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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 6 z1 Q5 _. j: U- U$ t
    $ @0 z2 G8 L$ b! l7 U% k
    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。
    3 ]9 Q% ]% w7 Y! @) w1 D! k. Z% V/ q0 |3 d
    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。
    7 [8 m8 T3 e; h1 F* ~& k1 ~0 j$ D" n6 C# s5 P2 H! i
    个头、模样大致如此,二十六公斤。& s. s( k* E  L# L+ Z; ?% H1 L1 p
    ! w- W. e) Q1 o2 I9 _6 p6 p# 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。7 i& s: f, ]: [  _4 i7 {
    . c& n, r$ |* o" C. L" B
    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。
    ) Y4 d, m+ g" a" T6 {) M1 o! _! O1 V7 w* |, R
    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?/ B- k2 A: {( U

    0 B' {4 G5 y/ Y$ P7 r5 y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 F5 w! \5 R4 F* x5 S4 I
    : e' Z' \  H# F8 B5 ]8 N0 U# 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!' N1 T/ c6 w. K  W+ I

    : @$ _- ?9 q9 O, g3 c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。
    - M/ A% j& N4 a5 b& {* d/ x% G3 j3 u  @& O
    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。1 ~3 I' B3 x! I  S! r
    1 y. {" u- R, y! z2 @
    说些个大家可能百度不到的。
    & }" Y" W( p$ V1 N( ~
    / T4 s) {! e/ j===前方高能===
    8 d$ _2 F: S6 X5 ^: m8 D
    * y$ W8 X1 P5 y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。- i) P7 h4 n6 i9 Q9 T$ N
    9 h, b8 C- m7 j1 z3 L& h
    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。4 x) }/ B9 g! P9 ~; Y5 B- u4 O! i
    . B0 U! X6 q2 F$ K( Z. {/ X1 v9 w

    " P/ H% q& b4 f0 C) F) C惠普当年的铯钟,吊打全世界。; n) e7 n2 \6 Z2 K7 F/ E8 g6 g8 d; z
    0 p% c9 F5 K3 n8 i+ 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!
    ' Z& @2 Y  M0 _; T& `1 x8 g& _4 s
    ! G: [# O1 t' E! ]* k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。
    + p0 y0 n( H" t' Z" R
    " M- o5 z. ?) g: w, p# o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。* D$ E1 [: V3 [' ]0 }  V  |! P

    2 b( A( Q% y2 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。
    + ^" C+ ~& X4 Y7 U2 N1 j
    , k/ U6 p' W9 ^$ u5 t1986年,十的负十四次方。
    5 G. G3 w0 }$ U
    1 b$ {- t$ O4 B2003年,十的负十五次方。
      f& p8 ], x7 y# K* f9 d6 n4 D& |  e+ }; L0 _! r& O# }2 h
    2017年,十的负十六次方。* V) T& y/ z* |5 G  N
    1 f* v4 M" s; g. o% T  o6 S
    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。
    . J, W5 m( Q! A& I- x8 ]+ @4 `1 a& G' ?8 M+ q4 v/ W
    。。。
    : U5 w3 t; c, T& P+ x3 i7 O+ P
    2 @8 U' j% f0 @1 |. ~
    7 m9 E% P, i  C$ A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。
    9 @, F! F" T9 r+ O6 i8 h: k; W8 _* b, `9 b! Q! M6 [0 @
    0 q; q' p4 M- ?6 C% `& p
    4 a1 }# F4 |7 a$ s

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  • TA的每日心情
    开心
    7 小时前
  • 签到天数: 3428 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。
    2 f0 N2 y$ J3 c0 }$ I" d# u: ^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
    擦汗
    8 小时前
  • 签到天数: 3316 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
    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 . a, @4 Y, C# q2 L- n; [2 W
    : v( o3 @7 C& Z. j7 Z
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);$ G/ ^& ?% x$ H% a$ o( x
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    6 [; ?/ A% t5 c! P7 r* K3 I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
    14 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
    开心
    7 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 18:458 c; J' p/ d5 g, @$ y0 E" e
    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

    # n+ J  k0 X- V/ R4 b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 L$ k3 i* V$ ~3 g3 ?5 v& }
    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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    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. t7 |4 k6 C0 i( W! 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。8 }* L( G( r  w) t' v* R
    他 ...

    ( z) f: y$ m2 Y短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好2 e* M6 ]0 k+ `7 W
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    7 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& G- e( p- Y* t& a: V% E4 o
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    6 x0 W+ p0 j0 i& B, {. E0 `1 C5071A好像这两年不好买了

    ! y( n! A( @$ e1 }这个短稳长稳有出处嘛?
    ' b' g/ L! u# c% E9 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一半~~
    , h% M) {3 g: D( X% ^+ ?4 ?; m7 x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
    1 d2 [+ b- A1 ~* ~; T这个短稳长稳有出处嘛?
    : ]9 r5 c! y5 z+ F, ]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 ...

    0 I$ i& b* E7 P( g+ W- q+ h7 o5 \% P2 T! \6 E

    8 M8 i& O' |! Z# T0 A" S没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    ; T4 L6 ~' N3 [8 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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  • TA的每日心情
    慵懒
    14 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
    ; m4 t4 s7 \' S/ \" P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 |2 D8 j# s1 M2 i- q2 ]他 ...

    5 Z, L5 Y7 e4 Y9 E1 M. Y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
    7 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
    # P1 m% w! e/ w9 |3 q. K没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图& g6 Q( P4 n( I% n( R2 U
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    ( A5 \3 U" I. f. O' A; {, p' 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。0 C8 k1 D+ J' A2 o: L& e7 e. l1 A" e
    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。0 w; x/ Y7 G# Y, D: v6 g

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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+ i' ?* S7 ^& \
    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。5 ?& @4 l$ n5 }. I) }+ s
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    & |* f5 g! q9 s
    可能高端的铯钟做的更好一些吧' {5 U  n# C' i
    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& U3 A2 l4 @" V( I* D. g% a8 `
    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, W3 h2 R# d" t6 }" F
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    7 O  P/ w$ V8 u# i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
    12 小时前
  • 签到天数: 22 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
    5 |. N7 y2 y7 }4 c" p可能高端的铯钟做的更好一些吧/ z, B* A$ c" T1 p9 o
    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
    ! u- D1 E2 I/ _" z4 z: `时间基准据说 ...
    ' t# O) |- M7 z4 l) ^
    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" l5 h3 t: |* D# C请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    " j: w+ k6 O: X3 j$ k! l! W6 w
    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
    ; z+ R0 u  m/ z2 u* [5 r9 [; R1 D9 C& C( W5 x
    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
    12 小时前
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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/ V" O" V- h$ W5 @
    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 ...

    # o: k# M7 I# ?$ k) ?; 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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