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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 , f  s2 b2 H+ o+ d% t

    ' Q: G  N3 r; i3 l7 v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。
    ) z, R8 G- P( `+ h9 p; F& t, y
    " K9 f7 m, u4 b+ e/ W( v6 r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 k- l5 J; R; B& x6 k! |& m
    1 \7 Q4 T9 M3 k. X6 }个头、模样大致如此,二十六公斤。
    : o) I' n0 u! e  X/ D
      j- Q4 g1 d3 [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。4 ]' y$ L( d) g' ~$ E' a$ @

    " C* H, d' P& e, R: |# P6 b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。% p7 U7 x; ]2 T
    ! q1 N) M+ U$ _) n1 I
    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?/ R0 z3 ?) H3 r' j4 [* ~) S
    ' h$ J3 v9 F4 b$ G9 I/ B: ^
    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。
    3 [: c4 V+ ?) r; x
      |1 r( J7 R/ |4 T' 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!
    . Q; F6 P0 X/ L0 F7 G# Q- a0 h8 @8 y3 T5 |. C
    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。, U; G# l2 L: _

    9 _( x- L% L7 d$ V/ A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。$ ?! q7 ^7 ^/ V0 H, W' n$ |$ V
    . z" o: y4 i; f# O! `$ N
    说些个大家可能百度不到的。' h( f# c, a/ C: [! s, O, B

    8 E% M; `+ o& c! c. T===前方高能===& u8 A0 t, c* s* ~1 D) ]

    * j% Y# _  x! G+ g# W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。- E' U+ `# P' K# i7 m: o8 [

    " z4 U/ k3 E4 Z; L8 ^, k6 r* z# [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。
    . Y) f  J, K5 M, Z7 Y
    - I' S* P! _7 q( W
      R$ g1 v" Z0 _; z0 ]3 O惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    # H3 D# O9 F- M) m9 t* R4 q7 {) x5 M4 U0 C
    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!
      b" \% m# @& A, {1 m/ Y1 O$ ~9 H! e* s6 I& c
    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。
    4 x9 Z4 o& ]* k1 S* O9 |$ o# r2 B7 q! ?
    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。
    ' r+ l  U$ ?  ?+ q
    ! m7 U3 T) a# `. ]# x4 Y6 n1981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。- j8 t1 N( ]: O. t
    8 w/ V4 G  W1 S5 s' R3 R
    1986年,十的负十四次方。
    ) r/ e# w: C. Y- [* r3 H- I/ h: X  s
    ) i8 x1 ~' I5 N* c2003年,十的负十五次方。& S" d* W5 n3 `) h2 l7 T' e! R
    1 x3 f* F8 U3 q  q
    2017年,十的负十六次方。/ u! _+ ]9 s; p0 m& u/ i
    ; F" p$ `' V7 F! Q3 ?
    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。# ^# m) Y2 v6 m$ B# h3 j+ x6 \

    1 z" S5 N. l4 O+ |: v+ s% T& Z0 U。。。* R- D. V3 @  h' e; X# d0 h# H2 H
    , Q5 x  Z: r4 J. X9 z
    ) `7 R# A, {' W
    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。3 ?9 H+ m9 {5 x+ F, }$ b; o- I
    4 `, k! s3 ^- N! i

    8 C* h; k- ]* |) B9 [# K% f: i
    2 I: r3 e/ \0 ~

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  • TA的每日心情
    开心
    11 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。
    3 _, f1 |; U/ c! y; H; `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
    6 小时前
  • 签到天数: 3193 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
    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
    1 小时前
  • 签到天数: 658 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 4 B. d4 Q$ _  t' c4 ^( W  `- m
    + e8 ]6 R; Y, s
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
      ?! b+ b' G, o) F$ l" n: K) I8 U看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    1 y% }$ o4 w9 Q5 O/ 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
    13 小时前
  • 签到天数: 3746 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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  • TA的每日心情
    开心
    11 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, x" m, s: }. Q( C3 E* I( b# j
    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
    6 y3 h. @1 s$ `9 q
    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。
    + n( R5 E8 c% l  o' y. w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
    / `+ n( b$ Z5 M7 |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 F; b# b' \  L: ]& f
    他 ...
    ! a: b6 [9 q, f; W% ~8 b+ F
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    " S6 u1 L/ p8 I# J3 i- }4 F2 J5071A好像这两年不好买了
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    11 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
    3 a2 x  m. G* `/ s* h( f短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    + W! ^1 [  K/ M0 u5 u5071A好像这两年不好买了

    ( }( ~$ @2 ]! `8 ?7 F4 X这个短稳长稳有出处嘛?6 I2 B9 p. u) e: 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~~: a) o6 L& ~* _8 E" `+ 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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    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
    . H1 K3 R! E* {- r3 S+ j这个短稳长稳有出处嘛?4 v  L- v% t9 b# E
    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 P; R" j; n8 `. e6 ]3 U/ |
    1 j! t. D7 _( X" V3 d, _
    8 v& [- u/ e; G, ^  I. u
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图; q( m! l. p2 w$ `
    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
    13 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' r/ ?& M% q! U) \& Y8 f5 `2 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。6 J% h( g5 c% F2 q+ Z& Z
    他 ...
    - {6 l. M' V* D" Q7 O9 L5 M
    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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  • TA的每日心情
    开心
    11 小时前
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    [LV.Master]无

    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:482 f$ V3 m8 u( m1 k
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图5 h3 p3 [& y7 h, G
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    / `3 ^) o* ]' M* N) a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。$ l" ~4 F9 S) q" t" t0 t$ Y4 |
    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。) g, Z: z/ x1 ~

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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+ F8 w, b$ f. U3 m# n7 f
    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。
    2 }& W6 W! M) w8 S( A0 S冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    0 B9 Z, n8 M+ I% q7 {( K% `
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    0 u9 X% n% e( d5 x0 x1 t& P& 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7 O( U% `- {9 {) @
    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$ O2 }5 p8 ^" M5 @* ^; M3 |
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    0 I0 w1 m, `- z, l
    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 11:331 c' Q+ U7 y4 o# o; l' Q- ]
    可能高端的铯钟做的更好一些吧, U: e$ N. H2 c! 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9 M; d2 E5 t* F3 p4 O% x" Z
    时间基准据说 ...

    1 A; l1 z% C( W( L  ]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
    & Y8 h" S( m, x, u请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    + Y) @- t9 o- Y7 \& N- l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% R. l  ]* ~( W* A2 s. m
    ' K. z# d2 E/ Q! S3 N; Y* Y; Z7 \  Y
    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; T# c+ E" y( c& L- l2 S, q* 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 ...

    & ~$ ?; p# n' O# L8 F9 [4 F' q' g! f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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