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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 $ Q" Z0 v% I, Q9 ^' y+ y
    , k; L0 H4 ^: ?- j
    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。& N- X% a5 l- z; v( H" C5 G# W
    & l! J, i4 n9 h) o4 B+ _
    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。" a, n& p8 L6 R

    5 D  I% w9 l9 v- ]+ J个头、模样大致如此,二十六公斤。
    3 O, e  R, o" }; ?! e: v/ P. ~* a/ r& M5 Y, y8 o
    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。
    6 y: d0 a; ?% g2 `; p/ n' @. L, Y5 P+ ^6 ?# g4 H/ X
    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。5 G9 z% |' `# J+ ?+ Y
    $ z) ~+ {! h# B! G3 Y: E
    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?, V% J% D/ m, n+ Y3 Y

    % z/ v" T4 d8 M' v! o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。
    $ X) y% K4 Z! U+ }( R! L- v* t% P- i! q# d& X$ Z$ _
    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!0 j4 K/ H1 T, z2 @0 x
    7 P- d+ h4 f( G5 E& z
    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。/ Z" q* E' m6 {& e6 V

    + A3 m) h! p% y5 ~! j. p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。+ `4 K/ ]1 H* E
    3 y; L1 A( J( W3 B( z) F  J
    说些个大家可能百度不到的。
    6 Z7 Z& F* {" J4 K
    $ r1 c" v! \$ p; g4 y===前方高能===# ?3 y* \# d' \* K

    * k. |% S! {/ m4 u  _( q7 {% {* v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。
    , J7 d8 x) Y# \
    ; I4 Y! H( i9 P1 O$ V0 V+ K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。
    % b& o& e+ _: K6 J9 a( E; V0 x$ {: B8 p7 Q
    ! v+ ~. m* x: o( }5 @* _
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    2 l: W; b9 Q4 Z; R+ S1 Z0 ~9 l7 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!
    # H4 m* L1 C5 g0 |& O5 h  y
    : O% s; D8 T) E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。
    ! M3 k$ C5 |. I' y3 ?9 r; u
    0 q  g" z* [% o5 e  K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。$ c: D  k( [. x& I! \4 ^
    # b2 V8 e) F2 y% o. X. z
    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。
    9 g( Y( @* u0 h' S! O
    2 G0 |! Q" C- w( D7 w0 l% W1986年,十的负十四次方。) p7 O3 D8 i0 s

    8 S6 R, w" Y. H: t- \" P2003年,十的负十五次方。
    % h2 W5 J# ?* H2 A4 p5 ~9 g: D0 R$ @5 [( j3 j& t
    2017年,十的负十六次方。
    # R' B7 w! n( s! x1 w% d) f- ?3 E
    0 B! E: N3 \; T# M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。$ x6 C, ^. E: @5 `2 Z) H

    ; D& A8 R6 Q9 ?  p。。。
    ; h; U+ z, n& `- U% H
    7 S' E# Q/ A# n* C8 m) g8 V& w+ a/ z9 }5 O8 w
    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。
    5 P* B. F2 ^  b" R$ a" B: W
    $ M' x( g# ~4 z/ F) Z8 E4 V7 t, d3 T- d$ J) R

    , A/ [( X' f! M9 D! m

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    天狼星 + 2 谢谢!有你,爱坛更精彩
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  • TA的每日心情
    难过
    半小时前
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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。
    / ?4 v6 V) ^2 A6 ?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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  • TA的每日心情
    奋斗
    昨天 00:00
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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
    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
    2026-9-9 11:13
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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 2 Q8 I8 A( {! f* p  ]5 E

    ; N$ L9 r6 p9 f# a- O+ A群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    5 N# s* w  r" L/ @$ f' D% B看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    3 L- z  k& J  Y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
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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
    难过
    半小时前
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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 18:45
    3 _7 H+ c* q. b5 W$ l4 a) f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
      F( T# I6 N) T& K" `) p
    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。# Q6 R; a$ ~2 r/ R" [
    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 22:568 E; ]' a0 F# G, ?
    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 q! R: v  \7 x6 E' h" _9 @8 G
    他 ...
    . X. c! R; c; C' q5 R; J4 }
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好' ]( u5 x; H2 W/ f
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    难过
    半小时前
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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
    : C% i4 G: I" t" ^$ [3 b5 I短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好% m! K- q' l. Q4 [7 y: t& m, V! e
    5071A好像这两年不好买了
    / i/ r' H# e3 W) v
    这个短稳长稳有出处嘛?
    # a$ q6 J$ N# s2 f, k6 h9 z* _/ h9 }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~~# U& W/ n! f8 ]& P7 Z6 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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  • 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 22:56  x  x9 n) t" [4 I7 o8 E
    这个短稳长稳有出处嘛?) F* i" L0 B3 w. {8 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 ...

    4 R- m! ?& l: W5 a, |+ V3 m2 t
    & }2 B7 K6 E3 e, r2 N: w* q2 {" @' d4 ~
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图7 ~1 @( B* D! }3 F- F7 r" m6 s
    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
    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 22:562 f5 l, r$ g- S1 \/ D7 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。
    , ^& j) }( I8 `( |3 L他 ...
      F' {, L$ _# _4 s/ ?, b
    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: Q* \3 n$ T0 A) O& F
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图% ?: M2 q7 c. i6 D% v8 ]  }
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    6 V- _- L) ^. I8 Y' G! p+ k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。
    $ u" T  `* M" m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。
    : P7 q8 q1 i+ [+ Z
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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+ F- w; d* B( D  h
    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。" R% M9 C6 ?; {+ _1 m
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    4 t4 i' m0 m3 r3 R
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    " @( w( S1 x! y; _- p! [8 z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
    2 r6 F: R  z& ^( }( p; t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
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    [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
    ' v# X+ B  `; Y! c* V3 c安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    9 U8 Z& I  r8 @/ F; {( }  g# Q! g$ Y
    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
    前天 19:27
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    [LV.5]元婴

    17#
    发表于 2020-7-28 00:56:08 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-27 11:33
    & \/ z6 z' L" ], E+ D: k# L可能高端的铯钟做的更好一些吧
    2 w( F1 r4 i9 T5 e& X/ C9 {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- P, N, m( D' R; A  f: Z) U" {. U
    时间基准据说 ...

    $ F/ I: ~! m- H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 00:564 p' Q$ {3 l2 c: v) s! h8 T( b
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    3 `0 B, l' k: H
    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
    " L7 k* K  c0 F+ {4 ^) b; f: O1 o7 D0 k# Y* W/ W2 w- S  K! w
    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
    前天 19:27
  • 签到天数: 35 天

    [LV.5]元婴

    20#
    发表于 2020-7-28 11:41:34 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-28 10:29
    ' A) }# X, G! u, p. P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 ...

    9 z! A/ N7 G+ }5 L" p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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