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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 z+ z. q, u3 b# T& h, Q
    " f/ |  x6 q  H$ d' Y7 X
    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。
    9 E! [. r1 Y2 K* q: e  F1 y* r6 @. ]) c, N. u4 @
    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。
    7 ?8 t: v; p6 }# ~; @; Q% }$ v4 i! r) b  }
    个头、模样大致如此,二十六公斤。" }( s/ N2 m& W% Z/ r6 D

    % r* E. F( F7 J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。
      q% F7 y) k) K" x) F
    0 B$ h4 g1 {5 M# i9 b- p! b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。
    " o7 C8 J" a9 ]  z$ R" i
    # d- c6 E. x: y8 z1 h$ 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?
    $ A/ g: U* B0 G9 H2 ^* C
    $ m' h4 {+ N9 r: b9 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。
    % E, S- V* U0 r* B0 v6 h% f5 X" }& c1 N6 j" ~( m$ j
    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!2 C: A: q/ h6 W6 O9 i4 {% w6 Y  w
    9 f8 t( }4 o/ e5 h3 m' e
    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。8 |" E4 Y9 t9 D0 P3 x9 L

    8 P( h2 S8 h0 _" ~6 b: R' G- Z$ H% A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。
    " J1 T! y- F6 S/ P2 H' K  M
    3 v/ c$ h# I( K( }3 o% C说些个大家可能百度不到的。
    : g2 `8 N5 N1 C2 @5 P6 f& Z
    * L2 m) \; @5 q$ @: P===前方高能===3 \  q9 P3 K5 ?

    $ A* V# ?" o4 G; I+ N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。
    9 [( R4 x: H: U( e7 J, Z1 i' P5 R+ N( Y- g3 G" |% I( T) ^
    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 j6 ]  ]4 l/ w6 p% y6 S" R; C+ O, S. q  U# C6 I7 K

    " O- F3 V. D# Y8 i惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    * Q: @* ~- H# ~* x+ ~+ ^8 i5 x* E4 }/ W
    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!. f3 p2 q6 O& f2 ^8 @% y) m+ ?

    * g) h* B: l* {  G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。
    ( d/ K0 k! U$ O! F1 Q
    . k2 B3 s4 f- y. c  w2 }. w6 [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。
    * `" K# Z; ?: R) M, g5 j$ P. L% V3 C& _4 x: S/ Z9 K
    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。
    : R# L* a* G' W4 `- `
    ! X/ e8 O! W7 ?4 U% a  c1986年,十的负十四次方。
    1 v1 B' p% ]  C. b3 [- d) X% B, N- @; L: k
    2003年,十的负十五次方。
    , H4 Y8 \6 |% K0 b7 w4 {2 M5 @1 F2 v( ?9 j% e( T
    2017年,十的负十六次方。
    / M2 Y3 W8 o1 W% g5 p; Y" e( ?/ X( F" S: l8 F0 T0 F0 [
    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。) D6 L& c3 j* x  Y! n- o1 W; S
    ( ~, v% z  s3 O
    。。。9 \: _3 [' ]0 F6 t7 U

    3 E3 B% _0 y4 N9 ~$ C4 ?2 _( M4 l
    6 G$ `. v6 c$ Y) s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 \+ n4 V7 _% X  K/ N0 ]9 \: ]8 P  l

    " G% ~; Q& G+ Q7 y! s' r; i( K

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  • TA的每日心情
    开心
    前天 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。
    # d8 N9 z7 @$ d( f( z# ?8 l7 n9 |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

    4 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
    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
    3 天前
  • 签到天数: 639 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
    ; F5 K' ~9 x. s  @/ N  j8 `2 T8 M0 }
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);7 z1 `6 m: z3 \0 D, t  F7 e
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    # q# h  A" j9 @9 P4 x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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    前天 04:43
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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
    * s" V% ?# r9 H) S! n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
    , h; g% |+ e+ l
    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 n5 ]0 O; h) u: H
    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 22:565 o$ @: c: c, h" H3 S- A
    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。  z: c$ o7 o" M$ `# [
    他 ...
    0 M2 \5 G. e/ H- H* Z  f
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    * g1 y5 ]' K/ l& G( c0 Z5071A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* c5 ^! H7 C5 H, R& T. g  O4 o
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好4 c/ F) d% R/ D/ k6 O8 [
    5071A好像这两年不好买了

    ) P: X% k; `, N  |这个短稳长稳有出处嘛?. P9 ?2 [1 q: q4 b. O
    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~~
    ' ]3 p  F( u) |; A3 c8 F4 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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    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 22:56
    * s3 N/ n; s. k- [这个短稳长稳有出处嘛?! m; z/ Q1 C; x- _, }% [3 R
    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 T9 R3 K8 P& E  q6 |' O" w

    $ k# D( A! H! \' X& E5 o1 f2 H$ ^6 x1 w/ P
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图7 s  ], ~: Z2 i, m1 e" Q, 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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    油墨: 5 油菜: 5 给力: 5 涨姿势: 5
      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
    11 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) J( C( T* T9 M7 w  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。; {$ r4 O5 ?0 S
    他 ...

    0 B0 b4 P+ ~% d3 z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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    前天 04:43
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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
    ) P4 \  T* P3 @没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    ( h4 k5 Z4 \) x" [: V( m& r这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    . Z) O- ?3 V3 S$ T8 [5 ~, v! e
    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。
    3 J$ J& x: M3 `0 e. 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。
    . i9 j* ?! `( e& z! J/ V; q

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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
    4 t- I0 Y  H5 f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。
    6 m1 @9 I/ \5 U* V冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    6 W5 I6 U* C- c1 U% p
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    ' g0 l$ E+ X; y' V/ H& X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0 y+ V! h/ A5 o8 j, `1 ?4 A
    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" J8 v5 `1 _( {0 _! B+ l* {  i安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    5 h8 @3 P* ~- |9 U' q$ }
    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
    2 R  ?: \. [" h" Q可能高端的铯钟做的更好一些吧
    3 _( T6 z( Q! w# M4 g& 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
    6 Y& B4 V& P" w3 c4 K# I时间基准据说 ...

    " J. @( q1 Z+ E- N' ]/ T$ N/ |' j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
    ) {. `  k+ u$ a  c请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    0 v' |" A+ F3 J% U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( Q6 @+ i) v9 ]0 }  R
    2 H- a! i& X5 A9 C+ Q; X8 r/ 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' ?+ L4 ^( ]6 {/ u. i
    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 ...

    " {7 G- c! a  p- I9 q7 X& R, o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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