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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 & [" G4 T2 n- ^0 O/ @9 M/ V

    ' C# G0 Z( Y/ v, x" [% L. k' @( g# U/ }9 M* t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。  y4 U5 f: w2 S6 I7 m# l
    + U  K6 J$ e$ X) R
    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。/ \9 t, o: `$ Z) y

    $ n7 q$ ~$ n0 b9 S4 W& J个头、模样大致如此,二十六公斤。8 \% R. s9 l+ X1 d0 T1 f

    * `1 v6 B/ Y" n; |' l6 V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 I) q, u  c

    6 \4 i0 E- h; {$ @) X. ?: l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。
    + K' R: w* F$ `1 b2 b' K0 U2 \6 @0 q
    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?+ U2 J7 b& D7 }  b; R  p. s) ^
    - [4 B8 A& x/ x4 j0 |) C2 x: |5 L
    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 I- S7 v0 ^) C* i3 B% h) L, y
    % P" {! B$ c- [. I4 Q; k; N; 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!6 V$ l7 i) U! s3 j0 i  ?7 r

    " B6 I! r" [5 W/ U9 \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。* Q4 x8 f) d" _( b" k, F% i
    ) j! _% g0 G! ^8 O( v3 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。
    ! H. r: F$ k6 m: _6 F* x5 Z8 f1 F' [' ?, G! Q& p0 n  U0 \
    说些个大家可能百度不到的。
    # x: h" |9 Y, k" q: \8 t: S
    , P2 Y* U. g# _===前方高能===
    % \; z: I9 E. |( W5 C% G' N& W- m" j) f( i( Y
    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 P' J; {$ Q$ C& p# X/ v/ h& y7 i$ W4 m* I8 G
    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。+ Q2 p) k+ H7 Y  I' x1 c* s

    ( k. }* `2 P# i) u7 [3 G. L. Y3 T) k4 O! F4 u5 I1 T
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    $ H& y( x/ P3 c$ p) j1 |9 c, W2 d; n2 t. m) C6 B
    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% v  k, O- ^" d( D
    : u" o3 c, V1 n) X% @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。  Z+ R. L# r" @& P! O, Q! d# F" v

    ) C1 h1 q" s' e" ]7 ^6 T7 g4 o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。9 E6 a5 y; q; q) {; `* W9 N
    7 z6 ]: q4 M7 b2 L1 D: h% p8 d
    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。3 A3 y1 l/ y; m) n/ j

    " W; z* r# `- d  I3 N+ ?# S" @# K1986年,十的负十四次方。% k  J8 I$ I( e2 _

    ; J7 X& f0 E& j9 d1 M1 m9 ^& D* Y2003年,十的负十五次方。/ J( ?* I# x7 o) C, S8 B" W

      D2 t1 G: R3 v0 n: b8 a5 M2017年,十的负十六次方。
    1 M1 H( L: d* ^, J* H, Z4 f+ k9 _8 B9 A2 `* _  l3 ^1 m0 B. r! 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。6 \- W* K' J+ Z4 U- P" e# O

    + V/ p0 U& ]; h) p2 r。。。& m; K& R3 {0 I
    & b0 o/ q! E6 K7 ^3 D  i: y

    + G" p8 `" u: j+ h; R" 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。$ P1 }; u7 i6 Y3 t# w$ D/ s7 H9 d/ g
    1 _4 l) U5 N# ?$ W+ ]

      @6 z7 V# A5 v: O" A7 t
    ; Y1 E( \% ?4 Z$ _: c" o

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  • TA的每日心情
    开心
    昨天 04:43
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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。& U5 _+ Q% ^8 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
    无聊
    1 分钟前
  • 签到天数: 3163 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
    前天 20:34
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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 0 A9 J7 x2 \! w9 x+ ~' P

    3 y9 v1 b' R* I1 I3 A群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);+ F1 V% i1 d3 a
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    8 n& e, g) `- K3 }% 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
    6 小时前
  • 签到天数: 3716 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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    [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
    - ~( i3 r+ ^' m. ^- C( F+ p0 s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

    * J7 f0 s7 P% R) E, \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。; S  J$ [2 T0 U/ ]
    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 07:14

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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& \  r/ T) n0 I* V
    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。8 {- K* e' L. J3 J4 C7 n- O
    他 ...

    . t  n3 k- d' t$ x2 E短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    ' |6 P& m3 H* _* E* D# E& m5071A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
    ' ~0 M# c* Z) T6 @短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好' L$ Y- e- {# z3 l$ M
    5071A好像这两年不好买了
    6 _- p/ d! @  e
    这个短稳长稳有出处嘛?( q$ Y+ @; F) K$ O7 q# h
    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~~8 K+ d2 {6 B, G& H& y" z
    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. @: d1 {; W8 W- Z
    这个短稳长稳有出处嘛?. {# T9 X' G# C) H: F7 ~7 h
    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 ...

    - g7 ~" X$ A- n& h: u7 h( |$ S
    9 _% N) O8 @8 ?+ n
      m4 u5 p, m" d8 ]% O没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    6 ]5 o) ?$ S; d: Z; v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
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      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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    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
    " g  g. i& X% [& ]  W: 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。/ a6 {' r/ I0 h3 s3 V; @9 H) F
    他 ...
    8 Z: a" w- m3 t4 d# z# O2 M+ {/ G$ Q5 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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    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:48% n/ G' C) G& \4 ~. M
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    , h; d% v  D6 N% d" Q1 l: u- Q$ i这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    5 p/ }+ Q6 F# A& w  a9 k2 _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。
    . B# v' |+ t6 p& I: x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。
    * L  I0 o3 y, X. Q7 j+ U6 R

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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
    ; k% W" {' H$ Y$ C- L) `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。
    ! Y$ T4 Y( Y% ]' J7 t) K冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    4 Y/ a/ h, Y5 O4 F
    可能高端的铯钟做的更好一些吧, v4 N! P5 i& C' D9 ~
    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
    ) ^! r% f0 R, m2 G' s& u% h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, \: X7 t6 V* c# z2 ]
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    . g: D1 R- a: y, T
    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
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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/ i0 `8 k* e2 n) @
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    / c9 }& s1 u6 d0 h7 G/ i  Q$ 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
    ( e3 y. g' s# l  q时间基准据说 ...
    , |5 r* g8 q1 E7 S9 a& U
    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
    ; b+ C' C5 S; z, W. ~  l请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    0 ~1 ]7 g- ~, y, B6 Z, K! 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
    6 u8 N. _/ r' w& d9 [/ {  n6 p, x! X8 N0 Z6 @
    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# @/ N5 c; \* @, n: Q3 v' O
    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 ...

    $ Q% t0 S+ ?& }0 j, w) k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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