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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
    & B6 \% i7 ~5 e( r( p
    + t, a  f2 i! S! }! B3 b" P/ B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。
    ' J9 n6 F' w9 R
    ( {; p+ \3 t1 a3 t% U% _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。! e* g3 _0 c! V
    8 g) z/ |6 G- y
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    " K1 m" M6 T9 ]5 p+ U6 b1 U6 ?; ]% R- L) s+ {8 X, U
    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。  q5 i5 q" ?0 p' z& W

    4 c4 T6 h( f* K# ~' y) w! p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。
    5 k1 a8 j+ M" N1 \7 Z) ?) }. c6 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?
    / v. r  ~+ k# |: f2 M# W
    . M) }+ X$ Y. l' Y8 V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。6 B& C* D, S0 l" N/ Z

    7 x; ]7 F7 {  G' M! j1 Q; y* 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!
    : [1 L; k2 ^  F$ ^
    & S. B  V& L2 k4 |! i0 {, z1 z5 L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。
    ! H3 P3 h( P7 t& P& U+ ^1 W; z4 M6 T" M; a+ j2 W9 S
    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。
    4 c+ Y/ X* i& B8 \0 l. P0 D3 N+ _3 M/ J( k- v2 x
    说些个大家可能百度不到的。9 m5 s5 i3 m/ E% x2 g; @& u# w

    2 x& F0 x1 o  y8 \! r% r===前方高能===  ^' b" Y/ g7 b2 Z* M
    , i3 l' {% [/ u
    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。
    5 y/ P- w+ D; w" N7 O1 H+ U% H6 }0 Q8 U
    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。
    + ^! K1 W3 I2 K( V( P- K2 J6 H4 L; L( K& h/ x1 h5 o
    + J9 P& j+ o1 C/ [% f$ w
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。; n8 ?4 J0 }, y1 ?+ `8 g$ K5 ~6 |

    / ?7 N3 x* G* e8 q# ?0 t1964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!
    # O2 O- m4 m& g8 g+ [# h3 x
    ; L7 n1 N* y, b' I% j2 A0 A6 f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。
    $ I4 `/ G/ D# L
      |) c% A( r2 D2 Y6 M, @$ d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。
    ( b- B) b8 |! P4 P6 t" M& j0 C; L! t6 O  N: n) K- I- y; _6 A
    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。
    / P7 x$ D* S$ z3 Z' ?  z& Y
    / G3 S/ r) ^, b! m: z5 d3 P1 U1986年,十的负十四次方。: u" K! f8 L$ R. B$ Q' G
    + U$ D! F/ u7 |/ Y
    2003年,十的负十五次方。& F/ N2 {9 P% E3 k. ?
    4 Z0 X0 V. X8 ?
    2017年,十的负十六次方。
    3 n+ w+ G# v  R$ T% q; v; q3 V5 ?( z% l4 w, j
    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。+ Q. L: g' y% Z+ E

    2 B5 S0 a" x' c0 s. _" D。。。5 y% W3 H, G9 _7 E/ R. p' l
    6 Y4 ^  Q7 E/ j1 V! h7 `7 d6 c
    ) Q. }% e8 g/ K
    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。
    ; A5 f; O* H  ^" b# J( {+ C% h0 U% D8 x9 ~1 c0 \/ m! k, `

    6 {  J- g; o* Y- s' ]! l. |" c$ N1 T

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  • TA的每日心情
    开心
    2 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。4 a& P6 v# m, c7 k- E
    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
    慵懒
    昨天 08:22
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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
    7 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 ' j8 z% s* Y- K
      r! P6 x7 i+ F0 m
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);6 H$ T4 M* P' _
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    0 ^! t4 @' l* Z! o- D, _) P+ c9 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
    6 小时前
  • 签到天数: 3517 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
    2 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+ b2 M' T7 ^1 J9 B# s8 |
    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
    $ u8 o, @2 n5 _+ q4 U& `7 P
    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& S2 e0 d' z) `; y% }/ r他家的铯钟在基站上很常见。

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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
    ( `: |2 A) w$ v) u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。& \- N* F+ k4 e" P2 E  Q$ S
    他 ...
    3 Y7 T4 v3 L( H& I1 V( q: ?
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好, g' w7 m5 \' V6 S
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    2 小时前
  • 签到天数: 3061 天

    [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
    % {3 f) o+ n, B6 u7 C短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好8 ~! T3 N% v) T! L0 R
    5071A好像这两年不好买了
    6 G; A# N6 o! s; r4 ^7 h
    这个短稳长稳有出处嘛?+ ~& C* u8 b* }3 V# P; c
    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~~
    9 I8 X6 a$ y3 a  m: x0 B) g8 N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( G1 k: b% R: }+ A7 ]+ O
    这个短稳长稳有出处嘛?- D: o" Q1 Z, ^  Z  d+ {7 j& _3 {
    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 ...
    & \$ y  C5 n& Z7 E1 Q* k
    + F* s+ z$ ~8 J! T
    8 H+ ]6 s4 D7 G$ K
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图) Z, E* S  A, f8 Y
    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
    6 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: m) Y# \0 G; 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。
    1 d4 K5 n/ U6 i7 t) z! S2 z他 ...
    ) O9 t  M: u4 _! z& U* p( x
    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
    2 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
    5 ^/ V1 p+ R7 I没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图5 v. \! x! k5 k& G$ @; \) ?
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

      ]6 U4 Q3 F: ]8 S. n$ F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。
    ! M8 U4 C6 b1 V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。
    0 C& C7 V) U  A. ?5 u5 u* F% N6 v

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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 03:352 ~' s2 ], ~) J  D3 x3 V: o* 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。" a) p: I8 O: N. [; A
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    / x+ i1 s" |8 R+ u可能高端的铯钟做的更好一些吧( y: p4 }$ B' F- k' t7 n
    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
    0 z; ?3 Y) n: `% R4 |4 L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
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    [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
    ; U# W( L& `2 v7 ^. M: I安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    " d  F+ O7 q& P+ Z( N  C% h
    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
    4 l" I) [) [$ r- G9 p可能高端的铯钟做的更好一些吧, L, h  K5 L8 {# |
    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 `$ }6 F( b3 d: F8 U8 V- z时间基准据说 ...
    7 p; f! o& r8 O$ Q
    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
    5 O$ J( `: _4 f4 M8 a* R2 {# E* T请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    . R, Y' p* d# Q' 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
    . L) E# |5 [- t3 z; \& {9 _2 \- z, Y
    # N  l! ?4 z5 h; ]0 O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 10:290 c  C! O$ E5 K
    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 ...
    & K: w  Q& ^" F4 L
    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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