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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 6 q5 l: q8 V" `" |) [' @5 g
    ; t3 K3 Z4 {: Y! `
    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。
    - B# \0 t+ F% K  D
    ' W/ x* }+ ]1 p: q6 W# M. |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。
    + ~$ t/ v) z1 G# P$ f: v
    ' M6 [2 I: u( D; A8 T个头、模样大致如此,二十六公斤。
    : D, V! y  ~4 K+ k. v" X2 N. {
    5 G# K  f, i4 s/ _9 s; g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。
    : S6 O' z3 T3 `* b  N( j6 _) |$ C8 L  l& n3 N
    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。* D+ d( Z3 g+ l6 M1 a0 }" A- K2 e
    ' J% E8 I* E. g- @- E4 e/ x
    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?
    - k6 D6 O) v) S  @  O# q) c( O$ M
    % s6 h" C# U# f( {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  b" C  b3 U/ x6 K# U3 V2 h2 G" h  }# b' k0 i" |9 o2 p2 X+ h6 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!* f) m  C2 W/ a, Q% V; q1 t9 j1 G/ M
    $ @  u$ R5 l1 p1 X! z$ T
    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。/ L8 m* R! ], {  J* [
    , V5 r& ^1 G" Z; X! I+ @
    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。
    2 v. @" b+ Z: Q7 M- }; j, I
    5 u+ ~8 h- E1 k5 _: s5 j* a1 ]- n说些个大家可能百度不到的。. ~: I6 E. x* L# _+ g  B( Y" w+ l

    & t' @! g+ H! v3 ?, @8 o===前方高能===
    8 q. {8 X7 M2 e5 M  D. z8 h
    2 `$ Y8 D( 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。: v* b3 n. V# V! @( a% `

    ! k* L" X& Y- u# i" ~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。
    6 `# e/ m7 O9 B1 E. A
    & j% u( Z% D2 ~5 \, O
    0 y7 V5 J; [2 o0 U8 G* t惠普当年的铯钟,吊打全世界。# y, m' N/ o4 H/ m0 B

    0 i; O6 L3 X( n! ^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!" W5 Z, r3 m: l2 a& S2 |
    - K: Y3 T6 D# y( @2 T
    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。3 C' P$ b* c0 v, L# E# o
    - O3 c# I2 ?' G5 Z: h7 |
    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。
    % B- \# G% Z- O! c' w3 j7 C. F$ u1 e2 H8 L! H
    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。& t6 ^. W/ W& W" G1 I) O

    3 H3 Q1 _8 o2 H& R7 p0 e9 g1986年,十的负十四次方。
    2 {, `' t4 B. D: {. Y) ]! I! V4 z( S: V/ A' _* L+ f
    2003年,十的负十五次方。# y, U# Z0 m  L. z+ M1 K3 B, a
    1 M( h2 d3 o$ O  Y4 g+ E' f& Z
    2017年,十的负十六次方。
    6 ?9 Z+ ?1 ?- t2 U8 c& U' t# _5 L, E8 p; c9 ?% W) W5 W
    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  r# u' p+ b' s- [; G$ ^
    , r; t5 R  ~. c% E' @* N- o( e。。。
    8 F+ z& Y2 i% k. H! V2 W: H: \, C3 V# S0 Y% l& E& g8 |) U
    5 o6 s" W+ T2 i, C
    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。
    # x7 C- C, e% Z# p$ M# n2 N4 v, N. ]5 S% A" N8 g

    6 |' v8 @# j) [% q
    : F1 \! |  Y7 l+ [* f

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  • TA的每日心情
    开心
    22 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。
    ; f& b7 L* w" L+ ^! a! t/ m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
    无聊
    22 小时前
  • 签到天数: 2563 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
    2024-3-24 17:30
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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
    % D0 P2 ]  r: f
    9 H9 u8 x( [* P) r; [2 F群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);0 I% _( |0 b" J; e3 U8 a
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。3 o0 Z- C7 e& Z& p
    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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    22 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
    ( d! d  n. Z/ s0 V+ o: ?! V1 {  O* _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

    # K- ?4 B, N# A: d2 e8 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。
    ) C0 k5 p( p; }2 j- Q# Y( k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! N3 |; R7 E! C  ]
    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。; j* x. x( F) y, L1 r
    他 ...

    3 b4 Q# \; G0 r# m7 q短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    . [, t& P/ ^* U" i. K/ H5071A好像这两年不好买了
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    22 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' M0 b% L" j, h' m7 u
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    ) n* f- {# X' d& C. O1 K. X* Z5071A好像这两年不好买了

    & I4 |" y; u# I这个短稳长稳有出处嘛?6 k: F7 y  `$ M1 Q
    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~~
    3 L: n1 E; l) \7 l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 22:567 M8 ^, ?/ N2 q9 z9 A) v- e* f, v
    这个短稳长稳有出处嘛?
    ; _+ T3 ~- }4 y* I. h$ O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 H3 V( X! _$ b. o5 k0 [9 b$ G9 I% c! b: l( Q$ v
    ; F2 }3 p  z# r
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    9 e9 P% Y2 ^. U5 i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
    慵懒
    22 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
    ( C1 j6 Q  T/ U8 k9 T& 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。; Q- ?3 W, Z& f; |% T
    他 ...
    & T4 r6 q0 t/ R4 X$ i* l* g/ u1 b
    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
    22 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
      l3 P/ y4 H0 _& ~没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图7 H3 s$ ?: J( u/ {; i
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    4 D. h1 ^& t7 c; V7 w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。  f0 s9 _4 i- r# ~
    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。
    * S0 _& U6 ~0 i1 m8 M& L+ Y5 R* l! T

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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
    ( \: O; _1 F3 h0 B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  P; X& ]# [, f* O! R冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    2 o- x2 O. C2 Q1 M' ~0 e/ |( v可能高端的铯钟做的更好一些吧6 a! D: ]4 `% W# H
    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
    % K, N+ D/ l+ x% R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
    7 @4 s  G% W! x! O" w4 m安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    . T+ u/ m; [* T" @
    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
    & X3 y( i3 v. p/ Y7 R1 c可能高端的铯钟做的更好一些吧
    5 }* e7 M- z9 C+ S/ ?2 N2 c' ?+ f: {$ _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( U' h3 h* N* s- |! g+ |
    时间基准据说 ...

    3 j% {4 ^! R& t8 {. [  q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 00:567 j5 v2 n6 p4 }1 P% H4 C, f
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    + B% U  T( [& K6 j7 C
    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 e% n/ N+ Y7 q' ^$ a5 G; ^$ K% T/ ?
    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 10:29
    5 f' z7 [, s) J5 H' j+ i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 ...
    5 ~* j' }4 z( F5 J5 |; T( V
    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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