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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 3 J8 a. I, z. e0 I. b4 h

    $ C5 i' H# Y- }- D; |$ A' r) K* [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。( F2 |2 B8 @  R: V

    ; d1 Y1 z* F+ @/ N' B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。
    / }* {. d& `7 Z4 }, _
    - L5 C% Z" @8 z6 d0 P  O个头、模样大致如此,二十六公斤。
    ( I6 D3 u, b1 }% \4 {; X8 h' {1 B* i( g! 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。
      y4 N1 ~  K( o7 v1 }& n6 E( G' i) A5 m
    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。1 ]9 g) p7 p/ `) P8 i2 }; t. I

    . o& e' [- d. i1 _( h+ q. h8 w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 m+ }4 Y" }2 M# i0 @+ D. ?

    1 _7 }& ~, o$ x. C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 {5 z2 j2 |3 V1 \1 c- O1 `8 U1 ~; R* 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!
    : g6 W/ C! U/ X: [7 y% _  y+ u
    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。
    9 |8 c, a( K6 |. C1 g& x" M' L. U& \1 M; m
    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。4 c. `; \) x6 A5 E6 P0 h

    9 o2 r# O# ]" d- b说些个大家可能百度不到的。4 b* O4 s5 t* N) K% n. \! R7 R

    # X: p9 U9 @1 q" n===前方高能===
    4 Z/ W" c3 @5 Z, ~  {: ], A) R+ [" c  l  E% o) J& J
    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" k' _, Z, b" T
      T! ^! d0 j# H. Y) s4 N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。
    7 {# ?" _- E5 |3 e/ D
    3 S+ ~- W, b" K' Q
    ) G0 I2 A( v' V% d惠普当年的铯钟,吊打全世界。, C: N, \5 u3 a9 g7 S
    ) d6 [. Z& N9 Z/ ?5 a0 k1 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!
    5 w" i0 k  [# v3 s5 F9 V4 P& J
    & _; c" o% X, m( o; E8 E6 W9 G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。  W3 E. X0 @9 Q# C

    / P& R6 d- M2 O, Q# 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。
    0 R5 g8 d7 \# J0 h4 o, r- f& B, U& t# D7 H3 l) h# c
    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。
      P6 I3 g- {# `  f% b
    . q$ ]& ?  o' @; P1986年,十的负十四次方。
    # ]) ?( {( Q6 n; {5 k
    - {  d- F3 \2 W* A3 y: @2003年,十的负十五次方。6 T! u( M" v& \" r$ S0 B7 Y2 |1 R( l
    0 M' P9 l% \8 P, l
    2017年,十的负十六次方。$ ]1 F# m! p# e
    7 |, X( o2 m6 U' 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。
    , {; g. z9 q% M' V* |5 T  _
    * u& h* A) V- w* G: P5 S。。。- |6 _$ A* v: u
    5 U( d6 }' a0 m) M; B9 X4 G

    ; Y7 e& U" L7 a8 E5 i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。, h1 S& E! Q2 H, J

      R# y3 P4 n( k% `8 n3 [7 d6 d0 e$ C  }9 M( p
    & d* K9 X" F& \- _1 Z4 D' B

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  • TA的每日心情
    开心
    18 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。
    5 {; ^& p0 K2 R, A# g( a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
    16 小时前
  • 签到天数: 3259 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
    昨天 11:14
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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 $ d9 K( L+ s3 s4 T
    * S3 a/ Q- g8 r8 t" B1 `7 t
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    2 a; M0 q  L$ y看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    - i, ?8 [" ^% Q3 ?7 l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
    21 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
    18 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
    * D9 b* _* D; |* @- s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
    9 }& R/ N2 Y' q- \' n: 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。
    1 h, x5 Y$ x0 K( r! H8 N, |他家的铯钟在基站上很常见。

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      发表于 2020-7-24 07:14

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    开心
    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 22:560 }, x, L( V8 `& M3 A; I! ^' b
    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。4 T7 d- e9 K+ F0 e9 T7 h
    他 ...
    ) F4 ~  O* _( ]0 q5 Z/ c8 v
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    9 \' [4 ~9 }2 G* c2 j0 k5 k4 h1 _5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    18 小时前
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    [LV.Master]无

    11#
    发表于 2020-7-25 22:56:14 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-25 13:35
    ) m! s4 c3 S) ?, w9 `, b0 v6 a4 w短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好  e# Q2 r( g) I5 w5 T# O- V
    5071A好像这两年不好买了
    4 `3 I6 p- g# @
    这个短稳长稳有出处嘛?& W8 x9 b9 u; T+ m1 H7 d7 j
    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  Q3 x3 U$ f0 n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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  • TA的每日心情
    开心
    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
    , O7 S6 M4 m2 o; t这个短稳长稳有出处嘛?
    1 i6 j6 D: V4 z  s2 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 ...

    7 r7 W' w3 [% @
    / E5 }# r8 F1 p( v5 ^% {% V8 B/ v6 \9 Q
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    # |+ R7 j" P; [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
    . F% S1 S9 A9 X" L1 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。
    : S& |: m* W: _# F他 ...

    9 ^9 ?: S6 J# B9 o0 l/ _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
    18 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( T8 T, _  B* Q4 U; p' V# c
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图/ H# U$ ^1 w) d# M3 Z
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    6 ~$ ], s" }+ U
    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。1 ^  e' `5 m& L: ^9 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。4 |- G' @- c; E! z# ^$ r

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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
    ; b6 w/ e! g; v  k7 O# x% 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。
    & ^" s2 A. Z. r3 v% c冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    5 _6 N8 m) l( K; S7 @, q6 q可能高端的铯钟做的更好一些吧1 V3 f' F' Y9 g' b  N7 K
    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( v0 l5 B! }: e- y0 `
    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. w5 D. V( y, j4 o
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    ) Z4 Y* c2 t; v: |3 \! N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
    ' o$ t$ u& P' g2 u9 Z可能高端的铯钟做的更好一些吧
    ; r- _, L$ \" s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
    ( h% p: |, p1 i1 N- r% Z3 S时间基准据说 ...
    # E8 b9 W6 i3 Q* V6 M, L0 G1 v
    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
      j" I  b  O7 O- M( s* t请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    ; u: u: G/ B! Y" p2 \) 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6 e2 {2 C# ?. O/ o2 V; \
    0 Q, q2 V3 H9 ^! z5 C4 C
    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% F7 g" U/ y1 u
    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 ...
    4 H* \+ X1 g& q" S! C9 Z  t6 w
    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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