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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 : |: s3 g7 u) F0 _9 S/ f

    3 x3 b( a$ m! K( a# G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 d3 i) ~; W1 Z* C+ l
    / O$ D8 s; R2 q/ c' a  s6 p5 e
    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。
    5 h$ n1 U6 @; q  G, l( R/ H* y: V0 L) Q$ w6 b6 Q- d
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    # \; q2 i9 B& |4 C1 e' I
      s& V# L3 ?1 _/ U5 l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。
    ; O. Y8 U1 Q# g5 z2 S# _' O
    5 n. J+ Z5 m, R- g: w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。
    ! f) c4 m. L& Z+ ^$ c% q7 i" ]1 a9 ]5 g! F- a3 V
    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?- |- B+ F& w/ `
    4 {/ n' ]6 k3 v5 \
    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。% P3 u; ~$ J' T3 v4 k$ R
    ) ]. l; k5 C- A
    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!/ F( M0 n9 s- [% h) F* u

    1 H: Q- y6 Q5 Z4 ?6 L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。' I- q( j% V5 N& d: i, \
    5 y7 G- z. b5 O! _* `
    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。
    ( N4 ]) E; s$ q/ z' [( N$ c, ~' X/ E% \& s5 n
    说些个大家可能百度不到的。
    6 w% f' t7 t# D
    1 C4 t5 f- @  J$ c: u===前方高能===7 V4 b; \5 T% h

    2 W9 _8 G2 H" @; ?. U* j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。1 ~' `6 C0 Q% ~- {

    ) M" D$ o5 q2 i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。
    # K$ G3 c5 I! L6 O6 @" D* l8 R$ _; P& ]7 t& Q

    , _3 s9 Z8 W) [& n惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    8 M3 c- b* h: a3 ]: y+ [# ]2 _3 Y; g( o
    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!
    7 Y3 G# b- x- N. m. ?+ ^- s; a& @
    4 L- P% u) g3 N) W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。
    9 {9 o5 B' B0 n+ B9 p$ H7 b4 s: `1 B* K, h  W  P8 j7 Z: y
    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 h$ x. V! k1 B, L2 r
    $ T3 C& ~: `  w3 i  L1981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。$ u+ u* Z7 o( x8 O" M, |! q* p
    6 Q, s1 ^: J8 Y% _* ^" {* N9 {
    1986年,十的负十四次方。
    . N7 l+ N( X* L0 s: M
    3 O: k* o) G9 l$ y9 n2003年,十的负十五次方。
    ! c9 e* x; F3 d* p; S" A2 q9 R$ l2 ?, g' n/ M
    2017年,十的负十六次方。5 ^' O! G. I6 B) w. O

    . k3 a: B1 ~. }% i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。: s5 m8 `; t$ ?/ \+ i8 X

    8 ?0 Z2 s' }2 e! m  K。。。# j) Q2 ~; x9 [6 a% R4 b/ q5 {. V1 l8 T
    # z* l3 |2 C: M8 B& b/ P

    3 U4 i7 L" f- A* 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。7 _# |4 |) z2 J6 b  J0 N) o

    ( L5 I3 v6 r5 E, ~
    7 T# {- v# e- T2 W& a" H+ i6 F+ ^& t2 p; b

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  • TA的每日心情
    开心
    昨天 06:42
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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。
    3 k3 p, C* I! r: ~+ p  t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
    郁闷
    11 分钟前
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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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    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
    2024-10-10 13:34
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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 1 Q- {- c% q: N/ A
    : S1 }0 N" y* {8 P. _
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);2 L3 m- S+ {! C" K  \
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。$ p0 v/ [) @4 Y% g' _9 R& I8 u- H5 l
    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 分钟前
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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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    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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    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:45
    9 x+ a" t$ @) R3 T( C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
    - c4 N9 I: B1 k4 c  C
    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。9 s3 G$ J6 k2 A3 V
    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" S9 M1 O# i% ^! a/ O  c& x
    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 _( G9 }3 Q9 i! b- h3 T6 x2 Q他 ...
    0 w0 U6 |% {6 |& i/ w' o# R# Q( J) ~9 A
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好9 Z. y0 x0 i. b
    5071A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 13:356 e/ p6 O) m6 M& a, L
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好9 X. r" G3 ^' o: N+ Q' w! E1 g7 F# L
    5071A好像这两年不好买了
    , M2 r2 J+ I' z/ m* v% O. ^. @$ b
    这个短稳长稳有出处嘛?
    ! H4 L( {% }' @4 @( F3 q4 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~~5 J# _  F- Z8 _' ^- u
    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 z+ A0 J; ~3 F3 w# J4 O这个短稳长稳有出处嘛?: A1 T/ t' _, M1 l) p/ }# L7 w/ L
    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 ...
    ' v/ A! q( s) b  o/ B4 w3 m

    / u- w0 v  c+ H. G" K" l3 x: _, ~% A) z. D9 q6 R1 Z
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图7 s3 e' B. U; z4 m8 c
    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 分钟前
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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
    + T( Q$ L# a2 Z/ Y8 a3 D( U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; n& n  V6 _5 X他 ...
    % d# C  f# q( I* I, u
    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
    # n3 Y0 K; K8 p% i! c9 J  b没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图/ j/ a4 S- d, h( |
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    $ P& ]/ S8 l* 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。
    ' Q7 E, A  Y& a  o" }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。
      n; C' `' A$ S) |, l/ E& [; A& ]

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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
      o3 N+ Y' d7 R; p' v0 i( 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。
    8 Z2 b  N% v% c$ `冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    0 h; X) ~" w9 C% F; |% h# Z. y
    可能高端的铯钟做的更好一些吧( Q9 y( O+ L* U5 t( C
    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
    3 e/ o3 L  D- m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
    ; T" Y, W& a6 l2 M安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    8 }  Z& z4 x- A) U# B
    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
    ' Z3 W" m  Q# i可能高端的铯钟做的更好一些吧) ]5 Q0 F1 \, N* \6 y
    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
    " W& q# A5 c( q$ c: c7 W时间基准据说 ...
    2 T7 N  |" [4 B0 S
    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
    $ J9 P3 G# _) Z. c6 P请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    / Z' Q; _+ z7 r0 T4 G/ 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! s# s) P) w/ s  H0 u! f4 d; g

    # m2 Z6 f' I+ P' B- D9 W: h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
  • 签到天数: 17 天

    [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
    1 @0 d: h6 j# d2 B: 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 ...
    ; \! F, {9 c. j' \+ f
    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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