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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
    4 J. I3 L' g7 T; t5 n% p  ]) ]; m4 R, @# x, ~3 B( A3 D. 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。
    9 h5 g3 k7 T1 i% }. G* J7 \, t2 A* p  m. I4 `
    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。! P- e, D1 g, i" V5 s4 t+ t& @# W
    6 `! @" H4 X7 O7 D* Y" m) |
    个头、模样大致如此,二十六公斤。4 }' V  |, t9 L/ v
    + Z! V4 H) ?7 Y6 l: J+ T5 P% ?1 \# ^
    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。  G' d( f. g7 f/ U+ s! B6 k
    + G6 t8 \( R$ D$ x7 ^2 w! T
    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。! w; m2 V) r7 Z4 B8 j5 [" ?9 B

    * b8 S. W" r* F; O- Z1 t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?
    / u6 u! M0 a% t
    ( h. H; J5 i7 t! J* |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。/ ^  o7 t5 T1 U' K! C, ~
    ( g. v6 ^& n# h# D, ]
    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!8 }4 }  B+ B  M1 z6 f; L/ H

    # X5 C; H- T) c: d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。
    + J6 |- O! F7 R# ^- G: b
    $ p  X5 J6 ]8 w2 H. J* {+ S7 [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。
    * m- z0 x+ e( |5 A3 K
    / d; [. k. I- ^7 G6 p9 \: l说些个大家可能百度不到的。( s0 r: t$ ~! @* {; `$ g
    2 t9 u4 a/ h: M: I' X
    ===前方高能===- h7 b0 s) j: Y6 h  B& T+ D4 V' z% \

    5 T: O! ]7 F7 V; f8 q0 o) [# t2 L. 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。/ S7 r3 x. H9 i! V

    - ]. c' S& [! k$ D' ~3 W6 E! u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。8 e( |8 Y! D) Y6 c" j% e9 g

    $ x& g! P7 J! n. F: x( w& f: i, [( D, d9 Q4 \
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    " K) {, Y2 G: v( v) C; @  j9 |1 d8 ^% b2 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!+ a3 }" C# H- V: E" Y
    5 N, c  K7 n+ l' [& V7 z9 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。# B" u7 e% i% q" ?2 |9 o3 F
    ' N+ y4 ^1 }; K0 n. e, |% m
    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。
    2 p$ c) P- ^* h& U4 L5 |7 T& H9 c1 O: Z# \# B
    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。
    % Z, a" Q, [7 A4 \, S$ g- e: t
    # Q+ t* k7 T9 _" P# u; b1986年,十的负十四次方。
    6 p6 F, Q6 O4 a" }/ C1 i( g/ Z( I% X
    4 M  _( S' G$ L' Y) }2003年,十的负十五次方。
    9 t: Y/ c# ]: F5 ~- S
    ; n0 k7 k7 R* J2017年,十的负十六次方。; ]+ M6 V. U' v* J( V4 E- W/ y
    & B9 l+ v% s1 j( \
    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。/ ~0 W3 P* V  o
    . l. l0 m% @% F  R, j3 q0 ^% J# M
    。。。
    2 u- L4 C  `4 F  a4 H( P" ^: U8 q8 p0 m' p5 e# A4 b5 r
    . t# H) w& U+ e8 v1 M
    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。
    6 Y. L  k1 t& q$ L2 U! a/ I
    2 I6 M) ~, n0 o. @' G* w* S) y1 s/ b* ?) J$ I1 _7 d
    # U$ }6 s- f" @; w# l+ O

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  • TA的每日心情
    开心
    16 小时前
  • 签到天数: 3369 天

    [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。! l; H: M, ~; P+ n$ J
    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
    13 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
    * k% r, i( B0 u: B
    ! h+ F, t& n; F群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    ! h+ z, B4 \; \! I看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。. S( f: C/ o: y9 Z; y  `
    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: 3836 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
    16 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
    7 \/ ^# H( @( {4 n6 H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

    4 q. G6 R1 a$ |. r% 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。
    0 i6 C3 q% o9 z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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    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 22:569 t) L3 N8 F3 ^
    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( r% A& A+ V" o0 Q
    他 ...

    + ~9 V! r7 I- S- A+ m0 i- Q短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    , B3 B0 ?6 n, ~. ~& ~3 y5071A好像这两年不好买了
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    开心
    16 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+ }% N! i  f1 Q; Q. p* v4 Z
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
      {- N; G) U) H* C5071A好像这两年不好买了

    # A2 ^- |- r% C5 v这个短稳长稳有出处嘛?. {# {! e4 }* d6 A# Y/ 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~~! Q3 R& Q4 c/ b; y' n  E
    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
    3 L" N+ M* V/ V  j7 q6 z这个短稳长稳有出处嘛?8 z+ V8 R/ q) }" y' \' \6 K4 ~
    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 ...
    8 X- P* V' r. b7 q, T6 K" i4 j

    & x) F5 l; f9 ^$ I
    / ?. {: m- n6 F4 B' J没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    % L2 c1 R* A" A6 `1 R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
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      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
    19 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 22:568 ]+ G3 E$ d% F+ N
    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。/ T7 Q! t' r, ]8 l0 {
    他 ...

    2 E! Y- L  x4 ]; i  g  a3 h. ^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
    16 小时前
  • 签到天数: 3369 天

    [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( O/ N, e( J0 v1 {9 n. g
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    6 N7 G/ S. N. x% k这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    1 Q  T9 u% m! T7 Z* `% |6 t( 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。
    + z3 ]: i: K& o" P" s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。
    % m  R# _1 i% B8 `

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      发表于 2020-7-27 04:47
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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

    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
    , Y$ D" \# y0 ]/ o/ c2 c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。& `. e& s8 W3 J! r6 e# z7 v- y
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    & \, Z9 p) J9 x! J" @, |8 J$ j" Y可能高端的铯钟做的更好一些吧
    2 j! u4 H: A- f) U# 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
    ( S4 `/ x) _1 E1 i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
    / |4 m$ }/ Z; {1 G4 }& e- _安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    4 S! n/ `# V5 ?) \. A( {7 N7 m  \
    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; n5 w% A1 Y, G) @8 T& }  {
    可能高端的铯钟做的更好一些吧7 X: ^( e, F0 E- v3 x" l
    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
    % J- r* q- u  y+ l时间基准据说 ...

    / [0 h) v, `' E/ 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
  • 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 00:564 Y9 A0 ]# J+ W
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    0 J- W0 G- i' }  A) y
    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 a: b: n3 C
    8 |1 j" G& v! b" J5 x! j" I" p3 e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 10:294 [, H& v( R: l1 t' A  m
    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 ...
    ( ^/ ?6 j) J+ {+ a% Y1 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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