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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
    % |; r. ~3 ^& o9 b& h' ?5 b; f& m
    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。$ A& C$ C6 `: \
    7 C, u6 J! f. l* S3 D8 N
    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。5 ^3 r$ T( [4 R& x. L. G+ n

    4 ~% v, }* C9 W, x2 ?; Q个头、模样大致如此,二十六公斤。
    ; [9 `4 M' @9 C$ A  n
    0 ]! Z' _5 C, G2 k  Y9 V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。
    : G$ |6 U* z& q$ S' s/ f
      k6 ]% `- X/ Z, e- f% `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。
    3 L+ S# E. ]4 n" T& c& i! A& Q  R; B- O7 [( |8 Z, R
    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?4 x* \% t# h( N+ ^# ]
    5 [1 ?! \  _$ `$ `+ A
    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。
    0 P, |0 b/ q! `- {( M# n+ O- _+ _6 V) [2 r. c. G! g1 q
    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!
    $ j! S( s6 Z( E' S* [
    9 W4 w; K/ B4 k4 X/ f4 J$ m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 V* N! w* [+ T" z" L9 i8 M# m% E  Y! f8 E
    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。; ^+ A9 z# p3 s: k: {( M

    5 x+ [. b. [4 t说些个大家可能百度不到的。. b- p2 X: c( g  T4 ]/ K

    0 c4 V! d( n, r* N( {8 V5 w===前方高能===
    : g! r; {( K# f0 j* e. l5 c8 P
    ( R4 n  v3 ]5 l2 D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。4 ?& G2 ^8 t& R# }' c

    9 }; f. ]1 L6 Z+ C* e2 d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( m" |9 |% O! N% d1 @# z
    % m/ P, b" S3 z: q( f/ M( l9 N: A
    # H, L- h. Z# j: ^4 o9 r
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    $ e" o2 D3 y: k; W& [
    . T7 l8 t. I) X! j3 c1964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!
    4 X) y) Y4 F  {" {! z& r
    , m' y6 |0 K6 r1 s0 i% u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。
    # a# j) P- b  k  i9 s
    - b- \) Y7 {' G2 ]9 d8 ?3 U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。
    - ?  s2 Q1 T$ ^; _6 B& A
    . b8 V4 @1 F3 _4 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。
    9 B/ S! ^, t$ @- v+ B
    / m; n# h4 X( l5 R1986年,十的负十四次方。
    . _. {  l3 w2 K9 B2 m/ \! e" z* Y6 u) o: Q
    2003年,十的负十五次方。9 X5 G# c" s6 x: Y

    5 p5 _: T2 ?2 A$ \+ G2017年,十的负十六次方。
    5 C9 r/ T; n6 k, u
    * M4 {4 Y5 `' G! u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。
    % P: z* x/ J1 c# X7 r3 a, }6 a/ e; u. L' W5 Y7 o' [5 Y& S1 Z
    。。。4 z  ], @1 x! m& p" ]1 D  e
    ' S, d; Q& B( @8 W& ~" @3 B; q
    : y  D% j  M& r; L' S
    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。! G; n$ M8 U% d+ m, k* [/ W0 |

    6 G: |: H9 C) r9 R( [6 _7 J5 ^0 w. J3 K

    1 x" `- C/ ]; T9 a& z' N

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  • TA的每日心情
    开心
    昨天 00:01
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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。$ C7 J+ L5 `" ^
    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
    2 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
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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

    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
    2 C7 _3 `4 x) U5 a( x$ g7 k" c& c" s' i- g, D8 ~" j! S
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);6 U* b% Y  b! \$ M. S9 D, z
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    , Y2 ?; o3 j* z7 m0 b+ X+ u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
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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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    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 18:45
    % U8 x+ M7 J9 g; X( ?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+ p" b' x8 ?8 ^% N. I& d9 b/ x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。- r( h" i% `! }4 J
    他家的铯钟在基站上很常见。

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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
    0 G1 F8 w9 i) k4 j' 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。0 }) d2 L7 }" J' d4 n$ f+ v
    他 ...
    8 B, F% ~) y* c- U
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    3 c' E2 @1 F  e& n- b! I  |7 a. P5071A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- Y( r, ?# j8 B3 X$ W" \4 M
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好4 F* z+ S" [# x: w# @( M
    5071A好像这两年不好买了
    + @9 w  e  P. z7 N, t0 S1 w7 d1 f
    这个短稳长稳有出处嘛?# q. |* G" s/ M
    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~~
    ' W. t6 T% |& A, m* i7 ~; @/ z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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    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. F/ O9 I  D$ ?' i
    这个短稳长稳有出处嘛?
    2 r6 I8 S/ U1 t5 y, F$ L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 ...

    9 \; |6 L+ ]. m% |  x8 K& _8 a7 v- e& Z) D( b: F/ u
    ) }" {" z! h* E+ C( t) S2 Q* T0 K8 q
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    & U; x* H& o5 L6 F) ~: y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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    [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
    4 I, j% y/ I$ U! F1 P0 D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。
    3 D& ]7 I0 G: _4 Z+ i! c他 ...
    . ^: S" S- \0 [% p+ e) \
    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& g! B3 A4 M8 J4 i5 E$ M/ x) R% S# Q
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    6 \9 V4 k2 H4 m+ z. M; F% B/ @这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    % t. u' u5 q, n- r! S4 {& o) z0 Y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。8 W; d% X! [3 [5 p6 ?9 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。
    2 Z- v, f, m5 Z% D) 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 03:353 }0 D1 j/ [+ v5 y) h8 X
    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。3 w1 O8 d- K) m' g& O
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    ( @/ B( h  T, k0 \& X; w
    可能高端的铯钟做的更好一些吧- y' w7 N/ n, Q- i* 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
    $ ?7 A% I5 t7 H: Y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+ G$ e7 l4 l+ J6 B) C& N: G1 N
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    # ]( A/ L, L7 @
    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
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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" y. ?& s$ D' c& K1 D6 ~1 ^7 t
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    8 ?/ f3 X6 ]& {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
    : G, Q7 a0 `9 H8 R/ @时间基准据说 ...
    . |; O3 L/ u% u1 g
    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
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    [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
    8 f8 s! S/ M3 g. Z: S8 m" I% M* O请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    1 H2 v- z: L0 x( s  r) 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
    / [1 y) h. G/ F6 @+ c9 `, p2 Z, `
    : J: G& r$ b5 n, v7 ?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
    7 U6 N2 g- H7 H+ p4 r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 ...
    $ }7 A; c% Q4 ]0 o: @0 K6 ~
    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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