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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
    " _; o* V  r, g# \+ ?. U; b4 R
    8 ~0 P: b# c- 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。
    9 e! R1 \1 [: f& e5 v+ p" X9 O+ H. z: ?% Y8 G2 Y6 G5 g
    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。
    $ }' G  |, @  @, E8 R8 |8 L3 J  @7 D" T
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    & I2 D% B3 r7 T
    * P4 A9 |4 a2 K$ A7 a& 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。
    - O+ u. H" }5 @  N9 f
    - ^% y+ ?7 N# V& `2 I- a4 M) r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。+ p/ Z$ O" F: X$ ^* ]+ A

    : Z) q0 g$ T  J. ]+ }8 a6 A. S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?
    ! {) Q; \- I% \# k7 |" H! M/ W# c
    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。$ E/ ~- i% W# E) C3 }) X
    # G* h+ H8 o6 Q/ Z* b
    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!8 p  x0 C! Z, C6 D) X5 R  ]* m
    : T( R; z/ Z& Y6 j: \# ~
    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。
    ( `0 m  ~0 N& {; B: C5 u0 M# o7 l' S* A! x: I( n  F
    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。* b& n' o) W$ e3 W; Y0 @3 I
    ( L: ~: i5 R% K- P& Z8 t& U
    说些个大家可能百度不到的。
    6 g) k/ x4 |2 h# [# R/ H3 d% B6 C9 J2 E  _
    ===前方高能===
    2 S: g* K7 A" ]" E2 v2 i' U7 _( A+ i% t6 @$ Z+ v/ G
    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。
    & r( l! Z. z: r$ w  n  S
    . I. U- S# h1 B& r, W) a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。2 s* c( h6 M. Q4 C7 e- K% L

    4 O& c8 ^0 M$ Y' N0 }9 D, y
    6 t: c/ ]) v1 d/ A惠普当年的铯钟,吊打全世界。1 H* x. u& [' r4 z: q, s7 ^" e$ H$ {

    / [! D  ^  b, B5 @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 y$ x4 {- k. A3 `' x
    7 Q- r$ Q( d4 \% N* i- \
    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。
    # P2 P; {1 R, ~: J
    5 \5 L1 n/ b+ z( l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。3 O0 P( p9 K" i5 |. s, [

    ( F5 a7 r1 S+ l4 }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; X  f  L4 B# T( }* t: l1 b6 j' K* u% _
    1986年,十的负十四次方。
    9 o1 j% R; j, u8 P# d( T
    5 T) y) F- Z/ f0 w& I2003年,十的负十五次方。" t+ s, M; x, ?$ \, i3 H9 P: r
    8 B5 g5 R9 b  D5 Y0 `) K
    2017年,十的负十六次方。6 c" W) Z7 [3 {9 r: y0 U4 P  ]% L
    ) {6 Z: w! P1 S& W5 _. [2 z
    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。# A* c0 `) l$ y7 ^; C- @8 n; z" ~
    ( X2 j1 O* K, R, l
    。。。* r+ H& Q9 x% J. Z: h* L

    # ~1 C9 q" R9 e
    / f9 m! m7 v+ r; ~% j+ r  C- P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。
    $ T+ H7 b! e: Y* `4 f0 v
    , e/ Z" Q8 F+ n
    7 h* s7 w, R3 @- _
    0 }* B- @* g% d& g

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  • TA的每日心情
    开心
    昨天 05:48
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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。
    : E/ B/ I7 B( H. ^4 U$ ]# t0 a. _2 R! 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
    奋斗
    昨天 14:17
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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
    6 天前
  • 签到天数: 639 天

    [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 & \  O, t* u" [% ^( G
    4 |7 ?" A4 E6 @' E. Z
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);8 h! |2 a/ T) x. ]5 c. t4 R
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。$ y$ i; I4 U1 ?. q- 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
    3 小时前
  • 签到天数: 3720 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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    [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
    , v/ d# H( f' J0 ~/ [, E* E. {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

    8 C! k8 h2 h3 O6 P& B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 {2 i2 r, o5 I' M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
    : N$ _& s& @+ ~( {, y3 y1 b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。; o& G/ y- m- l9 u1 W
    他 ...

    ( g& N0 T' \+ L) o3 \短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好- ~- E& M9 w4 V6 \
    5071A好像这两年不好买了
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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 13:354 x: [, s9 G( |- o
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
      }' Y* K; U" ], n/ z5071A好像这两年不好买了
    # |& D* o& N3 N' z; m# @
    这个短稳长稳有出处嘛?; Q$ E! B$ L' h& Q( g5 S  q
    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~~, ?+ T0 q! P5 m
    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& c' t' }  `9 S5 ]/ h9 y
    这个短稳长稳有出处嘛?5 Q  B8 L, p. ^1 `
    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 ...

    / Y4 u: n  H- R( ^/ {: A3 C5 X; `1 R4 P4 Q; b2 T3 z
    $ C; ?+ E7 O7 I+ K6 P" F
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图7 u% U5 T* o  x. e- ~' Q+ ^% j- q
    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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    油墨: 5 油菜: 5 给力: 5 涨姿势: 5
      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
    3 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
    1 a, H/ I7 O- a# F7 ?6 m# 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。
    % Y+ E$ Q9 F9 \  V他 ...

      \$ O/ A& u9 L" r$ P( s: L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
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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
    ) `/ G  T7 ]9 w8 B没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    , W8 R/ x: q! l: y1 }这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    5 ^9 l" I0 P% w' k( ]4 t; `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。
    & U; x% T* z( ]/ s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。3 p# J2 @$ U" f* M+ y3 E1 e4 l

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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+ i+ u+ |/ e9 Y5 g( n9 _" 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。
    1 ^% C* Y' D6 D8 `/ H冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

      R  M) `) Q# t3 e8 Z0 M可能高端的铯钟做的更好一些吧6 D! s; i) U, m5 N, F% L
    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 D! @# ?: i8 l" @5 j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
  • 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
    5 g2 l0 Z- c: P7 n8 I- A安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    3 a/ ]6 o* Z' ?
    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 G' n1 r+ o! A$ r. ^
    可能高端的铯钟做的更好一些吧& b  A) N) c9 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
    # j# U+ w& M8 P0 H) s! s时间基准据说 ...

    2 D; `# |+ [2 Q; `: R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 00:563 b8 h8 p. |7 a! G: L7 c0 f4 T  a
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    : e- x- k; }+ 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* U- y4 h& E4 W( Z, q( h7 t: [" l1 e

    9 G+ m) h/ n! @" d/ ]* r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 10:291 ?) L7 k+ ?/ M% 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 ...
    3 ?% W; U. F( h! l' w3 ?& U
    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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