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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
    % J" S6 V5 o9 ^
    & ~- j) _9 T2 A0 ?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。' I0 e. g( h( C8 L! \/ p2 h' V

    - o  D# s( i" y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。; }2 J7 ?' w. @5 \# B
    # f8 |- o9 Z! Z' d2 u5 V
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    / I0 [% l, Y. {3 _- a0 h/ S$ l) A
    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 E0 Z" w3 c: v+ C7 \+ \$ [% o/ m2 a3 b- C
    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。
    ' ^; @# Y2 J8 ?' b
    ( Q- n/ `, r4 b( F8 H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?
    $ B8 {2 ^  t# {/ d/ ?+ D& m! z- f. x: X2 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。
    3 d! R* E1 y( X( l, r" [8 f2 \# s1 y0 V# Y
    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 i- n9 p  m9 f) x; `5 P! Z
    ; D1 v5 V5 x  r2 W
    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。
    # @% ^5 P9 @! ~4 F$ }* L( f, ?) R
    6 o6 Z' v4 U3 e7 t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。
    5 F% W& H7 O4 k1 \- }+ q! q7 A1 `
    $ P3 w# S. {0 [+ @; e) k( C说些个大家可能百度不到的。/ R+ y4 P8 h6 A4 P7 k+ d. P4 f

    + |& B) r- @/ F( _===前方高能===5 J# H# C0 ~+ g/ v) O( M3 t

    % i  T+ q. v. `1 r" V% l. T1 ~6 f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。/ r0 D- p5 c) \$ o$ z/ X: ?  P
    9 M: x* `/ [0 M" y
    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。1 y% U9 @+ ]3 D8 D7 G+ }: W

    + L* F! L1 y! z- \( J! ~0 f2 z
    6 s' z3 m& U$ i. {+ b" ^1 x惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    1 Y% J$ P' t3 _, V0 D
    ( O4 Z7 ~  o' w7 d; s, u# `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!
    : k# G) V8 Y; k$ @
    0 E5 s0 H8 e( v1 p1 ^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。& @; d2 H# I: q. g  L

    : F8 B  W9 ]; _$ O4 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。) C6 X9 Y$ `5 v
    / W/ a5 g* D$ F% T/ h! s
    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。
    ! A( B3 [& I2 ?6 B- \, A, U
    ( f7 u. ^& o7 Y( G# H% p1986年,十的负十四次方。3 O8 _) k" J, u* a; Q, ~8 R* j

    6 c# {+ G& k0 q# [0 A2003年,十的负十五次方。* J$ a' R' r7 R& c
    ! ~* \- h; [" _- o
    2017年,十的负十六次方。
    7 Z7 R7 P9 K' W0 |
    0 E; A  J% t' o8 V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。" s/ T" x. W  K$ @% Y! P
    4 m% y1 d/ p7 E) h2 O
    。。。9 T# _& g( D$ q  g7 f

    " L  K& f6 a" ]8 U$ P: B& \
    3 E+ g# ]0 x0 c' @% }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。
    : A! G' {0 _# D! R" @
    : w; e! y) ^! E) `, M
    5 B6 v& p; I1 c! J1 D6 l& ^" w& m, Y2 ~

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  • TA的每日心情
    开心
    9 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。( G+ p$ T5 b7 {& u' Y
    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 小时前
  • 签到天数: 3005 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
    2025-8-2 17:01
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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 7 i" C; W/ C6 L% o+ Q" K$ o
    0 W% \) r  f' ^1 V; q. y. X
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);' q3 Y1 w. _+ z
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    0 Z( A( q5 W7 ?5 }0 N# F1 |  H3 N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
    9 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
    9 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 18:451 U/ X. P3 |! L1 i+ |  k+ s! T
    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

    3 P! v+ [; {9 e4 }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。
    . ]) {+ V7 [- e, K5 u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 E$ |! D( _* C3 i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。3 ]' _2 z4 r9 _4 e
    他 ...

    2 Q& _7 j9 q, }% z, R2 m6 A  V短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好( I. F3 j& u, Q# ~+ f7 Z
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    9 小时前
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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( D, ?* V% v* k4 Z3 X2 g
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好' x5 m3 i+ D5 H4 O+ Q& q
    5071A好像这两年不好买了

    + t9 O6 o6 }2 V这个短稳长稳有出处嘛?: y0 k  W- u& z3 B6 I2 P
    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~~
    ( o, `2 ]* X9 d$ a( u+ e+ S3 D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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  • TA的每日心情
    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 22:567 O6 A* w. P' U
    这个短稳长稳有出处嘛?) Q+ `* l+ }5 t, q2 h( U
    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 ...
    - U7 g7 c/ P) o9 h: a* r+ C% M

    + {/ q2 c3 \6 c8 {
    ( H" }; p9 B5 Q  G! S/ D) u; c9 ?没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    # F4 C; M/ n( N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
    9 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, X. ^! U6 U- j- L, t
    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 A- X. f. M$ y, ]" w& i" E& A
    他 ...

    , u! J% k2 M7 c; b2 k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
    9 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( N& @5 c3 D* t3 A$ q
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图% h3 ?3 u- Y8 c
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    3 L6 ^0 `2 B6 N5 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。; U6 ?+ M' }4 {1 j  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。
    ; h1 L# A7 n* a; m! S% k* Q) m

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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 03:35) N1 Y* P+ w4 m% A8 J( m2 O+ N- l) U
    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。! l& a% {" u" Y/ d& ?2 o1 [
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    # Q; B5 T& P1 ^* a, r5 l可能高端的铯钟做的更好一些吧3 Y$ b6 }0 l9 e5 G
    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: i2 N" ~8 N. ?2 ^
    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 03:010 `: O! O5 s  Q) I* d, u
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    ' X  q2 M# I* F5 x( L' ^5 A" U% j
    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
    7 f( g, B* @1 ]1 ^可能高端的铯钟做的更好一些吧$ E: {5 e, \. B+ `4 K7 T
    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( v# v, A# W# ]
    时间基准据说 ...

    . O1 Z4 B2 X0 o( V1 ^8 V4 a  Z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
    " z8 \' ~3 ^/ b" `5 d7 ^- q! T请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    " J! S# i$ V2 B! ]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
    - H4 A) v# D6 v3 E4 N. Y- u5 c) M& S6 ^# P3 z, ]9 e/ b& e
    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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    [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% P! |* ]; V- J
    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 ...

    5 t# _8 w5 u0 G5 K9 B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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