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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
    ) i8 n; ^( \4 W# j! E
    7 h! @* f- |  f3 f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。2 [6 Y$ D* _* x& |# R7 k/ h

    3 `0 X4 H/ N* M, 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。
    : P7 U+ P7 k( v5 G  ~2 D; x0 @2 R* Z; _" s
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    % @6 K  e8 u. [4 |
    4 i+ W' Z4 d9 C  J& z0 P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。
    - ]5 r+ A2 }$ U* f. b* U
    # l5 |& Z, E& l7 ~; D8 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。
    ' J+ [: M  [4 j4 L5 I$ T( e. P
    , o7 b  b: d( ~4 K8 b6 i# B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?4 ~' U7 `9 J# a& q3 [- v" G
    9 {7 t' A/ b9 i( x9 @
    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。
    3 b1 X- z! k' ^, X" q
    4 @$ D6 j$ _; p0 }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!
    1 J5 j& b0 k8 n
    0 }. d1 g% y5 h" r& f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。/ b' c9 n% g: N9 q
    . `2 g8 O( E$ f  Y  n
    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。
    % c8 ?8 c1 f2 l  T% z2 G6 K/ y- N  ?1 r2 d% Q) s5 q5 P/ m4 f  O8 [7 e
    说些个大家可能百度不到的。7 `7 |' @1 \! ~0 V4 A* d

    / y0 i6 I+ p9 h2 s" g- H===前方高能===
    8 ?9 m# S; [1 _5 u4 y, v3 ~$ j4 |4 M& S1 K/ z
    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。$ B1 z8 e. b6 J- s$ m1 {; N
    ! J6 V# z$ E% b$ W8 b1 T9 c% G7 M
    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。
    : d: ~7 t" p3 I3 Y! x" i' ~  I- l5 M7 ~& ]3 [
    : F7 Q/ r6 ]$ n# A' G0 e2 o. d. J
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。( S+ M* w) z( |: y( }( M8 w

    : g: k. c3 |" Y/ N9 e1964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!: [+ F8 X: Q) W3 T3 P' S; M

    ' w7 z6 y. i8 [' G  \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。% }! Q# _' i* H, E+ i  P

    1 K* P- l; P# w) _, ?/ ~& M& t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。% K: N2 M4 y- u

    . Q) U# C1 M) Y8 q4 F9 I1981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。
    ) ~  V5 W0 O; R7 |1 _
    ! G3 U& f4 B' Y3 o0 W1986年,十的负十四次方。$ o6 x$ {7 `% z' ~( L4 j

    3 U9 n' h$ V/ K5 H$ J& b2003年,十的负十五次方。" g, A0 t1 g% B( C  `
    % \6 _: \9 W, I" z: e9 ]$ H
    2017年,十的负十六次方。- [9 k* f5 P$ o( @5 k$ t9 C, I
    ; f/ A( }7 i( T$ k9 f2 p
    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。; O2 @& ]: Z- C5 ]$ t- Z0 }: Z/ u
    ! K9 D; R4 G  y) @" }1 B% Q; r& B
    。。。$ T0 X, ^  q* R8 w

    - Q; [4 b) w! V  m, D5 d2 q" M' N: r2 z' I0 ^1 Y! @9 D
    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。. L% }' V: M0 O8 J+ h: g  _

    $ B6 F1 F* K' G
    ) l1 v7 q) t/ o5 ~  v
    - L% H" k& q6 `! A9 t  L

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  • TA的每日心情
    开心
    6 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。
    * y& z: X; ?7 g& Q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
    1 小时前
  • 签到天数: 3193 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
    昨天 12:50
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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
    4 o* A- @9 }2 x) K3 ]4 J
    4 @  W& c% F7 j( b1 H* C群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    & l0 f  C5 a$ `  Q6 ]$ _' E看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。1 p* [  L1 q( W
    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
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    6 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 R) k7 `1 ?! ^- w. D
    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
    / M9 r% D  }2 ^
    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。7 }9 o: w6 s% W: T* N# M
    他家的铯钟在基站上很常见。

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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 22:569 Y$ C8 r4 L, y8 m7 y1 X
    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 [; y0 l. ^! f1 ?他 ...
    % e+ D( V. ?0 }7 U6 u
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    - b1 P, \; M, V5071A好像这两年不好买了
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    6 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
    " l- ^: o( c+ B( d! E短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    : F7 M: [: u: J2 F) r5071A好像这两年不好买了
    $ R: E  z4 L8 q; O! \
    这个短稳长稳有出处嘛?
    * A, [$ {1 v7 f" I4 k- {1 E; h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~~- E% y& v& }) p) T0 q# V
    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
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    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/ o" c- B0 Z, O, R6 s# F3 E" h$ ?
    这个短稳长稳有出处嘛?
    1 e6 R3 Y5 B  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 ...

    5 S5 k2 j( b& o! c' W& r- f/ Z* _' i6 Q" q# J. f
    - ?% ^0 P' u/ e7 ~2 o% i
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图$ L# Y+ {& w9 q2 ]) X
    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
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      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
    8 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
    : |4 j& ^4 Y9 W0 K% c6 d- n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。
    + u" h8 c0 U- |他 ...

    0 ^. c  y6 {! t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
    6 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
    7 `6 k! i8 P& }* F# Z; p0 W& l没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    0 _6 V; `6 y2 w* ~6 l6 P这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    5 S0 M) C: H: `8 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。, V4 L8 B( O! {6 I. O
    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。
    ' P% e* D; m6 k8 _) P; W1 E/ `+ ?3 q( L

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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/ @5 @& w9 u: D" @" [# ~. w
    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) d0 U# E9 P7 F! r冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    + Y; A1 f5 c8 H可能高端的铯钟做的更好一些吧
    ) e" `# e4 {; j6 r; k" _6 ?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/ I8 k- [/ U+ V
    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. ^6 r2 B+ \2 N1 J+ v
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    8 q' I$ I$ e: t1 d" V/ [/ k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
    / l  `' ^& j: H8 e, e$ `" T7 Z4 u可能高端的铯钟做的更好一些吧
    4 h+ @: s% G" x! D$ 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* w# q3 J8 L+ z+ `; m
    时间基准据说 ...

    5 U/ a  L/ ?% N; E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; z6 P* V, t! f' x% w2 o& r
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    : @! H: n% t( h
    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
    + D) G% C# `; W# E  _7 H2 ?7 l1 @  d! c
    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
    ! l" a: b( G! N" l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 ...

    " b% ?5 x& e, z2 R: g2 E& 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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