H: ~/ R' f" Y! d) o- N
    1 @9 u# v5 O- w1 F9 ^- K; n. W1 E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* t2 w+ Q% C- c0 b# `6 d4 n

    3 O6 v- @, E2 s0 P6 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。
    1 l+ A. u" t4 m
    * [/ [! d) g: v! {( v; C个头、模样大致如此,二十六公斤。
    $ Q( t* P' w+ W# j2 C+ m$ F- x3 S, T0 Q5 \/ {8 ^
    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。( k' B6 j5 |. {, y# t

    4 ~* E; {2 N% h5 A- h- 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。1 y' |9 _( |8 s* q( m1 _

    ! B+ ^& ]! }3 Z/ Z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?
    8 N6 Y- {$ M% l& s1 |' J* X8 G6 P4 h4 T; K, K% ^. n5 D& 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。9 I+ i+ O  v3 w) w9 ~0 \

    0 F0 R; y' Z1 A( t. o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!4 }; Z- K- X2 }. Q$ A

    ! _1 L+ ?! c- `9 R. F$ U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。. {: t0 Z" x1 `% g
    : i9 Q7 U" T; N+ S- j& P
    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。0 l% M- ^2 S# k2 v2 C
    - V) v5 W* w( v( K& T& X$ U
    说些个大家可能百度不到的。. Y% b- m$ R) S

    " K5 Q! n+ q% e: s- L0 K) Y! q===前方高能===
    ! @) B% C, y! U6 x( g$ i( K/ P7 S9 A& B7 L* \5 D3 \
    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。
    & o, w- A. f) v3 G1 q
    * b1 X* h  a, h- S$ d) Q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。; Q+ b1 _8 E. ]

    0 `2 R8 c1 D* Z2 z1 k, M+ H3 A4 p
    ' P+ E8 I* {' f7 _! e& ~6 O7 O* }$ W惠普当年的铯钟,吊打全世界。' J& u% T2 a" l9 h( x1 ~8 T1 O
    3 b# [3 |% ?; J7 X
    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!
    7 A' }  X# J3 Z$ }/ |( S* w$ Q# @$ p
    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。
    2 s$ c# X0 h: }* A) T- l* U. B+ l# o, B: L# G
    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。# |+ m8 e1 i, I+ ^5 h

    " G. ^; N7 L4 H3 r) d3 b+ p1981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。
    ) ]* s6 h/ U/ P& }9 o1 a6 x
    + F, w5 i  P4 F1986年,十的负十四次方。
    2 w2 ]1 `, i9 \6 _% [
    ) b+ T6 v" l4 j: |+ n/ d2003年,十的负十五次方。1 {( }- l5 U3 N' y4 z! F

    - i1 x* I+ ?& y( I8 Q: K2017年,十的负十六次方。- [1 R( N) U$ q. ?+ i

    " S* G! J, k$ r/ B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。
    $ I7 s5 Y8 n, X' a! W/ y, e4 n2 R7 c% e0 L9 `
    。。。+ t0 D/ z* t; a7 x; D
    # n3 S; T8 a* A1 r# {) A
    0 F6 M; `0 e; R
    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。
    6 w; }- b- w; X3 ^* Y& L3 Q) B+ c% Y

    9 P" X/ }" `7 w) W' B) d$ ?* D
    * f% s. \- L4 Q: Z+ 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。
    - m$ P/ n; H' f2 G# [; S* I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

    9 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
    7 天前
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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
    & x3 t4 N! ?/ `. r4 ?1 x
    5 {2 p) T$ n2 W群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    ) Z; I# d4 r! C- e; g5 Q' Z看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    & i% [, G) }: t. [- u; H% e" i" T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
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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
    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 18:45
    ! G' l/ Q) F) b  F4 E) \1 t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
    ) E1 U1 W( J6 M
    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 e  h& `/ h. n- ?; \5 D
    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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    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$ L9 _7 H9 @4 g$ n) U! @4 N
    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。, w' M$ y; {! {' f
    他 ...

    % |! a) ]- z+ n短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    7 A- y1 m% I  v  s5 t- O5071A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 13:35
    $ C, q2 z+ H; C4 O- J短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    7 _5 }+ P. b3 h' M5071A好像这两年不好买了

    9 ~! O/ D- A6 C, y: w! Y1 T# ]这个短稳长稳有出处嘛?7 @" d: R; \  v' t# c( E: L1 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~~. H) ~4 l) ~8 I8 k# t
    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
    5 ~+ V3 F9 H3 ]9 ]' Z- R: E这个短稳长稳有出处嘛?
      Q, q7 k/ q$ K# G  f. \9 t0 J% @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 ...
    ) L" L+ M# ^9 h! i3 ?6 R
    0 d" i$ ^! I' S8 Z: F% Y  |/ |* q
    $ S6 q" K% r( T5 m: ~3 b
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图# ~; i& Y2 L& j4 g
    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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    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% C+ g8 k+ P$ C0 N2 l& j& x+ ]; J
    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。& D6 K8 h( h6 D+ X& c$ B( x
    他 ...

    9 ?3 \% q, H8 J! t! c  \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
    2 ?! {" A# j! l没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    ; U6 m) I6 H( u9 ^  I6 k这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    0 w- \9 S+ j+ g, _' }
    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。1 w3 D7 _& H0 ^) B
    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 v! i2 z1 e4 R" T' H

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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: D0 Z3 \) I, T8 b# `" Z2 _
    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。
    ( x2 c7 M% ?4 j8 y1 Q5 X% i冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    ( _  i  Y; n' h: B! b. @- _
    可能高端的铯钟做的更好一些吧8 D! a& i3 i( `3 }
    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
    ; D  p# W. {( j& p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 03:010 ?# h( H5 E. v
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    + |" l9 m/ O0 s/ {( ^" `# a  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
  • 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 11:33! \4 A7 |" X! @; F/ `
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    8 @4 J- X5 B9 d; b- z; z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7 Z% f/ M: _$ o1 C4 }
    时间基准据说 ...

    5 U. M: q0 z* n* W3 _( Q1 K% O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/ }; y6 B6 e) I# I1 _
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    + q' q& P: `/ g: B" x0 u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! U2 N5 Q' m( C( `
    3 L7 V6 S% \! L9 j( P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( F  a2 l9 \) x" L
    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 ...
    & W; O# `( ^+ _  B, m7 |9 J. i
    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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