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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 4 O  N* R; T+ U9 r

    # A. L# P" A, ?' u  h' M) w! a  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( Y  _+ H$ k$ ?

    $ K  V' p8 R2 V( y# Z6 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。
    * ?! P! T: D; ^
    8 |; x) n5 O1 f& e% O个头、模样大致如此,二十六公斤。
    7 j5 A. G# V* ]" R  x" q% R' F# I7 x* x# l& j/ z# M
    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。. ~2 F. H$ H; y9 f' |3 u6 a0 v
    6 i0 _7 J& g0 ^9 ]* @7 [
    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。  w3 D0 E, u, Y
    " b6 P4 ~# I3 G$ V! d
    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 [% a) S( J* L* P- {" D; b7 f1 v: W* a: w5 r6 L) W
    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。
    # \- R. T" e) t6 s, e* o$ P3 _3 @# h- s4 l1 S; b# d- l
    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!
    ! ~) r+ I$ f% S& j- B
    / c# v- T. v9 `+ I- \6 h( x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。
    ' Z6 B: q  Q% W, D7 u8 n- v5 N
    " w6 u& q: o( T5 Q1 m9 ]: t2 {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。
    1 S/ k# U- N& }
    ; h# q7 s6 \* I5 z) j说些个大家可能百度不到的。
    ! v5 L6 k* E2 A* D7 Z
    4 \/ W& a! ^4 O% S===前方高能===; i3 c6 Z; {% w% G4 f

    & K& Z1 K" ~3 }! }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。
    ) @- M  u! T' K1 Z0 U$ u7 w; z2 `
    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。
    * G6 M4 G" j) n. M  t$ a! G8 l/ m$ F: W; t% M& w
    3 S4 u; v" p7 z2 _$ [2 V( T1 F6 R
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    & C* M5 k" N/ i( e; y) N6 o9 ~+ L9 l( S' X; u; j% K4 a; ^
    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!% o. @4 l% {( j* X$ d
    & L$ L; l9 G! F0 X) f& s* D" w
    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。
    # f$ N. y; H+ T+ Y# @
    & F9 t) \  ^1 z9 P1 n1 X0 Y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。! t  g8 \  n+ g3 M

    % R/ V8 c" C0 D+ U1 @* w- O# V" z1 N: 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。+ z3 D% d' p2 i) [& s% c) L, G( k; k

    , C! s7 w0 [& J( p- H1986年,十的负十四次方。. ^- q6 z2 s& |: w0 t. w1 |
    " u% e) I8 O: D, H
    2003年,十的负十五次方。
    6 n$ J0 ~+ I0 C6 p! B# h8 [5 g1 `* A+ F& U8 q
    2017年,十的负十六次方。* A6 M* |5 w  N: l

    9 @2 J) l+ Y% O# l, N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。8 D2 |- I( L7 f9 K

    4 Q5 R# C3 \7 @3 g0 Y( m+ F, L。。。
    4 b& Y5 F9 M9 l# }3 t3 p7 v
    3 z2 G- }' A; C+ X$ J" N  p+ F& f# X) i% J$ B2 l
    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。
    0 g: O9 o: k9 e- o9 e/ ?7 r: i3 d. P0 e9 h  j4 q  n
    ' k+ M+ B+ U9 h9 M8 N, J

    $ S  }( _) E% I

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  • TA的每日心情
    开心
    16 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。" i! a+ \1 k- k/ S# D
    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
    22 小时前
  • 签到天数: 2567 天

    [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
    " e9 j  M% b& ?
    / ~( A' W6 G4 G" D! v7 J. F群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    + F( r* i/ K/ k, v/ w$ E看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。" ]4 O' R; t% S+ Q6 m
    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
    22 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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    16 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 18:450 \) A% d5 h. V9 g6 ?' W) Z
    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 x, ^4 f- k+ s$ Q" m7 s% F- j* Z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。
    + i- W) Z! P/ t; d' N( _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
    6 [7 O( X) e# S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。. |! I: \/ j% J' T3 K+ e4 N
    他 ...

    8 T& V/ `3 N( @短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    % q! Q' f4 ?  r& f5071A好像这两年不好买了
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    16 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: n; R$ N1 a# t
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好0 i/ t+ ~7 M, B- a
    5071A好像这两年不好买了
    ' k) B) r: m5 h3 A4 j+ @! e
    这个短稳长稳有出处嘛?
    9 v$ K; T' f0 v, 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~~! P3 L4 N, P) _. y
    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. `6 v% `' L& p$ i! U
    这个短稳长稳有出处嘛?4 `4 `. h, o1 y3 A5 X* x/ K( j3 k, |
    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 ...
    / t" I) e- z9 c" T, \6 B

      d% F; J# |+ J2 ?6 B# j8 a
    , M" B9 B5 T2 a+ h; ?5 I没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图, l# `9 u, _; \; ^" _7 R
    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
    21 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* e" V3 M. a" b3 g: u/ Z: 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。) }, M0 H+ W1 v4 S! m
    他 ...
    2 |( N* J" A& A- ]+ o
    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
    16 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
    $ p+ r, U% P; a: g$ y没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    0 p6 S! V. C4 J; {这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    ! y8 j# R) e+ P% s3 |( M( \
    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 v1 E, J- o- k# q0 r) M
    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。9 @" @. U* ]" ?) b4 A# D

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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+ q; t# @  u& n% }
    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 z- ^$ h: I+ Y& |3 U6 X  j
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    / G4 S3 U: Y  u7 A. Z: Y可能高端的铯钟做的更好一些吧3 t9 M) ?& y$ w; D( [9 }8 d, 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
    + P' j- I+ b: y( F+ f, ]/ w! ~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
    5 L. ~7 u0 G7 @1 `" X安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    2 P7 n& N$ s7 ~/ V" r% L1 s/ B, U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+ W8 k" j9 v8 R# C/ A$ L
    可能高端的铯钟做的更好一些吧; x: G) I( Z2 U- B
    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
    6 C0 J& P7 v  p$ m: m6 k9 H时间基准据说 ...

    $ X+ A& k. o  x2 q( e; e& |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: A3 @8 p5 K; d5 w1 n0 n
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    % Z/ C* }- j9 U, h* a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
    5 b$ _2 f& f- P( j' x+ P
    ' G( Y4 z/ r, x( }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
    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 10:295 t9 B; f) X" a$ c' n5 ~2 Q
    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 ...

    ! y: v9 [) \0 l, k& ]) J) Y3 G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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