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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
    : p! c, s& t6 ~' o) E  y+ q; [6 g7 E$ j8 r9 E3 x, F7 `
    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。8 Z- ^4 K7 G. n" D- I

    ; S4 U. {- }; J/ B- X2 Y) l: `7 q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。4 W) F4 o3 E2 X9 g5 ?2 o" i
    + P- V* F' F" Z! u' {
    个头、模样大致如此,二十六公斤。1 U6 s& B* \  Z% M7 F5 U" v
      P( l# M9 ~& e9 ~% o, f$ t. R) T& G
    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。
    2 K( B: \6 l/ f# f
    ) @! z; |/ j! p; Z& E- G3 s$ L4 K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。
    ) {  w8 v7 A# `# ~/ a5 c8 ?- o! l, }; Y; V0 |
    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?
    ! V, G3 P# G% ~  S5 g! R; |% m, V3 R* W! @2 \) o/ j( j5 H
    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。
    7 F  P1 [9 f; z" ?6 M6 X4 a- M5 z+ I3 {2 b
    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 B3 m7 u% C2 B; `( r! d
    7 H5 o- E5 T  R6 p/ d* k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。
    1 |0 K7 v* }) E$ \$ p0 [5 M4 t8 \# m+ X" p" x
    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。
      U) A5 y) X2 q5 i# [# ]4 j
    7 u9 L: _  Y9 ]& J+ N" `+ S说些个大家可能百度不到的。
    $ c6 B) g) T7 X) P5 O
    * Y3 e9 d% A, N) ?& L/ l===前方高能===
    3 U0 P) H  Z1 V6 o* R) I" V# e1 p% F5 ?' Q$ u4 I. 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。
    0 n+ Q% `$ t) \5 b5 m$ n/ F# }' |
    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 @) |0 w6 Z5 a- i( @2 N+ [: n
    2 e& v& s/ k& D- G; @  c% j. _  g
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。. q* F6 m% H6 I
    2 Z6 H5 p4 \* h1 @( x
    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!
    $ T" w. a- s7 n. z/ M3 w( [" O/ d  ^5 o( q# w
    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。
      _, @  I3 H; j
      F0 e6 I: L- G. }4 f! {! R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。
    ! [! ?9 d! U$ [( }9 r8 q. [  w1 o0 [9 o# J1 k
    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。
    ' D1 I( Z+ y' `, J6 H! i* D& G( [6 O$ L' G
    1986年,十的负十四次方。
    8 k2 u6 Z1 n2 T: r$ m" d. _  a! P! j- E1 X6 ]9 U9 q
    2003年,十的负十五次方。& h- o7 U" E. p2 J7 m3 q- A" A6 ^9 ~

    & ]; O$ o  I" m* a* j2017年,十的负十六次方。" Q6 Q' y4 C/ P; E( [
    7 y7 W* b7 K  z- z+ `: Q
    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。. c  E9 K6 j* q: G: f! d

    . j# [* c/ h" Y& D。。。
    : O  q; _" `. d! w: c
    5 Y# `3 C! Y- v  Z* J" E: X( F! Z3 \/ t7 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。
    1 c7 ^* n4 ]% [6 Y
    9 n2 @: {  H* Y# K" U( D! N: ~' d* Q: b# F3 w% [6 R+ [# Z

    % s' v8 c+ |3 l3 V- Y

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  • TA的每日心情
    难过
    17 小时前
  • 签到天数: 3120 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。& T; ~2 e- U( A1 z7 S/ x% M/ 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
    慵懒
    12 小时前
  • 签到天数: 3044 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
    给力: 5 涨姿势: 5
      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
    2025-9-10 11:12
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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 6 [9 C3 Z# T; a2 S9 w

    4 p/ s' k0 S0 c/ c/ b群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    6 \3 Q' s  P6 W' P. x看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。7 o. k& l; c) r
    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
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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
    难过
    17 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# ~, I- }. J1 p/ T5 _% I! 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
    * t' H: H. K" F, ^  u: 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 O5 j2 L; l( r4 k! z7 c) X! M% z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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    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
    $ b1 V: C2 [+ e4 @. 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。
    7 C# O8 i5 n3 |  r/ `2 J( q! r他 ...
    0 u% @0 J& \% G* s6 P
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    0 P$ {+ Y* v7 g7 F9 B" l5071A好像这两年不好买了
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    17 小时前
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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
    3 R3 S3 U! l$ u短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    , j% w$ z4 u3 j/ }8 B2 Y  r5071A好像这两年不好买了

    5 [: _2 U8 ?# u这个短稳长稳有出处嘛?7 C  W! A8 A6 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一半~~
    % R6 t7 ?. y2 g  U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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    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 22:562 u7 M& [5 ^* Q) @' Z3 z) e( T6 ?
    这个短稳长稳有出处嘛?1 Z  W  `5 `6 P! 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 ...

    / N' n' \0 H3 B% n% o7 M* f8 i$ ~6 `6 a/ W
    ' z% V9 K" P$ k  r
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图4 v% `# v* F- C6 z
    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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    慵懒
    17 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, ]2 c+ `) }% Q8 d' ^! Z
    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。' R2 k8 e( N, `# ~5 y
    他 ...

    ) \0 p1 D8 x% S5 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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    难过
    17 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
    1 q5 B7 P' ?8 y/ G  g8 x没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    , C! m4 z1 s: N/ T/ v% n这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    + y' {( s1 L3 w0 Z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 b7 [) t& b  N# B: T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。3 Y' s% y! S$ z2 d. {

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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: e. o: `* \: P/ x4 g5 k, p
    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. ~* V. N9 w, _5 X
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    * W7 v5 q$ I1 `0 [- p: m) w: y* [可能高端的铯钟做的更好一些吧
    * {" N, ]- Q4 ?* s9 g' B; 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
    ; ^2 }  G6 G- {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
      W; v. S- x2 N: G安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    ! b$ l) d. ?! t  r# w( W5 o0 }& `: u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
    ( @4 e5 y3 {0 P: n可能高端的铯钟做的更好一些吧
    2 r6 v' V( O7 O& i  V7 @% L. E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# Y! x6 o% \9 ]: n. f0 E
    时间基准据说 ...

    9 {! S3 o- @. D& _4 d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
    6 |! J- G) R' c0 w* Q7 M请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    " n" ]( v. r4 O. {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" O$ q% G* F5 H$ ^" D7 G  T( h/ x( p( b

      k: M5 Y, m2 R# m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
  • 签到天数: 17 天

    [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
    . A, W3 v+ y( s$ U5 m# R+ e. H7 H! |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 ...
    * ]& U. J3 o2 l& L0 E9 N
    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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