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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
    ' k, W3 l0 i" _0 }# f& ^9 C! G
    - e) M. r6 U9 u, c. O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。
    0 c$ u1 s( b6 G, o5 |6 ~3 t; _0 Q& W) D+ `# C) {- B& L* Z
    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。
    . Z6 W" K0 d; e; ~  o' @2 ~7 Y$ P
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    1 U; m1 j6 Y: L3 J  E
    $ M! q+ g1 ^, o9 Y3 J# e( \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。/ a2 A" |& F; N- L0 z
    , l$ o2 n0 l$ ~+ N2 Y
    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。
    + o3 J, r+ [5 P% H, s- L" J
    - ^7 @' B7 Y- @. ~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  R/ X6 o  y
    , M/ s& E6 A7 U/ ]' ?
    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。
    & ]& L$ P! n1 m  |7 u6 R
    # ?% T6 c+ D& M1 S2 }, 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!& X; Q' f" v0 ~# X3 [

    6 Y8 D, H; o' M2 @" W; D, T1 D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。5 E9 d5 t7 x: S* K/ r
    - t( h0 M) Y. k7 B4 b  g
    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。3 ?1 e+ X- f- H" N1 \7 ]

    4 m3 R+ g$ t/ F9 @4 G9 R) b说些个大家可能百度不到的。. X5 u- w- Y4 W: o4 o

    + y+ \) m" t# I9 j2 I===前方高能===' @/ K6 B( U& K- F
    5 r4 j1 {% p/ K3 [3 N0 |' N$ X
    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" P0 S1 s8 c5 z& c
    2 Y2 `6 c6 o' `& w0 X* Q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。
    : |7 ?" Q' g0 k& Y, ~$ f5 c4 C. u2 a, [# o. J. ?

    - D" b% d" u5 G7 n6 V( k惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    # r6 H8 N% ?/ `  o* w5 V- g- P* ^* v6 j9 v  j( C. g- s+ O0 w
    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!; g9 }! g- D$ y7 ], ?5 V, b

    ! `5 @: W+ T; ^6 M) V- l& z5 S0 o; o5 V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。
      q2 c1 `0 n) U: f0 n+ x7 ^$ R* v, y/ x0 U; A9 d# N0 Z; E
    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。0 \( z9 c# I, V
    1 C5 a% G7 s$ F# J0 M
    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。
    8 B4 }, f* y; W3 d7 s' g' ~1 X* O. B' m; B
    1986年,十的负十四次方。/ B& U4 D  B1 g* L

    3 z( q3 N9 n" {% p' m# P/ n$ Z2003年,十的负十五次方。
    ! o- e! s, X; h; T$ V" Y; w+ o/ U& T2 D' w+ {5 \
    2017年,十的负十六次方。! G: w6 \: \* D. f% k
    7 v, c. d9 R( v$ T. {* K0 u
    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。# I1 H/ ^7 i9 k2 f) L

    3 p$ U1 D2 ]* ]: |& [7 `# n/ _。。。
    ' P9 d, _! @& R$ i( c
    6 N. h5 w1 v. j
    : y3 M! j* G  o. H5 ^# ~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。/ X! t. y7 u* H' j4 }) M
    4 k8 G0 Q8 c% P8 l0 n$ x% f
    $ w. \$ ?/ R7 z, C" T( e, N* b

    , U; ?. t) @. B, Z

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  • TA的每日心情
    难过
    14 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。$ a& x3 O; N6 ^  B5 v  t
    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
  • 签到天数: 3045 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
    2025-9-10 11:12
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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 & h0 T( M, c3 u

    9 h2 h/ `* `1 T  Y+ [- K+ W$ A, @. {群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);& ^' U& g2 }# G% W, F7 M# @+ O
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。1 R/ p  |1 J3 |# F4 H: A
    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
    10 小时前
  • 签到天数: 3578 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
    难过
    14 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
    ; A! `( l5 s2 G( @; c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
    # {1 E- j; `; F: p8 _+ ]3 P6 c2 B0 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。( g" L0 ^3 Y: Z' T% _! c
    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 22:33
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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- k0 o- Y( Z- @  X6 J7 g
    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。, S8 W' J; ]3 Q2 S
    他 ...
    3 N/ U. y# K' T( i$ ?
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    ! {$ _( K. H8 k2 k5071A好像这两年不好买了
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    14 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 13:351 ^; L& I# X: V, E
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好2 v9 V: _4 N; u+ l( w# L
    5071A好像这两年不好买了

    1 D/ o: G! ]/ a2 {+ n' @这个短稳长稳有出处嘛?
    $ [- @+ Z  W* d8 {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~~( B+ n. z! y9 I
    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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    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. }. M3 ]8 ?* D+ ^
    这个短稳长稳有出处嘛?9 c5 {9 ~1 Q* B2 N; S8 |- o" J
    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 ...

      g  b- G0 J$ f& i7 J4 L; }/ a! m8 u) k* E

    " g( V! m- s1 x+ F* j没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图# D+ N: U  z+ k3 e& C$ Q
    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 22:564 @. t; K- n; Z2 c0 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。  l# p' b. a; h2 T1 q2 j" h
    他 ...

    % s9 Y5 n# ]7 d+ J7 }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
    难过
    14 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# r9 D$ ]1 i5 a6 [
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    , [; l3 l# d3 q$ w; U1 h这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    " t( p" y2 y4 R8 V! 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。
    ' H: j* D5 S4 W3 ^; A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。; v+ D0 G0 \& r* a* R& A$ I; d

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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& W' O7 E+ p( Q2 d
    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。" G! h6 W: l( ?: }8 u9 k0 F  Y
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    8 [7 _+ K, C; E
    可能高端的铯钟做的更好一些吧: t; \, o# r" ~6 l0 X
    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8 N5 \+ i8 `0 ?5 u" 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- P$ k8 v, S1 t  A
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    : x% X: \- h& \3 A8 ?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
    + W2 C" i0 l$ i9 Y) H可能高端的铯钟做的更好一些吧
    + A2 @4 Q9 f+ _6 G8 u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- K2 q* M7 t6 }/ O7 w
    时间基准据说 ...

    + B; l) o5 N4 r1 M2 x$ d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
    9 g! U/ Y3 G7 _请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    - j& F+ v; P% `$ e
    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& v6 ]: x+ I7 S( V

    + q4 b! b7 {+ z* J+ q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
    4 J# D+ z' M7 o, p( `' [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 ...
    ' }* H( z( `: ]4 D$ L: I" 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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