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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 / p9 y) R& [1 j, r* o/ c/ G. s

    : d. t' a0 x* j( Q% 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。' u* {2 |& h0 {, H2 O
    % q- Q6 o( F$ Q
    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。
    . Q: m3 e( P! I- B8 [2 O' g! R) X2 N( n! Z
    个头、模样大致如此,二十六公斤。7 ^( U0 J4 i6 ]/ \3 T
    0 @7 K: T' y  g# I% B& \8 @
    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。
    ' I0 a! d' G$ _/ z/ L# ^6 R  X7 W) R- C8 t- 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。, c4 }1 Y  N+ I5 u2 W

    % _6 ]1 K5 n6 a/ C) 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?
    & |/ A$ X: r7 k+ l; V
    0 g+ \# t- e: ]' z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。. l5 C* {/ |- E4 o# y
    0 f/ g# n" g! o
    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!! E9 j& q) Q4 A
    ! N1 ?0 `7 v. z0 q+ 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。
    : |, ]) F" }. c* P$ s  Q! x
    % y4 ?; ?" j* D1 Z" R) A" m: M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。1 t4 n  ?4 A0 z9 Y; i$ u2 a) m
    3 v# P$ O* A. x* U  s6 B% N: [
    说些个大家可能百度不到的。
    7 |; ]/ c' j3 K, _: e' G- }& M4 ~6 |! \* e' X' L( A% c2 N: L
    ===前方高能===# |  k' e0 v1 Z& p; p
    % y" x7 {: 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。
    ' ], q. |1 @. V  a6 c2 C' j* W$ X. L* R6 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。
    0 z+ h7 r6 }% h( T/ F2 N: M$ |: P! V" j, ]

    8 t% v* o+ h1 S& T3 M/ ?惠普当年的铯钟,吊打全世界。3 N% T/ v. p+ |& a6 ~9 j; m; d
    ' b. D% b  @1 e- F
    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!
    ! G/ s) |5 C4 _4 ~5 n6 m) J+ Y6 e' q5 f9 T' Z, q" r: Q
    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。
    ( o! D# B2 \- ~& d
    , t! l' L* q7 J" I- z1 Z# b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。+ o# q. a) S. ^! s
    , S0 [9 Z, Y; i3 [+ o
    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。+ e. v3 U  F2 E4 C  p+ ?3 R' H

      B  `! g% o8 ]3 @4 `1986年,十的负十四次方。# n/ v/ u, t" x5 o: s" j) {& A

    8 g7 t3 f3 O9 A0 c8 E2003年,十的负十五次方。8 _8 S: O- Q4 u) C3 `4 d" d
    - N' j$ {1 L+ D# ~$ O3 r/ P8 e' }, U
    2017年,十的负十六次方。
      Z% t- e8 ~$ L) m; c
    - H- W9 D- @. k. @# 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。
    ! `% i& h9 L% J: m' Y( X, D( U  {9 i! i. n. G
    。。。
    5 c. ]* o0 N* v
    7 c/ w. Q. T0 p6 J% q# Z- @: a9 c
    - v- v  o( d  B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。
    * U, f0 s! S. |& h
    8 S* J' q; c7 b
    ; `0 o( p* J% g, V& t* ^
    ; p7 c8 B/ r( w8 J( o: s9 q

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  • TA的每日心情
    开心
    16 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。/ R+ z, d& C" J) Q; `: g
    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 05:34
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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

    2021-2-24 23:26
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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
    6 小时前
  • 签到天数: 571 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 2 ^4 h( k! M3 L1 f. ]
    % x( B. M: q- T/ p) [: v9 Z
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    : q* R" _2 n" b$ h3 a看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。( R% l# }2 L. S
    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
    16 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
    16 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
    & O5 w/ R/ K6 y( a6 e: o; \$ a! 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
    ) R& c: T6 A' L  r
    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。
    ! K0 L- _- S4 Y1 x) A* i他家的铯钟在基站上很常见。

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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 22:56
    : h; \, X0 D6 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。
    ( G0 {. Y' s6 R0 ~0 G; n他 ...

    1 U+ ]5 ?3 t! L短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好3 h6 E! G4 k$ o! t( u* A( j
    5071A好像这两年不好买了
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    16 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 13:354 E6 D+ [, h( A2 O) O" T
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好" H0 m8 t3 g1 h+ f9 i$ ?9 L2 r
    5071A好像这两年不好买了
    ) @, v  H; U# B3 t+ x
    这个短稳长稳有出处嘛?
    0 N3 Q* e6 [0 n2 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一半~~5 l0 E# G1 w! M$ Y
    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 22:565 P; q" ~: p2 H& \
    这个短稳长稳有出处嘛?
    # L# i) w! S1 U4 r, M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 ...

    & `' ^) |9 x8 c+ _8 e7 Z9 E! I. V9 a1 J+ b4 i& N

    * P) F7 r& H# i8 j9 h9 L1 L  H3 q8 ?0 _$ A没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图" q% ]$ l/ C) v* h8 }
    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
    16 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
    # P  ~: J$ l8 @4 [4 n# O; 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。
    ) `+ I' w1 I0 J# q0 J3 d他 ...
      t1 m" I4 {& @! {/ \4 m* _
    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
    16 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/ R6 @/ k0 p7 j
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    / p5 a# o0 N+ {$ ^+ d这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    % `- J, d4 k& q# J* u2 N+ ?+ M" R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。
    , o# c. O6 ]. A7 a* 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。
    ) q* d3 _* J5 M* T" U3 T

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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 03:353 S. \$ Z/ T- q5 v; X" }! p
    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。$ O* j) x: `5 L
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    + s, i1 X4 S0 E2 n9 ^可能高端的铯钟做的更好一些吧
    : Q5 g. T" X9 i% s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$ o6 n2 u5 z5 b' ?/ A3 i
    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
    ' L% Q' `' _& [: |8 j5 O安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    " D/ C; N1 R8 E) h, [8 W4 B0 n
    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$ s% W8 m; k1 i( @. l可能高端的铯钟做的更好一些吧3 Z' v0 M% E  P  {3 {/ a7 {, B
    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
    7 i! }7 ~; e( O) d* I+ O时间基准据说 ...

    " s6 V& [$ l* y1 D: B5 g' x+ l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
    0 {. f) s$ \6 x, k请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    % |7 P! D( l9 z5 k; ~, a8 _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
    0 H$ C0 a5 ^& K, r  d) M% z
    ' r+ Z1 h" H: H2 A0 C* K* _0 n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
    ) h; \1 g3 i) z+ X, @% b* F9 E6 R! 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 ...
    ' k7 \: A7 m: Q/ W# m3 N* 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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