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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
    ) X, [4 @4 p% j: N2 ^' c$ T
    1 w9 U2 h) @- Z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。2 \* p3 @1 h( B. m* @1 p, h
    / q$ C" O; h; z! |
    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。
    5 F! F& ?4 |$ q$ ?3 j6 E7 z: a+ C" ]; W0 D1 t! r
    个头、模样大致如此,二十六公斤。7 i2 {8 Z- O  l

    + n4 [- k( u) M9 U1 G9 n0 t, k3 f% T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。
    % s" P' N' F# m$ l& ^3 b! v2 U! i* M& z5 ^- O5 i5 B4 Z' Y
    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 M5 \8 F' q) {" m
    ; B9 y' Q" @: `( a0 E. H
    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?
    + ^4 o2 P; G2 B* X
    & V1 J% @# h6 H! f6 X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 R( |2 _# [" @
    - }" w0 J* Z% c  r" i
    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+ P# u2 S: ~' O5 Z/ I) g
    1 ~& |: d" L7 N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。/ n1 T0 u# J8 Z4 f# c
    4 {) c8 p" |. C9 }( ]2 @/ n( c
    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。/ X. s# X# Z% X
    # o' H+ T0 y3 l8 F3 t4 S* @! A
    说些个大家可能百度不到的。
    , V" m; F- P4 x7 K+ E7 c
    ( {+ m8 u1 Z4 d: r===前方高能===
    & ]; u8 g  i! S% x$ L7 |' b8 ?" F+ S3 g2 h1 c9 v
    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。" r3 ?% [; ]3 {; V3 E0 L, ^

    1 G9 p1 Q4 I' v/ T) w$ x6 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。+ S7 E3 o. c) M8 T
    / G, p" G* @! s5 v6 ~* C+ r2 i
    9 [, q$ D* D# ]5 m6 i
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。2 G9 O8 L% q2 E2 }. v& m) R
    ( M5 }. v% ~  B! I' O
    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!# u' b* z8 @4 i8 l6 B1 J8 l

    ! I" b8 l1 X3 V  t# L" ~. V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。. M  I0 M7 s- r" g
    : ]$ P: S6 l9 ~5 I
    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。+ `' E* w6 B8 T! ^6 g/ [/ b
    / D+ D. M/ a/ ?2 D, {
    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。' }4 K; W6 T4 M

    ( d/ J; E1 P. ?' F% D1986年,十的负十四次方。# D6 `! i( n6 k% k* v  g

    * j2 ]- }9 R$ T" p2 {* Y2003年,十的负十五次方。
    ' e$ W& C8 `7 H' o
    9 m2 e4 A# k; N. \1 }2017年,十的负十六次方。
    $ n. q/ o3 H" m  F& ~8 y
    6 M) Q, l. |2 L# M, n, u4 m6 m) V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。
      W4 ]' q! b" S
    - t7 N# o6 ?/ ^9 S。。。7 e, a7 J5 ]6 O( O: y

    / B2 B3 x$ S+ j
    2 R$ i, P1 Q; s( D8 P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。" U) e! `6 v( O- R, J/ _
    ( R7 Q' O0 A- b
    % T! Z9 j  o$ Z/ w& _  W% M( R

    ! d6 i  b! W" P) X! Z

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  • TA的每日心情
    开心
    10 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。
    ) F5 K: k) `1 {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
    昨天 06:45
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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
    2026-7-27 10:14
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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
    * Q6 x1 G9 |8 L/ v$ G* A* Q0 K
    6 F3 M1 Y( l3 H) j0 m群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);+ Q7 {. b  _* @$ h
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。% L# r' l9 r1 ^7 h3 U) x
    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
    18 小时前
  • 签到天数: 3898 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
    10 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 18:456 L4 ?6 \3 ?# z2 A4 ]; e7 \
    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

    3 j6 t  Y, w0 p8 G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。+ f- e) c; E% H, d4 E
    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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  • TA的每日心情
    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
      b* y8 Q) x6 H5 x/ `$ M* k8 i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。
    ' n8 n. \' c4 D5 F5 _他 ...

    & K3 f& _4 P  |! G4 \短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好& K2 q- D+ o7 p+ e/ s
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    10 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 13:359 m- p$ ]' ~6 m) [
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    % j6 |/ Q4 X6 M2 z( I5071A好像这两年不好买了

    * V' ]. `, U+ H3 s' z这个短稳长稳有出处嘛?
    3 p7 q  o6 e5 A7 z' G( T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~~- k( G4 H; W4 ^4 H/ d0 }: p
    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
    ; ^6 \" Q  c3 R* }+ _! A这个短稳长稳有出处嘛?; b9 C" |& h$ a/ r  n6 p* D
    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 ...

    6 A  {) @, m7 \0 W! o8 T' _8 U& v
    $ l5 z" T* d2 H8 P8 V
    9 `! J6 [/ F7 T6 t) T没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图) T- o$ |' o& e+ 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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    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
    8 小时前
  • 签到天数: 3862 天

    [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! y4 U& h: H' M; h4 t  k
    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。
    2 ]0 j1 o' ]+ s; X* f1 ]8 p1 h他 ...
    6 h8 L- D% v9 f3 U6 D3 ^3 K
    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
    10 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 12:48, q( p9 X/ i4 g( ^' |
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图7 P4 c# h3 H1 c
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    ) H) ?; p* K0 O. ?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。9 x# N4 j& p1 |6 ?4 K8 _3 q; c
    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。% D2 ?+ g0 c8 Y# Q: R8 f9 d" i1 m0 x

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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+ r( F' C+ L! G5 e
    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。
    4 F2 R/ G/ ~" D. D* `) ^0 q' I冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    : V; A, q3 K% i3 u
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    7 C6 }) n0 L3 I4 b7 I. X3 ?: a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
    , |- p' y+ \  }% m7 K9 n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
    & R3 p& P5 R# I' H# P3 X安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    5 {, \1 q) G* U9 I% 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
    2026-7-26 02:53
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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' u0 i6 ?7 N# W& Z8 N# ^. ~/ S& U$ e
    可能高端的铯钟做的更好一些吧3 `1 `: ]% a6 _9 y. R0 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& \5 a/ B' B5 l1 Q2 @: T5 B+ Y
    时间基准据说 ...
      t% V) B$ ?6 \6 X. o; ]) m& ~
    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" u5 h/ t0 I- R请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    % v8 q" N- e4 F1 a8 \2 V! v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9 X# _. i2 Y" O) S  `- p

    4 M1 ?2 w7 X; V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.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
    + [8 r# @9 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 ...
    - d) ~% O# S- `6 t) z
    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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