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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
    5 \4 q. d3 ~5 x1 U
    ) ~" _& M* d' t' E% D9 D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。. H) n: [3 {7 e, u: B0 n6 i# G
    $ V: o0 x6 N: U2 O
    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。
    2 H7 t8 m8 _9 _* z1 r: j! t' e! s4 a& s1 E
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    0 L( f. f5 _! g+ K0 I- H! T5 e; k" b; H; w! j
    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。3 K4 ~. a( R7 s# C: e, ^/ ^

    & o$ d. k% l: z) z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。
    : R& h9 m/ W9 q" L- e  r/ J$ j
    + s- X# B2 c# L4 H8 ^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! K  W. n- J) P
    ( `; Y2 m. H, _* v0 E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。
    ( X* P+ a# I4 H6 M3 g* R' J
    * C/ |. |- j  Q8 w' b* 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!
    6 T- k( u$ j1 M
    ( L6 I- T% s1 x( X5 r$ S/ N1 p. S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。! s- `2 B* t/ E( S& O- x
    9 J3 b" C5 r  j- d9 h, p& n; a5 y
    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。) {: U8 ~3 s/ `' u1 [
    ) P, }) K$ }- K3 V+ H+ F" ~
    说些个大家可能百度不到的。" l9 J8 {8 U, ^  ~2 L

    ; h* o, [. K; X===前方高能===
    - j- u4 k9 r6 {! A: \; j
    + Y0 G; g0 J1 D# O. \( 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。% R% H& S( T) L/ Z4 I% b
    7 ~( \  u1 @6 ~. K, g
    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。
    * h7 R: r8 ?5 q1 u- Z( p4 U7 A6 |# Y; H1 M

    " {: r# V! L' c: z惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    ) w, T& Q4 S5 P6 Z8 z  v6 m$ |
    # \. r" f# {  }3 w7 p# r1964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!9 B3 v8 P* T# r! c6 q

    0 \) T( r! U' o1 [$ u. z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。
    * ?. d% _, v; i! _3 G
    ; }9 c! T* V" ~9 {3 A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。
    + l8 o$ _, }. |% b: U6 l& }5 y* ^. Z/ l
    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。
    ; z/ G! F5 A" }9 N3 w
    ; r6 W4 W' ]- @$ D' F1986年,十的负十四次方。  {: P/ j5 {  o& O6 P
    : G8 }  A3 p' k4 T- V; C
    2003年,十的负十五次方。+ o2 W2 E7 H; u( d- F8 U

    ( j& N. ~( a# {6 x0 K- I9 m2017年,十的负十六次方。% P; k  }' M+ P$ L" `. u

    7 F0 B9 {- E7 q' }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。% i8 h' x8 ?5 ?7 S3 T9 q+ Y$ c  |
    7 Q& `1 {1 }# d: \* ^
    。。。
    # A8 w; }/ u( g7 v8 B/ ^6 G9 R" I
    % I: }4 {( H6 w4 |
    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 a- c8 e2 _! G
    9 f- W  q3 g( r- C

    , f. w% R8 C/ i8 t/ u7 C9 I$ K6 P: Q( d6 A* n* `8 u( d1 Y, {: X

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  • TA的每日心情
    开心
    10 小时前
  • 签到天数: 2642 天

    [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。
    , b* |: @- f" V3 D: v0 o- N0 f6 \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
    擦汗
    15 小时前
  • 签到天数: 2574 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
    昨天 11:17
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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 K" |8 I; Q* I4 G9 _8 {8 k# w
    " V# w& [) o; k% p& X: _群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    : e6 X" `) q8 V看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。! R& _  \) w+ r& P2 _  M6 g
    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
    15 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
    10 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
    3 R  @8 [$ ~' `; \, c( j- 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

    % z, B1 \% f* k3 m+ q2 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。. @5 U1 J0 e' f
    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 22:33
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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
    9 ^. F& ?& u( ]) I4 e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。
    / a9 h7 B5 y. g他 ...

    + [5 a, D) d5 w( F短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    2 U& c; R% [) U  ^$ Z( P% @5071A好像这两年不好买了
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    10 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 13:356 Z1 b; s* F" x: C% P+ _
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好' G/ p' j% z" S: B: f2 ^+ }2 \
    5071A好像这两年不好买了
    ! l. r# [) N( ^: K6 e/ Y% O
    这个短稳长稳有出处嘛?& j/ I7 j3 z8 N/ u& T; T+ i
    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~~- K( n+ T! p1 U
    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 22:56* _! E$ d5 e8 o
    这个短稳长稳有出处嘛?1 j+ X- g5 M" a- P: R5 [  w% P0 M- C
    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 ...

    ( o( X* @5 c5 f+ |* {1 f- |1 P
    1 e3 n* W- E( i  h' P, M6 q+ G" t) P8 D3 t$ y1 V
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图; a$ R+ A! M/ {( j( ]6 U4 s" j
    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
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    15 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/ s/ X8 N6 t0 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。
    7 ?0 Y1 I2 j7 z1 r4 A/ w5 @他 ...

    9 d; s5 p& @" j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
    10 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
    - T! V: @% G' i' }7 w8 g: H, k没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图* c2 J) S: R* x$ F6 {
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    ! C7 X2 d; }1 G" f* p2 r" 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。: x+ h0 G. W; u$ l; D6 |; v' [
    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。
    : J8 _) _7 ]# A9 e

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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
    ! m+ s5 j" d( ], q( T7 m1 }0 ]* q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。
    . E  i9 |# ]" @; c, f7 D, x6 ?冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    , W$ j5 M" g+ A7 @  T2 H/ q
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    0 X0 m0 Y0 ^0 Y. J* P& {5 C) D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0 _  Y2 w5 J/ f0 c$ I
    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% d( k7 g1 n5 K
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    8 ~6 i# `* L( g* P8 d. X
    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 11:338 |% b8 F! I* ~% o* u0 |! K2 o2 ~
    可能高端的铯钟做的更好一些吧9 b& o6 E# Q/ G& E5 \( X; I
    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
    " c/ Z. y% Z6 {时间基准据说 ...
    ; g) n: ]( U1 _* f' Y: m
    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: i* n9 h$ e/ {8 w$ W' H  E! x
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    & v0 V& S& z0 k; x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  N" U8 w4 f& w( Y2 o3 y: X+ ~/ b

    9 d2 v% U8 w5 b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
    ; J) P& J* L7 n' w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 ...
    % P9 A$ ]* H$ y* A
    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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