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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 ! b; A7 z% j! q# o0 f. O

    3 W- U( Z6 W( `# N( a2 B0 r$ W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。
    $ v- V0 T. O# ~% V) j
    - x) P$ |: R7 m6 a7 ^4 ?$ ?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 ]) K' A; w- o

    & j9 O6 J" t% D$ x& B$ ]. K个头、模样大致如此,二十六公斤。
    $ _: l& u/ R2 m
    : m  W5 d% @* \6 i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。
    ) n: H8 m$ Y! g# N2 _- O+ k$ z3 X$ Y
    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。
    $ s. h+ j. T6 g- i% E
    . p* R8 `9 u3 x( E) U- ?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?
    " m( k* X- G  U1 d  l7 C2 U/ q9 P6 w5 j( E$ Y
    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。
    1 G/ h: j& v6 ?/ D) S' ~0 E- t0 H: \! {: @, ?. p9 Q4 D; h0 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!$ \; x3 a1 V1 @; S( c: T0 ~
    4 o# p( U& w) E4 N1 S
    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 ]/ y/ @% p2 i$ n1 v1 V* L
    ' H$ R) B0 \+ K* p8 F; }3 q0 B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。
    3 `$ p$ R9 r" A7 w9 a" i
      Y4 [  r: J7 z+ B# T说些个大家可能百度不到的。. c* v# I3 ?% P7 ]: h

    7 x) o8 n+ X/ B7 C( ?  b===前方高能===
    ; r) e) _3 M5 D$ x  K3 i
    4 o1 r4 ^2 B1 ]$ D2 x' R% q" o  @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。- o& J( c! T- i) k. @* c
    % A" V0 l! [3 k# e* 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。
    7 _. t& Z: N5 G) k; g
    ( V7 N) J1 N7 c
    # H" ]$ F$ q/ T) h5 ~% j惠普当年的铯钟,吊打全世界。! H; j5 C) V* k6 ~/ G' S

    4 K1 |+ {# q+ A8 u5 L- d1964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!
    1 h9 T* {9 _& }+ C  s% \' c: \* ]" a( L. K! G# q+ r
    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。
    , N, B% I* i4 I1 x9 k7 r% I, j
    : u$ r0 h- y6 j( Q4 ]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。+ @: E0 O! G: v9 g

    5 m* U. _* C8 ~! T' X1 G/ e! \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。" F% ?4 Z- H% R! Q& e; ?& g. Q9 k8 M
    ' y4 I- n  m1 |& {$ g
    1986年,十的负十四次方。
    $ v, o8 \1 [4 o" w: g% x/ p, g0 J& O7 N. z8 Z4 I
    2003年,十的负十五次方。
    ) I) A' Y4 A% e* Y1 l" x. a9 D* B; x4 I  C1 e! Q
    2017年,十的负十六次方。
    ! g7 Y- N3 Y2 H; z
    , F* O( C/ v; }8 h2 u; q/ `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。
    : _: Q) r0 {2 I# H* H* G4 P! x
      i/ N" N) u- w( S7 n+ C  S。。。
    , l+ f* y0 V, m5 O0 g, h, l
    & \) e5 ^7 A6 z& q  B5 j3 Q1 L( N3 B0 P. L9 M4 T! F2 d: p
    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。* x! I; u. f3 b- I8 ~6 `6 I. W

    ; o1 Z' S# p3 g- j1 ?1 y$ `" c! P: \) t, P3 y2 @1 ?. q' h+ f
    4 D. s1 L' W0 S

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  • TA的每日心情
    开心
    7 小时前
  • 签到天数: 3371 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。
    ! E' m. Y8 F& B4 `& M) o& W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
    慵懒
    7 小时前
  • 签到天数: 3262 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
    5 天前
  • 签到天数: 687 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
    8 w, |$ `  Q5 g$ e2 {2 I* Z/ f( P( S4 ~  f- d% W3 D
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    / g4 _; @0 a- ?* ~, v3 _% W看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    , t3 O- k# U( t6 O4 z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
    7 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
    * h# _! r& G- R9 A, j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
    ' }8 G9 z$ e& r# A; @) 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。
    - `. B* E$ @, o8 F# L  e" |他家的铯钟在基站上很常见。

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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 22:56
    9 R! R$ [7 D( d0 F  {  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。
    * d; N2 O( s" v' {0 L  _: S他 ...

    $ S! M/ ^# d/ a+ s- X短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
      c4 D  a$ [3 Y* V4 ]( ]5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    7 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: Q6 ~. H$ ~. Z
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好+ K  \* h. y% r1 n" X
    5071A好像这两年不好买了
    2 U+ Y4 `& d2 r3 R- s; Q" ~4 Q& @
    这个短稳长稳有出处嘛?0 d/ h$ {( s6 V8 B0 E! K
    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~~6 H" M) h" u4 P# [. F
    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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    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
    * P" `9 T( X4 o3 G- `0 f; [" r: b这个短稳长稳有出处嘛?' T+ a* q1 G( w3 }7 C$ V+ Q7 a
    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 ...
    ; w9 y, w+ Y5 W
    % J5 b6 h; O; S. Z/ t# l

    " g! c2 c0 g9 U; F5 P没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图8 s$ D, d2 a5 ?
    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
    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
    ) r, F( r1 g8 F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。
    . D# M# ~" _1 R他 ...
    - d+ q2 r/ F% I9 r
    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
    7 小时前
  • 签到天数: 3371 天

    [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! C8 m0 C2 w  K* ]9 S( r* n$ R
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    2 K5 n/ H6 `. h0 T* r! k( ?; y这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    ! k% u& N: }+ 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。( b1 Z' M, L- T2 b: C
    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。1 @* @1 e+ i, `2 u" u  F

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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" Z7 p2 w6 N# j. B
    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。
    . a6 p) o. X) ~( C( [- {  l1 U冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
      `: F  N2 Q' X5 S
    可能高端的铯钟做的更好一些吧6 y3 ^) m. }) r: i
    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 V  ?2 S0 q0 a" o. G! u" ^# M" Z$ 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
    & h/ J6 o+ y7 v- W安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    + n: ?9 {0 N- Q; J0 \
    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
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    [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
    9 J" T* S0 }$ E$ c$ A. W1 N可能高端的铯钟做的更好一些吧
    9 e0 t, G" b( L  P, U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% h* V6 p* y' O2 O
    时间基准据说 ...
    ( F& ]( J+ t- x% f" I/ e! k/ D
    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
    * `3 s9 A, L8 J+ o* V  n请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    " ]7 M# y  d% j6 \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0 i2 H. {  O8 p' d+ w0 \+ S+ ?
    1 O! X) o5 h9 W! S- K
    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
    / }3 C7 ^& T/ h' g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 ...

    , w# M0 K4 K' E, R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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