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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 X* v2 N7 s4 w+ t
    : U& n4 D" D) M0 K( X
    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。
    7 B: @: ^- o: o1 Q3 A
    . H% c4 t& B! m5 s% b5 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。
    ) c9 c% p' A& I5 b, o; x, U9 w1 {0 H; _& A7 ]
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    ! p5 N7 k. i" t/ v/ O& l
    1 |2 y( b! 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。* C+ x+ U: m1 s

    7 {$ n0 l# r, }' Z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。1 W( E/ s; E& A, V4 k
    4 D, z% b! J' D- j& e6 A
    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?2 e9 w4 Q+ d! O3 @" @9 A7 c

    ! Z6 s. n5 ?7 q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。# e0 p3 m; H: d  L# v
    5 Q6 [5 B3 I* E
    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!6 B, T+ d( Q4 ~1 L& G6 V0 W& S
    8 W/ f2 \) J$ N# @$ b& S6 K# n" p
    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。$ ^3 m, I7 G: v1 M( z
    - ^# [4 l! W# k9 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。
    : c  A! ]. d4 f$ c3 @# S. I# k
    ! p4 |- A- f3 ^+ Z说些个大家可能百度不到的。
    5 E; S& [) |1 G7 A. d: u5 Z2 d* A8 F- `/ x
    ===前方高能===  A# T1 u  S1 T' l( f, ^
    1 E; P( _. V8 n) L$ K5 z; }6 \
    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。
    6 @4 w9 @) R! U. Z5 d# _3 @* W
    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。
    1 U. `% O: z; B4 p, [
    / y1 q2 J3 p0 I! P  J6 V$ ?3 \' t' a
    2 _& N: B& U! [4 t" @& _9 O3 m惠普当年的铯钟,吊打全世界。3 _1 {. v* S6 q2 Z+ C2 K

    - U/ R' Z0 p& u. {% `5 }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!
    9 W" P9 ?8 l* E- Y) D! C6 d/ M' {9 P% q& r9 [) l3 n  D/ [
    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。
    , D5 `3 |( u: o- r8 ~# I  m0 M* ^* p& y8 z
    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 N3 C. t; l( e+ J6 U# o7 w( L% Q- @' h/ m) \
    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。
    ! _+ R( Y: L$ @; J- H. v+ Q  G
    1 y6 |3 k1 i8 s/ X1986年,十的负十四次方。) s0 q% V7 O; e) C0 B  b9 d
    # s' P# n- Z$ x! }, G, i
    2003年,十的负十五次方。7 H! W6 u2 _/ J) \0 M! u, l
    : G8 ?6 @2 j. y% {, W
    2017年,十的负十六次方。
    ) c6 `; U! N# B( T; v/ C6 @8 T1 y0 ?% i( ]
    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。
    + g7 Y/ z# ^2 z5 U  g- V; B* n& p5 s9 ~& R5 J) I; J" H
    。。。
    - g3 A3 f& Z) j9 J
    8 V, w; E! r4 d0 a( G# d$ k' h! i1 H' d4 ]2 ?5 t
    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。
    , H0 Q7 a) |3 y+ I5 ~' \6 z% M$ \9 q% y4 D- S% ~
    / X: F1 q& C& b# g$ L

    ' O3 L/ V4 V" ~# O$ e+ A, w

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  • TA的每日心情
    开心
    13 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。4 g' h# T& N' z. ~
    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
    怒
    12 小时前
  • 签到天数: 3370 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
    前天 09:58
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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
    1 |3 q- ], I4 T" B  O9 \; p6 T5 P* d) `
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    0 E. Q1 x' i4 f5 y看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    5 f! J, i" m1 N% C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
    17 小时前
  • 签到天数: 3959 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
    13 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  D( }# i# \2 r# b7 k) y
    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

    * u( X) g9 v2 y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。
    ( G* v1 z& S$ K3 p8 A( M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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    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
    ; p# e% ~  [& W. L/ U" M" 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。8 t2 r* P, Z/ [: m% B* ?1 b
    他 ...

    $ p* b/ a" ]" M8 Y( U7 z# _短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    ; m7 Z, Q% V& O4 L5071A好像这两年不好买了
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    开心
    13 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$ P' F- |0 P) \6 @. l+ O- C; r
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好5 v0 p* Z! T/ s9 R& O, D
    5071A好像这两年不好买了

    # Q1 u1 j. X4 @2 t/ F这个短稳长稳有出处嘛?5 |0 v2 p5 H9 q$ U3 Z% L
    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~~
    ; o9 m  r* b, R2 d# 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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  • TA的每日心情
    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
    # \7 O$ S. j1 F0 a这个短稳长稳有出处嘛?9 @5 \# q" ]" }5 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 ...

    " e) M( h% |& y, X1 Y, W5 \' |/ T) g% U- o
    ; o' a& J' b% Q8 ^7 w
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    2 b# X4 y0 ?5 L3 t) }! i9 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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    给力: 5.0 油墨: 5.0
    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
    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 22:56. M' B& l5 h) g1 F
    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。
      s9 I5 Y5 H* Q& L, |他 ...
    ( v, w  @3 y, \( x6 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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  • TA的每日心情
    开心
    13 小时前
  • 签到天数: 3482 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 12:485 Z" w2 b( r) _. ~
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    4 O3 T2 E' \. Q! H+ G4 _* V: {. j7 N- r这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    6 m6 l! \5 D/ e5 \' 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。/ [+ {* R+ ?6 {! h% m0 r
    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。
    6 A! w& ^' Z8 j- V3 O+ ~

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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
    & x& |2 `# E& K7 ~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 `! t! o% @$ c8 ]- G  o2 [冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    3 [+ T/ f) _/ }5 u可能高端的铯钟做的更好一些吧
    4 b1 c$ ~+ g- {. d  G0 h) }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, r0 B: k. G- Z% k2 J0 G6 \% w
    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
    + \8 b- b. g0 w/ I  r安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    ; v! i9 L. T3 e& F
    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
    3 天前
  • 签到天数: 36 天

    [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 11:338 t# O) Z& s* h" ^
    可能高端的铯钟做的更好一些吧0 X0 ~' |% j" 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( l& v& f) ~5 ]0 `. ?. V
    时间基准据说 ...

    ; o9 Q  x) z0 m" K6 w, B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
    : [5 q, k3 r6 ?: r/ ^' E请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    " k# n. u8 z9 ?6 w$ Z% w5 j; z) |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" P0 \' ^8 K- d( W5 f5 w! Y( q' [; l! P2 U
    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
    3 天前
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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% P  q/ L* |6 T5 k; e% 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 ...
    " `' ^) A+ k% F0 S. c+ T( ?% K
    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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