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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 / C* h0 V$ B; E/ r0 b

    ' P# E9 U9 G; t3 [/ r) Q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。7 ?; X/ B- n2 P; i% w. e
    8 a7 |8 m0 X# M6 `. H% \, s% W
    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。7 P  }0 W5 l% K  K0 M. S# N
    : Q# U! k0 [! l4 m" R. p8 {
    个头、模样大致如此,二十六公斤。  |8 L% d: a( D( f: j+ v

    2 j. E+ V0 G7 `# I1 K8 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。' ~/ K$ G: G" G! a5 L$ c

    # o6 g9 T7 m- X9 I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。
      s5 ~' P+ q' g& b3 N+ c+ J* C! F1 g+ 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?
    ( W* E: p5 v" U* n5 I, J3 x0 n5 }, _" h; C" _- O* Q
    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。
    # f( R5 X0 G  E# G9 {7 ?; q7 U3 j8 t1 S2 s& d
    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 e8 D; H1 e0 T0 F7 a
      P5 c. d; h! K
    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。
    1 O% S. F7 f) J6 u' Z2 _3 g5 B- ]
    6 I3 U: L! J. p2 `4 Y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。" m$ z' q' d% s7 t& S: j! v
    5 t2 |8 G4 g' E8 {  G
    说些个大家可能百度不到的。, U, x: Q5 u& l3 U

    ( F! K3 A% }# s8 \1 Y===前方高能===9 X1 i1 m- R9 _

    : y' Z- k2 ]- t4 e; y" k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。
    2 v" N3 k" x6 p# U% v, J/ R. u; s0 A
    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。
    4 R$ ^+ }, w7 }9 W6 Q+ j% d& s
    , D3 S- G, L& ~- F; H% W- U0 f5 i2 }+ M! |4 Z8 z
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。( O# t3 j) H1 ~# A! f* F

    , x1 t6 Y, e3 f5 \/ N1 g1964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!
    - T$ P9 H% o3 A0 G
    " V% d& o& d7 |: D: l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。
    ; v4 i. p) P2 G  i3 S, I0 Z: z: W2 y- [
    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。
    . Q0 a/ E4 A# ~# T5 v/ @
    7 W. t+ i9 H5 J9 a  u) C, ~) @  `8 d1981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。* K$ n: N* @0 M; x* x

    5 @, E0 `" `- k. f( q1986年,十的负十四次方。; P  K8 {& d! n5 F

    # W/ n. C- ?, }! N/ K9 ]2003年,十的负十五次方。# W3 Y# o2 J/ R" s$ A& M6 F
    $ z5 ]3 d7 Y) w
    2017年,十的负十六次方。8 S! P+ C7 O( u5 h. ?2 f1 g- X# o

    # R7 s( N4 u9 x* _4 |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。
    $ F& F2 i7 T' T/ u3 _# }. N
    8 J5 A& t3 L# I7 Y# r" B4 a。。。* Z: S: I2 M  F( b+ H3 p/ |
    # K3 }  D' @% r
    3 M  v% I! b  ^0 I2 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。7 R( {: S  T1 i% c9 H$ b8 Y. z1 m
    . X; H$ r1 x3 A: u6 I' i6 C

    & M1 J* u! Y' w  U' Q3 k1 h% u- z2 o3 N2 A  M  c$ g3 d$ |

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  • TA的每日心情
    开心
    5 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。
    - D% q- F2 p6 [% r- s, x5 M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 ; h& S& x- }2 W" T4 B

    0 l) j+ \; @$ z0 }% _6 X群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    ( g' [3 Q1 r1 ^$ z- f+ Y& H看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    9 H4 j" h1 g5 x; A3 ^) N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
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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
    5 小时前
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    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:45
    1 }! u1 B  k1 [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
    # w+ ?6 i& g' 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。' z2 x0 \* l% G* u; M
    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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    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
    1 t- g" h' z, b. |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。
    $ {& ]" |# e- b# O! q他 ...
    ' _+ z. n& ^0 f* ]8 I2 H+ c
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好5 k- D* s+ i- @% ~6 a) U) Q2 {
    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( M% f# W7 Q% _" B: @" @/ q
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好! k) [2 c3 m; `' ^; S5 U; ]3 ]6 e
    5071A好像这两年不好买了
    1 ^4 _6 d; M: q# J! V" P
    这个短稳长稳有出处嘛?* A* x8 n" G2 ^# r8 ~
    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~~) l  @" A% `1 i  J& S* m
    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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    [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
    7 A8 m9 M/ u/ R/ j这个短稳长稳有出处嘛?) D+ C5 |. L& K+ c4 Q4 P: Y, U. R" g# 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 ...
    % s) ^0 r- p) P

    " b5 r4 ~6 c, Z5 Z# ^6 H0 T8 u6 |) Z0 O; c- }8 z3 \! p5 P3 w
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    # H- E& D. A  C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
    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
    ! ?* D+ g3 j9 x" {+ R$ [! O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。+ x) P' y, M) N% f3 F  C
    他 ...
    ) _9 ^  S3 X1 s
    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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    开心
    5 小时前
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    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:48
    9 d* |9 I+ a' |0 Y* C没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    - }5 X% w. a, y6 K3 p这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    " c5 U' J$ R' d0 m8 N6 N; H4 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。8 }" z( q0 q( 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。
    9 o+ j4 e6 ]8 m/ ?0 p3 r. L; P

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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 03:35
    9 v- {  {4 h( y4 V2 L* U, I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。
    0 Q8 \; Q) Z2 Q+ D4 m) I, b冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    8 p. ~) Q0 J9 b+ k
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    2 M# c0 n& `5 X4 f6 [8 W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( o8 I1 H' T# e
    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 03:018 }; w$ u( O! n0 ]+ m
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    / q1 K) n; C) {2 \7 v7 Y  ~0 }
    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" \' M8 A' P( G# H1 F4 Z6 k
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    ) P1 {7 i9 n6 d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 o, _5 D' Q. k8 _8 t
    时间基准据说 ...

    2 C4 S3 \1 L, f3 Q- 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( O5 u$ r3 c/ ]0 Q, p
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    . T* J/ I( f" 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2 L0 J9 M4 r% e: D) ?5 [6 D
    / T4 Q' H! d  ?$ z3 H$ I" v
    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" ?; S# P# ?* _6 n5 Z
    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 ...
      v, h* X" p& b  C1 a( U
    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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