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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
    0 N5 [$ Q9 P; Q5 h  A8 s, Q5 `
    - j$ ^! Z6 m/ v! @3 n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 e! y) o- Q( o( q+ U0 m/ K

    : ~5 |3 l! J! V0 O" L1 Y" R2 q5 ?) c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。8 q/ A0 _0 f9 A" Y+ |! s6 q) X
    0 d/ f4 d# G$ m6 Z
    个头、模样大致如此,二十六公斤。  ^2 h6 H% F6 M- t0 U7 o

    ) H1 h" |( {* Q, L1 ^  `5 y" x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。
    8 l+ l* i- I1 N* }- L* p: F, I. `5 \8 K( X8 X
    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。, S+ W6 d- j6 Q* d3 l6 U

    : N' ?* l. b9 }% L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?* [9 `, @8 [4 n7 F% `
    6 r3 j" s* Q/ ~3 @# x$ k7 D
    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。
    ; @9 C0 L3 h: ?/ f8 q3 y" n  C* B
    , T- j$ B8 I$ _' L/ L% G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 H( f" e1 m6 Z
    ! U* n" @, H. A. f! j
    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。
      ?9 @5 R" b% }7 q' u7 N/ d! B& y9 d. ?" c5 w4 e. L/ Y( b" e+ z$ D
    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。9 C3 E9 Y9 m( @: k7 ]& i
    , b" m2 L2 j- k
    说些个大家可能百度不到的。
    # x# n7 I/ A5 _: v# ?' L- Y1 ]3 [  f% B- }$ K+ C
    ===前方高能===
    5 i# r7 O8 g9 \+ v  f2 j! g. z0 w4 d
    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。
    9 Q7 @' C2 E& T# i, d
    , ?- ]4 t, g3 X. _* B" ~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。) P& i! G- X9 C# }, ?2 S) {

    7 i: L4 `4 X6 E4 D1 M* D" g+ }+ f- c4 r; V% U: t
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。% h$ l% d  x- N4 E6 k/ F
    - u/ n7 R3 x) M) L
    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!5 ]: j6 {& ~# L/ }: t' R4 c4 z
    ( f  x; i! K9 }; Q5 ~! O
    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。
    " r( V6 s5 y; L: u8 `9 j7 l+ U& }2 B7 \* _
    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。/ W5 g3 Q  `& q6 r) S( q9 k

    ) q) c1 y4 S' n/ ~; m1981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。
    ' c2 g$ |8 g4 ~( K, i# L* C) g# f. a: ?  K, ]/ X3 Y+ O4 f
    1986年,十的负十四次方。$ ]' ]- m' }7 U& I* ^0 E* p
    7 e  |- R4 W' a$ g: d2 y2 o( i
    2003年,十的负十五次方。
    9 Y, V3 k1 T( {8 I* x' f# f2 p, ~5 o8 n% m9 a
    2017年,十的负十六次方。6 y: F9 M  d- i: L) D* v

    ! E! v. j+ B! ~. T, P6 u" 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。, h2 Z# [8 T7 m% q/ F! `

    ( @5 B. P( O6 I# I" o4 U% Z。。。. O. d" G  h' [$ m# |

    ) A. b& r% h6 g" d, }5 L
    / U, P- u4 B9 j, \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。$ P2 \" r' h2 S# b; y3 G

      F' L. q) I; \& u6 G6 N6 R/ K; g' ^
    " X5 j+ X! y/ D6 L, m) s4 F

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  • TA的每日心情
    开心
    4 小时前
  • 签到天数: 3058 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。
    ; o, K- E- k1 P. G; M5 C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
    4 小时前
  • 签到天数: 2981 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
    4 天前
  • 签到天数: 619 天

    [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 ( d# y  r( q+ \  Q/ X/ F7 I, K

    ) o, A% ?% z/ y/ h群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);1 h/ p( }. @& l
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。& K2 L1 g7 W0 J$ M. y) \. d
    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
    9 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
    4 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 18:459 [* K- Z4 B8 D" F
    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
    : I6 G+ s6 f  N: W
    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 q! O8 Q1 t/ x$ `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
    , D7 m5 V3 l* y8 C2 n% e( q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。
    + C/ S0 F( V. Q6 S他 ...

    : J  a) k- H  z3 n: E& x短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    - d: ]5 T- I' j5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
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    4 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+ b% ?& ~( p1 W4 V! t
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    " i, N; b! v* t$ `5071A好像这两年不好买了

    ' Z* G' V8 G. @这个短稳长稳有出处嘛?
    % w6 a2 D. t- v) s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~~5 X, T8 B: D+ K9 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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    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 T8 t; d- \; M$ a& Z; K& X! [这个短稳长稳有出处嘛?
    ! b9 K" Z" M, U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 ...

    " b5 {- g7 k2 X: ~. Z
    3 f/ p: D* k" D3 b$ Q7 i" }" J; h2 n8 I% C1 O
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图, @- [- W7 p1 G8 \  \* o
    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
    10 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
    - c+ E1 l: I' J  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。3 g4 D0 d% W3 l8 M3 I9 t
    他 ...

    0 f, ^' J9 g9 q6 H  h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
    4 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 12:488 S1 H7 S7 @- c8 l4 t
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图' ^& t) y0 M% g# y: \
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    % X, K- L% c: t; z, @# R  N/ R# r: b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。
    : L2 Y  `1 @- M: L. Q8 F+ |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。
    9 A* l: o: G  B$ S

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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 03:357 \9 A8 ~, n  ]# Y
    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。" d- @- C  h/ P/ ?% Z% g
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    ) O. H$ S8 H/ S
    可能高端的铯钟做的更好一些吧" [, a& _! \% r% {! q( P# 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. X+ e5 `- n+ m$ q8 A: n$ M
    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* w6 M" y2 D) F: j' Q
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    9 _' k- a9 p9 o5 k3 g
    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+ J( S7 [6 z- C% o/ p3 y7 R
    可能高端的铯钟做的更好一些吧1 [! O* x$ R1 {
    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; \+ F) R5 o( G+ p) X5 [. D
    时间基准据说 ...

    + P# o; M0 A; {7 Z! I2 z7 W2 _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
    8 [: R9 R3 ~! I请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    ( P  Y- C" t: j' x7 M8 n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& Q1 z3 ]6 I/ c1 @& e% P& c+ J6 a
    - W& l" ]4 g$ V0 t
    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/ l7 J2 T. ?5 u: Q$ }
    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 ...
    - ?' l( M# ~! v! ^
    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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