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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 W9 Q0 i  v1 m$ r
    ( x! ~6 C- t) g; X8 J# g
    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。
    $ `, r: r0 b2 k% n0 U5 C" X
      U+ X8 F) d! ~! N) p4 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。
    2 H, R: s: U3 f/ w( p) O
    ' N$ s4 ^8 C3 ?& m* R# w  a5 c个头、模样大致如此,二十六公斤。
    0 M2 d3 Y$ i% V/ I. Z6 @6 o( g
    ) w  g2 m* H5 A. {& R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。: Z0 u' p1 @7 J

    7 a1 W4 U" X% R( K; a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。
    5 w. H- e) ]* L6 G2 r$ ]' [+ V
    # K0 E, {8 F$ z! R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?+ j2 [0 r. ~) Z) Y

    , Z+ k6 x9 q9 i7 m/ L* y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。
    ; @. @$ p3 |  k* X+ s$ i7 T5 z* w# P' _2 N" G4 ]& [+ j0 A: Z
    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!$ S; b: p: B# J( o9 g" M
    0 m9 {: s% e0 b" Y
    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。) q2 M) j' l* J- t& B. X. M1 Y

    5 g/ \% U# ]9 Z# C1 g( \  \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。
    % i% g" o$ y, {* J
    + t; p1 J: E" K- ~3 y" v说些个大家可能百度不到的。
    & O/ [# H  R  `5 p, K. s1 d8 \8 S, [
    % F2 c1 @% N5 V" s===前方高能===
    ( v7 V/ C- d3 v( w% O2 B; {
    $ p9 _, Y$ r# E( n1 k" e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。" e9 t, y2 m/ y% a1 ~3 G
    , l. |6 q3 H% A( ^
    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。
    0 E1 ?$ t& m  v/ j
    4 h! N3 z* R5 h; |
    ! H: r4 O* A. p/ X. M惠普当年的铯钟,吊打全世界。  F9 u6 c2 y) A8 c& r
    - O" t: k9 @& d7 n" s
    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!/ v+ T$ X# w+ I
    $ p! k. {0 Z, J. r
    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。, j2 X. \- e; f' c/ ]4 L* L; Q
    + W3 c2 x! V1 l! o4 w
    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。
    " Y9 v8 X1 @/ ^/ _: M' _" @" G% b: D3 }! }" I4 }0 T3 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。
    1 ^; K5 {4 o/ H0 N
    % B! d$ O6 p5 P" _! P& m1986年,十的负十四次方。# W3 s' e) Z  H

    3 e! l" W0 a1 ?2003年,十的负十五次方。. q. [2 v4 \4 p9 p

    2 W1 ?0 {1 {. E/ r8 q' k2017年,十的负十六次方。  p$ y5 U7 O- z3 H8 j$ g3 C$ O
    % C" z! q3 j& o2 v6 |
    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。& s5 R+ [2 V! p; L: \- V

    ( m# `. V0 w# D。。。6 |% C9 Y5 X4 y  |" {" x  R  m

    " M* I& l' \- x* Y, |7 x$ D5 u2 G  n
    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。
    4 z/ r6 G) \4 b  Y
    # p7 \5 P0 k! L/ v3 J
    8 z6 B. S+ r  \( g  I# }& U" J+ Y
    . s3 x+ h2 d% C; Q. d) w. b# I

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  • TA的每日心情
    开心
    3 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。$ @) k- H. {/ W- r! s2 N
    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
    难过
    昨天 00:15
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    [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 09:31
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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 / K: @. q% I6 y. F7 ]$ G* A' E

    7 ^2 |( G. e/ M: p群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);5 @1 W8 b! p  M& e
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。( A" j* S! p8 @" e/ 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
    2 小时前
  • 签到天数: 3511 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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    开心
    3 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: C3 @8 u1 s) E  E
    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

    2 N" |' v! T( n* e! \' d1 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。
    ; s# G* N% V& V' h, a9 l% @3 N# l, x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 22:56' m# K8 ^- o1 ]4 G! c) B$ m
    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。3 X$ L' E6 X4 z9 {
    他 ...
    ! c5 G+ ]2 u) g* P
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好2 A1 S) D# P1 d$ }, S
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    3 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% k0 ?6 S7 Q( {% ^9 U* K
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好* A; ~  a% Y+ i. T2 s, j. s
    5071A好像这两年不好买了

    . ]+ e* }3 k- S: u1 `; F* t这个短稳长稳有出处嘛?) y" P% C2 r+ e1 D3 K7 ?! r: j! g
    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~~
    2 Q: W- N5 C4 E! A6 r* X, {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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    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
    * a8 y! ^9 x! e/ T, W  i这个短稳长稳有出处嘛?
    ) [7 J% S$ c2 H9 `2 ?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 ...

    " R' n0 g6 C% ~: Q' [8 `( S+ p8 H0 c. m+ x. ~3 b

    ) `& @8 B, G. D  E: Z4 M5 ~. _) A' A没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图- @2 ]4 z7 j' V6 X0 `, p7 B: S, U
    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
    3 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+ {. o8 [; G( r7 ~8 o5 l
    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。. ~( N0 E# T" \% q
    他 ...
    / M7 W$ L3 `' ~7 U! q3 {
    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
    3 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 12:480 a; {! Y; X* Q* X* V
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    ; \- A/ u- y, F7 b% s; W% U这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    # l$ B. `6 v1 ~* w5 h8 @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。% q) W* i: \' n
    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。- q/ i7 N) G. R- h" n

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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; ?  `  [$ A9 ^( }
    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 A" J, \/ d, ~/ e, F% y) N冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    1 l: L7 ^9 }: y) T( D+ R% ^+ `
    可能高端的铯钟做的更好一些吧; }0 A1 E% X! R" E% v7 X+ h3 ^
    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2 T% C4 Q! Q. A- P/ @/ A$ h
    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
    6 D4 A/ q3 M0 k. N2 q. b安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    ) _. a2 x. m( q* a; o; b
    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, [6 o/ x  Y8 I6 L* o
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    - O: X% O& n  G- T: x7 O& y5 G9 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% e9 }3 i' F( {9 z  J
    时间基准据说 ...

    + `* A) z: ]7 \. o4 h0 H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 00:56
    2 Q4 Y: T) U) t% M1 c3 y请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    % v; m/ X, I! ?" z" ~" e4 ~0 K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 X5 P2 ~5 o9 @3 z% R6 M

    + o% r4 A2 `3 ?; W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 10:292 Z; ^' g8 S* k: f3 a: S" f
    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 ...
      X. d( \& ?2 F# ~9 E4 P" ?
    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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