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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
    . u' Y. n) ]1 D9 ]2 B
    5 \5 @" t3 `3 H6 F) Q6 l' W! 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。
    0 Y: ~! [8 g! w) o/ b+ X% t, q
    9 p. h! {% P) ^8 E$ f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。
      O5 |$ H4 z3 {- _8 w, s7 G+ e$ K5 Z- q) s( U" F1 u! u
    个头、模样大致如此,二十六公斤。7 D$ l0 E3 [$ ^

    3 V! M+ Q1 T* r$ b9 d- m( }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。: C+ @1 ~$ A. t" ]1 H# ^  P

    7 v5 N* X* w+ s# ~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。
    / ]  Q) Z' R/ D! s
    , ?  ?0 p. z. _) H( z0 ^% \$ k5 B  Z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?
    9 M* A/ D0 H  _9 ^0 Y8 ]# m* V9 m0 {' {0 @1 }
    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。4 f% X7 a# |: R

    8 p! `/ ~( ?' O2 x  n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!
    7 T+ y! `' f* ]# K6 J. \- V' o+ X) w5 j2 _3 e
    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。+ T, g) [9 }+ J# a2 l" }
    & d  B9 ^: @3 t* Q% l2 w
    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。
    + P3 M) L/ F, I* @
    # P) q. T$ C) s8 n+ j% L5 J: B- h4 U说些个大家可能百度不到的。
    3 B: \1 p& m1 u' p
    $ ]5 Z, o9 V& @* n4 m. Q; N: V===前方高能===1 M( S2 J* {$ {5 ^

    1 r6 |7 [. m2 f4 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。
    ! Q0 |7 w+ W! j2 M
    # k8 Y5 {. M8 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。
    6 n* Q! z5 T1 p1 {+ t& x) P/ E9 s! ]& M. x

    : ]9 Z, G- l* C6 W% \4 t惠普当年的铯钟,吊打全世界。* C7 ^, ?/ [" J4 R& ]
    ; i7 _; Z' B9 i: b! [/ \, g) {
    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# H, y  }6 T
    1 ^  Y8 z* S6 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。. O* W, K8 q  [( X% V) t/ m

    - r, ?2 ]( i, s$ g2 R5 p" {+ I+ `& F; [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。
    4 U2 }- E$ y) d6 ]) w; b
    7 p1 I- R- y% H6 k0 r1981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。' m+ q# A3 J, @, Y! `5 e( B& T

    7 s( {: S4 n/ X7 k7 k1986年,十的负十四次方。( o+ O( t5 e& g! I0 Q" i( b
    % p  Q9 S; W! D
    2003年,十的负十五次方。
    + |) f/ q7 d2 g7 {  ~& u$ \+ O) E4 S4 T+ R
    2017年,十的负十六次方。
      L, T! o; F: J& T% n. _& Z2 ]  z2 H" P$ M
    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。$ {) ~( M7 s* n: k6 n

    ; ]2 [/ G. U  }5 Y! v( J1 j。。。; h: U+ ^) s* B
    ! V2 A1 A; m& s
    & @. F5 B5 d( E% 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。
    0 c% q* e8 j& y6 q/ p
    ! r3 k; C* j" c3 L4 q$ ]3 q: n
    : C1 e! U/ S. v: L+ s9 O/ h
    * }% ?7 t) _8 }. x0 T7 t( Z1 O

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  • TA的每日心情
    开心
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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。
    4 D( [+ t9 e- W7 p. N9 b5 v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 07:04
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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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    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
    2026-9-9 11:13
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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
    : ^; z& w3 b. u4 w9 V- M5 c; H' r2 h. A! H0 G. l& Z
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);) F( ^- V/ h$ R3 U+ w
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    % L& k' [; h& \; ~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
    半小时前
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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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    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:45
    2 I: ^  |$ O. E2 r: c7 e+ v2 T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

    1 D* G7 R$ F) {/ z& Q) h& P8 ?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 T2 @, X! U# S& m7 S, s
    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 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) a3 v9 z! d# [$ b, 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。5 Z; P* i4 R& }9 D+ h
    他 ...

    $ i; S5 ^" d- p3 l0 q4 v短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    " M: Z( ~% f1 `5071A好像这两年不好买了
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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
      ~5 l+ v+ X& Y, U; U短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好, _& O" `: J. T: D+ S& _$ B
    5071A好像这两年不好买了

    ) C& u! V" y! h2 R) _7 ^这个短稳长稳有出处嘛?; l) b- Q5 m9 k8 d  @5 ]
    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~~
    : s; ~) j; f) P, q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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    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/ R, u& A! f  k+ F8 ^/ O: E
    这个短稳长稳有出处嘛?) u' b- D& ]6 ^0 M# l  \$ V
    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 ...

    ) _' v; P# B- C; `  }7 l- a  J9 Y4 Y, k) E7 H! k2 b/ O* N
    2 f) H) _* w# r/ x! o
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图# F) X) k6 C3 n2 S1 y
    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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    [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+ N. V; g1 ?, X- q5 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。
    & Z1 V9 _6 n! m- R4 I& U他 ...
    - Y/ h) f' @/ ]7 Y- z
    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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    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:48
    ( [. m4 ]* o& A& B没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    ; E' s% i- D: i2 W8 [3 L7 J/ j这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    2 _9 v0 K" \9 G/ e5 v: 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。
    & W3 X! O& ~# a* s, O* m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。
    & \! y6 U5 o0 x1 Q* l

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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! ~+ |" U+ I3 H9 s5 ^, \  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。! ~+ O+ f. r" Z& O3 O% K( H4 R# }
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    " ]# c0 [* ?2 t: `2 V
    可能高端的铯钟做的更好一些吧. |# Y; G& k- 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, i  M( G* _. D" n5 E* K4 ]
    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
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    [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
    . K% d; a9 U- I" p0 V2 e安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    ( G* O! P5 c9 M& ]3 Z+ A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
    昨天 11:42
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    [LV.5]元婴

    17#
    发表于 2020-7-28 00:56:08 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-27 11:33
    & J  E  A4 ^9 D! A+ ?$ o9 Q可能高端的铯钟做的更好一些吧
    $ c( R, ~; P9 l3 u1 g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% _# n( B+ G5 f6 [2 t
    时间基准据说 ...
    # b. Q5 c% r8 v" e( e5 r- o! R, t
    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
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    [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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    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% E/ X, b% Z# _
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    9 \" U: o& f2 p4 B4 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2 Q  E) W$ [4 A* B' U

    4 T. F+ f3 b) [3 e! {4 u4 x; L" |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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    [LV.5]元婴

    20#
    发表于 2020-7-28 11:41:34 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-28 10:29
    * f+ u2 S4 ?- S  g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 ...
    % F* r: U$ N3 C- i1 D3 \
    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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