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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
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    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 " t6 u  P: w) J- z/ [) p7 L* o4 g

    # ]) a" W& w2 R& e2 F% ~& A3 |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 @% O7 B. ^/ N+ ^& q7 I# W' `4 E! ]8 z# b+ N, q
    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。, x2 L# d( |! H; A3 Q
    7 I2 U3 l2 V" U4 h; ^
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    9 f4 B# O9 X( Q$ W! G2 a4 q( W9 V7 j$ V. V' y, w
    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。& J0 x7 T1 s" I  W! s
    + X" i3 o" _# u- Y/ u2 q
    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。
    4 }& H0 f8 ^- Y- @
    5 a% Z$ X: B/ a. @2 S) R2 f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 |: q3 e6 P9 J: C/ `

    ; U1 U- b& j5 o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。
    + Q5 S, @0 `) v3 v% q
    ' E7 T+ P) X1 f- ^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!. D" g0 x. D+ T: o; N

    0 ]$ X0 D% ?1 E' b! V% J4 q+ U. f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。/ ^9 f/ Y: n' x! O8 [# Q
    . a& x8 e7 n. b
    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 E! K6 R, K7 ~4 C5 P( }1 m$ z- ?( G# l$ ]4 ~5 c
    说些个大家可能百度不到的。
    ! x: u5 r  t+ D' P/ b+ v5 @2 J8 K8 L7 X. }4 Q2 Z1 e
    ===前方高能===: F: L" L2 ^6 c

    0 \8 F' \8 ^' O8 E* i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。# R6 m$ r  r! Z/ v0 ^
    0 ^, D6 U& G: J6 m% P' L8 \
    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。
    $ S, r# A7 a% `! o9 D$ u7 n8 P) p4 x: x  y$ ~7 x

    " P3 s4 i0 z  x, Z惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    & p* Q+ g& w' ^3 w3 o  x, p# W! N0 ~4 @4 a" q( r
    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!
    1 W5 G+ _7 l; y, i! y+ r: y3 E- w9 ^# j/ v% d4 K6 z2 K
    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。- }( i! d# b( f& o+ X
    ) L# V4 c- s8 K7 [% M9 b2 W
    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。
    , ]# e: [( [; {+ F
    : G) ?2 v9 S* w/ |5 P- v1981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。( w. I) c8 s, d9 y

      [$ y- F/ s" L1986年,十的负十四次方。( x' A$ ?6 K+ D1 m- ], o

    8 w  ~* c) E3 Y9 b7 {2003年,十的负十五次方。. f; h" W5 W. O0 t, a

    % J( q* \1 d5 Y2017年,十的负十六次方。7 {4 H1 \6 [4 O  R/ b8 ]* y3 ^+ {

    $ s! g) ~% T& c6 G* O5 L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。: Y8 K* M$ {9 d# x; n
    , [5 `+ k9 C1 T9 W
    。。。
    / C% Z  h( g- ]6 J6 A+ |6 }0 `# K# ]# W2 C* @5 y2 j
    5 d, `8 g+ G+ d" ?
    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。
    % O& D. r0 p  C
    : a4 T& {& `" C) f" L
    1 X/ O$ l; `  j( v* v$ x4 [% m. E" B- Z* O5 }

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  • TA的每日心情
    开心
    15 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。
    8 |1 I  |- o7 ?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
    慵懒
    21 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

    2021-2-24 23:26
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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
    3 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
    # n7 h: L& t% I+ v6 s1 Q3 A- q* u, M
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    9 h6 l& ]8 Q7 \7 k& j( S3 V看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    & C& e, J6 j& L% k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
    21 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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    开心
    15 小时前
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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 18:45
    4 Y: Y3 @, @3 w8 q( p" l& I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

    1 g, o- x  k6 S6 t, Y5 e& d5 w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 p" d* J  Y
    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$ I( B  [$ h! I' @/ c, F
    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。
    - b1 T1 F4 i( W5 y# y7 N+ o他 ...

    0 ]5 x; R+ y" b" @3 o: Y6 p短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好& k( F: \9 Q9 T; M6 L  D
    5071A好像这两年不好买了
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    15 小时前
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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! h. H4 f) c: h$ e# l4 ]
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好( i& Z. e  m% D2 o4 X
    5071A好像这两年不好买了

    , x  \. u0 y5 h# U) Q这个短稳长稳有出处嘛?. c' j* W" U: v, i. C0 F5 F
    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~~% y% h9 Y0 D3 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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    [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 22:561 `' B# o# x- ?, b
    这个短稳长稳有出处嘛?$ m: }8 {6 A6 T. l. V$ ^0 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 ...

    7 O  l* U3 i# K, s
    ; t5 ]5 L9 s0 ~, b4 c  L" ]
    ; A/ |2 A- I7 F3 B没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    . w# Z% y& A+ j' g' x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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    19 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
    / [8 Q0 ^  X" `) n' ~5 x- V4 D" 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。
    % ]1 R5 N) j* b$ N他 ...
    2 A: C# \& f# v6 o1 d% g
    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
    15 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
    ; k1 N0 q. _0 M3 H* M$ P  S  c: I没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图5 S7 X0 ?* H* N. i7 {8 w
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    3 v2 L9 Q, M) C* R9 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。4 P- ~; K* O9 f0 y: H4 F; J" j& |: @
    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。
    " C3 S+ C; W9 a3 Q7 h8 n

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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 03:359 @" V  b5 g2 S% x% H
    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 B6 {$ p; C3 S3 X, z; r
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
      k  ~% z' T: q  z/ }2 s
    可能高端的铯钟做的更好一些吧3 t( i4 B; T: d" n/ H; j8 I; L& G0 u
    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
    1 Q' z) t) ^1 N- Y6 \3 P' K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. }+ r( K& V' [$ @) V7 p( I
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    4 D+ I; P9 I, U( d  V- s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
    2 e3 i* A$ u' I: P- u可能高端的铯钟做的更好一些吧% I' b7 F! d8 o7 j  P- T; }( N8 \4 R
    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1 p0 K8 N5 A4 ]/ t4 G5 ^
    时间基准据说 ...

    & B5 s' k8 f+ u' f8 D, p) V* |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
  • 签到天数: 1 天

    [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
    5 g% ^$ _8 i: n8 Q3 U. D; r请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    8 X- o  e. L' _" T9 ?
    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
    7 `' U+ d/ V8 F) t3 g0 J1 m8 i4 _& K
    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 10:290 ^( g; r( @3 @$ [- m) Z
    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 ...
    $ L' A. }' [4 R9 U  n
    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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