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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 6 `- _$ u$ g+ @" D5 I
    - j3 [4 T. 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。" j7 j% y" u& Z7 g. r' w, N8 F1 F; B
      c$ ~/ i: s7 N/ e5 r. V
    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。
    % B1 ]/ a, K! s1 y( ^) L' W4 z# p, X3 ^0 W& \$ |3 m6 F- A: k, e
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    + t* ~8 t# R1 ~: r
    ; |, b2 Z, l2 x! B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。
    1 C+ h* r1 H' v/ _, v6 ^  P+ e9 n( B5 y1 |. V
    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。
    , S6 _5 h  ]- p; r* @  E) L3 F2 R3 N! ^* e9 A9 R7 k
    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?% d$ p: f8 R4 ^# W. q5 [! ]
    + H% {7 y8 f: Z/ B; R" ^, W
    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。9 o' Y2 m5 d* h" v9 m, p  x3 U! V
    9 ?! ~, l' {) }; H1 o! W' a- P* T
    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!
    % |8 R: j8 K+ A- [1 M& a5 H1 q$ \5 u$ n5 r2 C. C
    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。
    4 k( y4 O2 Y* n) e* S1 X: u# o# u% ]0 C
    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。, E$ L+ T/ l" M' n" j/ T: V
    $ O& ~+ X9 V& `/ P" K" r; ~( n
    说些个大家可能百度不到的。3 a# n& I( z3 G# U, q, \0 u! j1 d! o

    0 w. Z1 N. K  E" F4 [===前方高能===, x& N9 |& e. ~" |

    1 o! ]# p& |! ], C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。
    ' w1 E% Z2 i. F( V8 M, z. ^8 A& o5 k8 O' b* e, o0 Z
    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 m% }0 o0 T' n; E* h7 `
    / d$ k; C7 ~1 _. {
    5 U9 f5 C7 n7 @/ J) O4 ^3 Z) O9 D惠普当年的铯钟,吊打全世界。. L& x4 |( v/ d: K# `
    & g% C) z" @5 I7 G. q1 Y, x( R1 K
    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!
    : @: s& Q. v; {+ O" f; g- v9 E& }
    - w5 K1 @  m3 T7 d4 C6 H0 {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。
    . y$ Y3 @0 B6 E( P
    3 g8 \7 `# D% d+ ]0 X4 \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。
    . v2 E5 h" N3 D, K) U8 r" T3 A: C4 L% j0 b( R( L  b' U# b
    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。
    6 n4 f7 ?7 B! z+ T' n% i
    9 _$ _- o, E  E/ u1986年,十的负十四次方。
    : q3 P+ t  g9 T2 P7 T8 F( T) @: V6 m/ ]7 w
    2003年,十的负十五次方。1 |9 u1 @# B' ~2 x9 `6 G6 n
    0 x- E# a9 X* p% U  m, {
    2017年,十的负十六次方。# b* B6 v( t& w, ?

    % s6 S  X& a# Z, L+ f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。
    . [: m: W9 E$ F5 f9 u: u0 ?+ w/ ]5 D
    。。。
    & V4 B9 k0 t( q+ j1 t' @/ Z3 s* D0 t( A+ C8 c/ c2 Q; ~, |; V
    - X- T$ Z# _* ?& n* J  E, 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。" e6 j' Q* E+ n. d# H0 h

    % s! U  L: H3 I4 r
    6 `/ |8 P' L7 m% \* u4 }7 N' v% U% }) n+ z3 ^2 D

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  • TA的每日心情
    开心
    昨天 00:00
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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。) R7 w" Y% j3 \9 i! F! b$ F
    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

    6 小时前
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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
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    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
    1 小时前
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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 8 p( z/ M% u! o4 G4 [$ s8 V0 l

    ' d; t! e! {% R' k# I3 L8 c群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    . V6 G* }3 f  B- C8 f" }看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    $ I: A7 x% \  M0 A% D' ^% c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
    11 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
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    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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    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:45* h* |" |  ?6 V6 k. L! _8 p
    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

    5 t! F* [3 F; w! X1 S" W% J7 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。
    / q2 }3 ^' _3 h  e1 [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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    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  K$ A# V, ~. g& f6 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。
    0 l+ N' c, s5 [* |: w4 k他 ...
    + |. U5 X* h( W1 p; o: {, }! w
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    : k! a; o  G" M% x7 G8 f5071A好像这两年不好买了
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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
    . v# _, l% c, b3 E短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好/ _1 N! E1 `& W8 J1 t5 q4 ~1 Q+ Z
    5071A好像这两年不好买了

    & Q) L# L% I) N这个短稳长稳有出处嘛?' U" W8 s1 y5 q4 v" e
    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~~
    / Z3 L' a2 ]8 O" O+ D6 ~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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    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
    / F2 e3 |+ O& v" y6 m2 {这个短稳长稳有出处嘛?. w- p) M% a' k8 E
    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 ...

    : P  v$ t; U( C- ~/ ^
    " I$ c. z" [2 l4 S) W# i
    ; f. C2 `' u! R+ f没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图' g2 G. o& F1 R* ~
    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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    12 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% z/ b% z$ o4 n3 L/ s( D+ h
    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。/ B& |! v% [* K8 Z  x0 E
    他 ...

    # x1 J  W; o7 Y0 g$ }2 C% ^0 b5 l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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    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:488 C" r1 `& W- W$ U- e
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图: _9 E2 e, F2 \& J; t9 j
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    . g- e% g2 x" J; Q8 E2 Q
    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。/ C: A& W$ |8 L' V8 q2 ^
    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 t. c. e. Y- [1 J4 T9 r! m8 u

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      发表于 2020-7-27 04:47
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    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
    , E* V4 _4 S# A$ B/ 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。
    & w# c7 r2 y4 S# H冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    9 e! C9 T1 f! i8 r8 |  W! f: D可能高端的铯钟做的更好一些吧3 C# y/ b. V( B2 f( q6 b' n/ L7 e
    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
    . U3 `/ ]: E5 J( T5 o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
    + S0 Q$ F7 H1 h) f7 J1 s1 w- {安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    9 w2 s' v" X. x! P
    嗯,惠普 - 安捷伦 - 是德,不知道后面怎么变
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    开心
    2020-9-28 03:33
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    [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
    " J5 p7 A6 \: F可能高端的铯钟做的更好一些吧
    . Q6 c& Y+ j4 _* V$ I) X9 g3 u1 Y$ |9 P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1 r. S5 b( o# Z+ {% ]. x- K1 l
    时间基准据说 ...

    & H% _  W9 k8 b8 z3 g! |$ M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
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    [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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    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 00:563 {, D1 |& @9 V' f# ~
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    & O- A  U# c  n% 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; [0 K$ N% h3 N
    / E! P* x2 r4 W7 M( I. s2 ~
    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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    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 10:299 d2 L- n9 G0 ^  b+ 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 ...
      N1 h6 P+ i( H7 Q
    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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