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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 ' a% G* U  X, w+ p. K- a3 h
    % ]0 Q7 y- }; D9 _6 K+ C8 |* 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。- b3 q) K! ]' ]3 S6 r3 N  t+ M
    ( h& @9 f$ |( D3 a- z; T3 v
    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。9 u, {0 a- F" u: A
    " G0 ?" K1 y. @2 u* u
    个头、模样大致如此,二十六公斤。+ ~, V5 p$ h! |- X2 }

    ; h7 R% J' o; S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。. p( R! k8 ~& ^+ s1 {+ `% ?
    9 i& S6 q6 ~: G2 x) C' p% V4 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。
    / K4 b* `3 D3 O/ w4 m! T. n' ^2 Q' `
    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?
    " e. k& x: y. g8 b5 s) N" L6 I
    0 a0 g) Z0 ^5 T; B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 p$ C# Y4 Q' M2 ]6 Z( ^; e( L1 Q2 {6 U
    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!0 u) U& c/ P7 K4 v6 r7 {) G

    : p8 l% E& t6 g6 V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。
      Y9 M' s' h- F9 p. g2 s0 B. E% Y3 j9 P$ G. T
    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。
    ! W+ Z7 B/ h# y) j5 l4 S- ^+ h2 A. J8 r4 m. e
    说些个大家可能百度不到的。# q, O% s  B! K) c$ O: h

    ; ?  b6 B  M# \( C# ~===前方高能===  i; g% r2 z& R

    & N3 E/ o, l. o7 B% e' M2 r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。
      F+ O- u3 _4 j! W8 l' W: G
    6 J% d! _" A9 V& A5 h8 n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。! H+ t" r" s+ H7 J8 l$ h
      i3 }7 p' K( b6 I
    , T8 m  m  k0 R! [% l  i
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    * `  ~2 j3 p* Y& r. N7 T. m4 @
    . s6 o6 m+ C5 Z" Q) `& p1964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!) |( c4 C9 P* J. q8 v$ A9 s
    " R3 S1 D  m# `- h
    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。
    * O3 L, W( h) E% g
    : O; s  r$ c; F+ S7 b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 q2 @2 o# S4 Y( E% j$ I0 s

    0 X4 m% c5 U6 U/ R! a1 `  O1981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。
    ' \$ ^6 `( L4 K' X# N& q& a& h  U
    ! k& `. L4 ]1 }2 g1986年,十的负十四次方。
    3 P) N4 l# f, i$ ^( h$ C% |( p* v1 J0 X4 C7 c2 Q9 j
    2003年,十的负十五次方。
    8 }2 \; h" P5 s+ p* @* I1 v% E- N9 |% \( L* q7 A* R  I
    2017年,十的负十六次方。$ u$ x. y: X, d$ _1 H; k6 m8 W
    3 L5 \0 q9 R; V- f' 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。
    ( u/ F" a- m2 V: w2 R3 F- @5 \8 C  Z% s; o; \6 n. _* K& o% I2 x
    。。。/ k5 B4 U1 ?4 s7 B* S

    1 N* h5 w# T. b" z
    5 J1 t- f( A' f2 K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。
    - o! e2 s3 N8 p" J; p; F1 N  u
    5 N5 z# }/ Q& ~  }5 [+ R- f2 X8 @

    / `4 H4 {7 p# D; F. s+ M

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  • TA的每日心情
    开心
    8 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 c9 B) I2 ^$ d# B8 s- W$ @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

    8 小时前
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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
    7 天前
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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 U2 J  Z$ ?: R# \$ r" T- M
    # t7 N. E# U9 `/ c
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
      g( Q: g9 G( A  \- v5 v看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。' B; [9 E9 `9 ]- O/ n/ U5 ~
    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
    8 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
    8 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 18:457 u/ ~" X) [! k# W6 @& L
    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

      B/ x. q  x* i. s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。( U5 e: T7 m- f8 q3 E8 Z
    他家的铯钟在基站上很常见。

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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
    " [; z# b% [( r- B1 R* }  }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。
    5 b( k) F( U" ]: B& c; G他 ...

    ' y/ w6 q5 P; j/ f短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好) y2 R) z" R6 a4 x; T$ x0 N
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
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    8 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* ^, L% l* {8 ?9 j& h0 s
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好0 f/ [  p: s7 I
    5071A好像这两年不好买了
    + n" j. \! H7 o% u2 f% x5 N1 e
    这个短稳长稳有出处嘛?/ P/ Z  @  G" J/ u8 {
    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~~2 r+ i. e; U8 u" c, i/ u1 ^+ \
    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
    8 O) ^. _) p5 X4 M' P4 V这个短稳长稳有出处嘛?
    / t' k: E9 P( w5 W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 ...

    % k9 z7 n+ i* }* c$ ?+ Q1 E. }
    $ @+ g# n; x; r8 ]- v
    - w1 Q8 y% Q$ K没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图, X' K5 U: t) p( F1 l
    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
    6 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
    . k6 F5 L+ g+ ]( l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。
    # s; u1 s" @( U1 R他 ...

    - D' P) U  l7 d; ]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
    8 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, V# Q% T# c) z5 ?  T- \
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    ; x; ?6 n$ s# @$ W2 h4 r) v# ~* E这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    ( `$ Z, C6 a8 j
    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。' u9 R  t* P+ g: C; 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。
    ( k% w$ r3 {# Q

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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
    1 g. j/ r2 s( i% `+ g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 ?6 i7 @/ N# y$ x6 U
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    ( f" u7 L% a: N  c9 q% o
    可能高端的铯钟做的更好一些吧! u+ Y5 p6 ]0 v& A& ~2 q9 ^) {
    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 q( B$ T# S; l6 G2 ~; G/ k
    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 03:019 u; g+ w! _1 z; \" f) y
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

      V& e: h' L/ r# D8 v6 d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) U  B$ d0 {! `# q& V
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    5 _2 S! h% p* t. |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 \9 J& Q( h; x; u: O( R时间基准据说 ...

    . M' S+ f8 V" n& O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
    : m+ L0 k1 U% ?# N* U请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    # [) q/ G% e7 ~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
      W$ Q. t! J* @8 k6 U/ C8 ], A
    5 Q: Q# D3 j: x& o, j  H" A1 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
    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 10:29
    ' D/ \: F! B( M. j' X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 I$ x7 i$ u. U! F  ?. s# S) a
    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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