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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
    ! r! C  u3 t& h, K: P; T# A4 U
    + Y" \0 K$ h3 ?( ^$ U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。' T0 j# J& L' \

    * y" m. b: M: Y- 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。
    " K+ ]' ^" s" D2 O. e5 J! L: i+ B  [, j+ C( Y
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    / ]+ {( t+ ^) S) w
    ' w" i5 L+ r9 `; O/ a4 a9 H% m! g. n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。
    0 R/ Q, \1 ]1 A/ K/ e
    , |9 C% @( M$ t2 N8 g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。
    0 \* o3 I0 @4 O9 {/ n( l% T
    8 H' q0 |( h- p# 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?; r* n9 l2 A; R+ Y2 y' E, p
    , E* p1 g- W' ~, z
    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 c) X8 E5 ^- R
    , |, a) K# T, R% Z1 U2 z/ ?/ n2 L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!9 C" {# h0 j0 E% G+ u
    6 x' Z7 x6 }7 h6 U4 F5 y
    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。! `6 P: Z# V  j
    , B( a- T2 x5 M
    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。
    " K1 k" r3 d1 p: s5 F
    * U  @/ Y& D# C, R9 }/ q说些个大家可能百度不到的。% }4 o- P% I6 f8 }

    ; b- L' h- Q/ y% h4 ]- }===前方高能===
    ' l' c+ V0 A, `. p
    8 P: I/ Q3 d9 _0 w, c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。
    ; q9 h0 K% B; C0 }) [: H$ V; F1 X% a" O5 [: n/ [$ w' a1 x
    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。
    ' N5 V1 F# v/ \; ^6 T6 k
    / U' C( O6 ^' ]. G4 P: W6 _
    8 L) i1 N, ?) t1 b/ _( I惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    / m) }/ G4 x* O: E7 h% l# U1 I4 C% a
    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!# l* b2 ?' X5 p# l
    ' L' q7 U6 |) p2 @3 K0 C) O) v1 r' 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。$ E4 ?) s0 d8 a' J) ~
    * A$ k7 G, p4 {5 }$ w, y! F
    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。
    3 R! L: y, L- w6 p6 u! r0 E# _
    . G4 E' U5 b" z& n! X! [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。
      \# g% U( }/ d, e* [, r$ |1 ]( J) H6 o: O2 A
    1986年,十的负十四次方。
    0 [4 z. H: }1 f3 b3 s( d" ^% ]5 W: ~
    2003年,十的负十五次方。
    # x! b. Y, H. J  h: v( y7 f6 b
    1 c  M9 s& j3 @2017年,十的负十六次方。2 O; C9 C( |7 Q9 G2 D% Z
    3 n/ |8 O4 ^' ~1 z' b4 ?/ D+ \  a
    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。
    7 w1 Q' U" e9 G9 }; {  ~( O$ G* L* J4 Y% c3 B: S0 _) q0 j
    。。。
    / Q9 {- P/ w. l. i( U! ~8 V% C9 B1 j- {) z5 H

    6 H' x4 a: p  @; U" Y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。
    8 Y5 z9 j5 Z2 O8 a, A8 m2 T
    / Q+ \8 q% ^% A  y9 C6 y9 D4 q4 p6 q: C  J3 y- z. z

    2 _3 z( z! j7 x

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  • TA的每日心情
    开心
    5 小时前
  • 签到天数: 3241 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。
    4 B  R; V" A5 x; o4 S7 ^: \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

    昨天 09:10
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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
    2026-1-6 11:37
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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 ' x9 c# k4 [6 H% t; `7 \2 y
    " t/ ^* K' Y& d, J  V8 c" g
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    ! n5 ~) n/ e7 G( H; D) L看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。; C: c# [- ^& k4 l7 G8 q
    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
    5 小时前
  • 签到天数: 3701 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
    5 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
    + Y" S6 Q  E- z  m& X% B) K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

    * F4 [7 [9 S- ?/ ?" }" I$ Z5 i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。
    4 l, D, N( J, 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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    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- N- m, W7 T6 `3 R! c
    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。
    - B' M# o4 U$ r  `% e! r1 t6 I他 ...
    7 v3 L( J' ^3 U* c; w) g! f
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好3 @$ p$ h" \* E! p, a
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    5 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, k, |5 t+ R& o' ~  I) m& v3 g  L
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好- S0 W. ]4 m  J4 {5 k4 ?+ ~
    5071A好像这两年不好买了
    1 [0 a/ \! F& j$ U# V# Q
    这个短稳长稳有出处嘛?# \# e& l6 }3 s8 ^, Q5 Y
    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~~! d5 Z. W* G$ E' t* G  u4 ]
    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
    ' f- M. l7 s$ i' `# ?# h这个短稳长稳有出处嘛?) q1 W; ^2 X' e) [
    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 U2 G! @/ M) |* O  V- ]# l* U9 B6 n! e* e% p

    6 I3 w  p) q, x+ f没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图0 J  X& v1 x6 G
    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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    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
    5 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
      {/ N  c; ]* f" ?$ h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。6 h8 l6 `6 [8 {1 m1 i& o
    他 ...
    4 X1 K- C1 Y  N9 Q" \" g- X5 m% r: e
    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
    5 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 12:485 ~  ~- u+ \0 @! P) Z* _
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图. K0 _5 U% \0 e. [
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    # ~6 F0 O3 D- N* q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。
    / J; `0 u2 g9 k6 q, f( F( w, m5 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。2 g% `  I+ H* {; k/ m

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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
    $ H( a% h/ r. t. E3 B& f+ P9 U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。6 |# q6 Y; o  Z
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    ' p/ p3 n1 P5 w, s9 n1 m* i2 M' |$ g3 Z1 n
    可能高端的铯钟做的更好一些吧% l1 n& d7 r' l. `- T/ 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- ]- o- f! R2 O3 _$ `1 W  T9 n' h6 F
    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 03:016 g: S  D" h8 H
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    : z3 d" `, O: F. P9 \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& Z6 R' P  V; B  Q5 r+ |2 P8 o+ A% q
    可能高端的铯钟做的更好一些吧' @) m5 i$ q+ M0 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
    4 I# n" J1 g5 d7 q4 ~5 |  a时间基准据说 ...
    + H1 H$ P5 y7 j/ f3 n
    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+ s; p& o) n2 l2 S8 r9 C
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    # e: R+ `; i. D9 q2 ?
    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
    , V- h$ D& N) c0 b$ V+ T- r4 L6 u7 ?7 p
    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, n6 ^2 }" j  ]5 B% S+ Y, D
    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 ...
    : X; \6 N( @7 W9 {$ i6 _
    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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