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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 8 q) p2 ]# G% v7 F) v
    % v2 O/ {; d" b+ w' d
    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。) P& A$ U# `2 o1 Q- |
    , ?, y/ @/ c* Y% g9 v7 O1 k
    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。( z( C/ g% _" M! V, Y# m* G; m2 B; W

    ) W% ?3 `, S+ y% J个头、模样大致如此,二十六公斤。
    " P. }$ Y$ x3 Z2 H
    8 M; z. O. H. D4 r5 F8 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。
    ) ]; D, t4 @  X% D! J  a9 @' G' [! a( u- M0 I% Q( W; d% F0 p1 u; 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。0 v4 B$ L8 m& ^
    & W, d# T7 M! t, v7 J" W' l6 L
    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?
    : Z6 c* s! S$ [# }3 p/ v& I; X$ x* b" e2 L2 \6 e, X2 c1 C. H
    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。
    # R. N% g. T5 n- w) J# Z  M8 I1 N/ s& f
    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!
    & U" m+ I) U9 I3 }- j) [1 G& b3 O
    2 A$ ^; j4 N" S/ \$ v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。
    7 A. r( U/ }8 d% J' L0 j' ?* K' c& {% v/ a1 }
    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。8 K0 L+ W/ F  @' F! b; h& o
    ! h$ ~# r( F/ }/ n5 ?: c8 }
    说些个大家可能百度不到的。! o; q" ~* \! ~8 k
    % ^: {/ G; k, t" B
    ===前方高能===7 H8 R- p6 q( b4 Q% D, [

    8 {) }7 V8 @+ R: Y3 @& I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。
    . P& D3 {7 D" N$ |& ~+ \/ i# Y3 w6 V
    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 F- a2 y# t4 d! N2 ?. E
      R1 T- X/ c- P/ R) l3 n9 `* M0 Y0 w0 S' g3 j# S! p
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    9 ^0 D3 w6 T' @4 j( r; U( E3 @) {! s* d! G! 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* i1 y# Y1 z7 b+ b6 A0 S- a
    2 l! B* I0 {9 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。
    2 n9 I3 n) s1 |2 ~9 Q1 q. e) m2 y% c' o: X0 O" `" f
    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& r: \- J5 M6 [* Z. u% B; a' o  ]! v2 \4 U
    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。* q' s1 g% _  p+ o
      Q# Z4 C4 W9 @6 D* Q. a
    1986年,十的负十四次方。# E, f1 d7 }# M7 H
    9 s+ N, I" j! O( ]' \* ]
    2003年,十的负十五次方。! E5 Y: @2 r5 W7 O9 ^; Y2 N
    / o( d" j, r1 j5 V& @
    2017年,十的负十六次方。/ J# R4 c: `9 X$ f! N7 }7 c+ |

    - b& X* ]) T. \7 q2 C1 t4 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。0 j# m! O& z- D2 d2 ^3 b3 R7 q9 T/ O

    ! w9 U! w5 F3 C5 U5 h6 l- M。。。) b6 |8 `# Z" L; A9 G+ Z8 H

    ) s% ]3 F2 R2 t9 g  ?6 i
    8 Z( n  u4 @# C& g9 {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 [, d! B( x) S/ D: l5 W
    2 _( K/ N! `. u8 U, j5 z

    & }6 {& I& B1 `4 X1 G1 |. c7 G& v5 W- t

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  • TA的每日心情
    开心
    13 小时前
  • 签到天数: 2684 天

    [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。  K0 X2 ~9 [2 ~5 r6 r, |% u5 T1 s  I/ B
    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
    奋斗
    8 小时前
  • 签到天数: 2610 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

    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
    3 天前
  • 签到天数: 568 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
    % F3 [" G1 \8 z+ p/ g
    6 W- {" ?3 S% j群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);3 X1 i. N3 C  _& j7 w6 v
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    1 C7 B% H5 q& j4 q' y" N) m( \( ^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
    13 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
    13 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 18:458 D0 l% C" {' M  w: M( j: b
    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

    - x4 y. @3 [0 j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。  ]2 ~# Z4 ]1 M. Q8 T0 P
    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# ~5 g# G) G- \" O2 Y
    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% A; V, i  ?0 {
    他 ...
    ; |3 V' S* M) {+ p# H3 k! ]/ b
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好) T0 r. _* L" P. y6 w2 _
    5071A好像这两年不好买了
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    13 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 13:358 S, a# _: [$ f- J
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    2 O/ e$ [4 c, ?$ h! h5071A好像这两年不好买了

    ' H' F' w( y" Q9 @3 @, s这个短稳长稳有出处嘛?1 S- }2 t' F5 P) @, n% r' 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~~5 q9 f' L( X# M' B* G
    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
    0 `- N: @1 E" }$ b* z这个短稳长稳有出处嘛?6 i  d* h/ r$ W5 I
    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 ...
    , j4 m9 j( r# {
    3 A* e' L  i, W, V  L; H
    6 E: k# r1 ~9 E: ^% D
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图$ G8 y- R% W1 T8 B. E' ~! }+ v  k8 P
    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
    13 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+ d! R5 l3 e! k# a  w5 I5 R# {7 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。' ]- l/ `: O( p. B- I+ Q2 ^2 P& ~) d
    他 ...
    ; G( F5 p+ t6 y
    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
    13 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/ }1 ]& k" h) w4 O1 P
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    ) l# P* X" S# r0 L7 {5 m4 |& c这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    . X& \7 m9 ^9 `/ ?, u. K0 B- b9 a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。1 [% K' x6 k5 R' r9 l9 Q* h
    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。; H& B! E9 @  W+ a  S

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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 03:358 Z7 ^& Q2 t. ~! 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。
    : O! ?4 C. \6 `# q- g+ ^9 g+ A/ _冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
      _& ~5 j1 o9 H2 M; r' `
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    " h/ ^( t  ]: V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. c& O2 h, h9 ?( s6 s% v7 h4 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
    4 w9 C8 T# |# v7 y7 Z: }  s安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    , V, `9 Y2 Z4 v9 Z: y) s1 g$ c& D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. G3 X( G+ D5 I8 F
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    : D5 B2 [4 V) {# M% [4 k, \) `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& ]& b. u' f- @* b0 k' S1 T; z* e
    时间基准据说 ...
      W0 Y+ i; `0 N4 Y
    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
    ( R3 ]% S# v+ Q$ H" v4 Q& L) J请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    . x7 {. X. w9 N1 `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
    / N- D& o5 K# F/ x  x
    # R- p3 T5 M; \1 i# `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
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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
    4 D4 l1 _  D" ?6 w0 ?% E$ I' W! o# 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 ...

    ) ^. o2 {4 O9 X/ B- a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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