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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 # e/ G+ D" |4 A1 l- ?* [; l
    0 ?; x9 p1 p* l/ k" z
    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。
      o& `6 e/ d* U4 }1 s- ^7 b, l) @! u9 }
    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。
    ! k0 D/ \' m2 y
    ! r! ]2 X7 t0 ]. h! ~1 C个头、模样大致如此,二十六公斤。+ h2 h( H+ M- x4 v) Z" Q- b. E
    % s6 ^! ], q- P7 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。/ j' s- f6 A+ Z( z  L+ ?
    $ _( M1 T2 y8 |
    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。8 e" U, Q& j  s! ~" s
    # A0 Y. o, b" n
    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?& q) m7 P, K+ v) d! O1 A- p8 r* o
    + N) T1 d5 c! [" o8 [/ A2 e5 s/ p6 q' f' h
    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。
    . z2 s3 a7 n) L, @# }1 Y$ P
    ' E0 o5 c" ]6 ^  ?0 R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!
    " s5 i5 k4 ]# H' v  S4 j. `
    & i/ i# }) ^+ k+ O# A9 u' h7 [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 N" q' q2 s6 g: U3 w
    4 N1 q5 U( K3 w% S
    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。
    ) i4 \' N" Y4 m0 k, a) E6 B/ ]0 J! b( C0 n4 G' W. b0 g
    说些个大家可能百度不到的。6 A4 G4 P; u, n6 J( E: ]4 e

    + p+ G- Y  K. G2 u& }" x* y===前方高能===: u2 \- K# u' m( s5 h

    : {9 v5 j) q+ e$ ^; w: e3 \# K* D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。
    4 Q% V( M( X6 N3 p. D9 a
    3 @4 Z* x  O  t: e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。/ S- n, A& Z/ ]% Z0 x7 p3 o
    $ d5 ]# A. _: P5 D
    $ Q* u( u& p' K+ `7 I$ P  z6 F
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。2 C3 ~4 B8 b8 a  s, l: P

    : I' }- I7 r5 ]' t5 o7 U1964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!/ D  X7 e/ \3 U7 x: c& @
    ) i) [# o, }5 E& d! M: W; R: m
    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。8 G. S3 n, r0 q4 l& ^% `! Q4 J2 G
    3 f4 E9 ]! y( a0 _  i1 x; 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。  w/ j" O1 [6 R2 L$ V

    , O: j& @" ]7 K1 h1981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。
    & C8 x& J( q/ M1 }
    ' B6 n" x% |  G$ U" A$ ]5 S# R1986年,十的负十四次方。
    ; R6 `* y6 e6 P# V* o" z+ X/ j  @8 c1 G4 \6 n
    2003年,十的负十五次方。: d: j  [) G' V+ w
    , a, g% e$ U$ \& e! y  ?' g1 d
    2017年,十的负十六次方。; I6 h9 e( ?  K8 L% X* Z6 y" I

    5 m2 K7 v4 B* G9 ]# s8 ]( N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。
    " A* v* Z+ [; f1 X: j% Y' o1 v1 @4 V; i9 H$ k
    。。。
    ) C3 d, w! P, G4 k/ y5 c9 d' C6 k$ ^
    ; `5 q0 G/ B6 m* q: f- _
    8 @# j+ ?, u4 q- p+ {' y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: T" T) P$ |# H5 u2 T" q( f3 Z0 y5 |5 s& `% Q
    ( J: ]- B5 n0 q) k' S$ V4 ~7 b
    ! d, g- ]* j) g

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  • TA的每日心情
    开心
    2 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。
    & t0 X4 H; S1 q4 d; 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

    昨天 07:17
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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
    2025-7-12 09:31
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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 6 x8 q3 ~2 T* m+ h9 p! a  z

    ' `- \9 P$ @" J0 c/ N  k7 U' d群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    / P2 f' Q3 x1 t, u9 z看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。, c, m* p1 W, O% d% h
    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
    3 小时前
  • 签到天数: 3524 天

    [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
    2 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& @' V3 W* e% M" |2 ^3 A* @
    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

    ( N# U7 {+ M/ {' ?( X) O( t1 s& d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 W2 S$ I9 l! H
    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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    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
    " @+ C9 w# A/ X6 H! |1 e; j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。! A# m/ R8 H9 K
    他 ...
    , a& P4 n) d0 H% k! c
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    * V7 j% P; i: Z$ s- i; j5071A好像这两年不好买了
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    2 小时前
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    [LV.Master]无

    11#
    发表于 2020-7-25 22:56:14 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-25 13:352 f( `; x: z- u* X# a5 K
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好4 M0 J& l! ]/ `! D
    5071A好像这两年不好买了
    $ i" N& M( @; G6 |" u
    这个短稳长稳有出处嘛?
    % t& ]9 u$ |5 q% z. n. @( q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 O- Q- S' u% U# ~( T, Q& Y
    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
    ( G) z/ c" z$ L3 o这个短稳长稳有出处嘛?% y$ P7 ?7 F& Z- M0 G0 p9 F! ^
    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 ...

    5 d  I7 s! ?* J! Q$ z& W* Q
    7 H( \! v/ V, z; i9 f# r0 X& s! B  O; p
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    ) w7 J  i7 t1 Y( N; v8 `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
    3 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 22:568 n$ M" _' B; J* {! {! D1 E' J
    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 x/ |  {) D/ |+ h+ K4 Z* K他 ...
    0 j+ l$ @( G1 B* ?" s2 x8 v; y
    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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    开心
    2 小时前
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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
    6 t, ^: S1 w6 J3 v: t; l没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图+ S+ @8 \9 S; Z3 Y7 T" q/ A
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    ( [2 B+ q& t% r+ g& [6 A; n/ K8 T
    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。
    2 |4 s; }- r" `3 V! 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。# [2 }  q$ g4 s) I' 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 03:350 z, _& A- T! {' w) S: l) `1 J7 Q& 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。3 I" O5 J1 F& Y$ ^# z
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    5 ]- H* \6 E: W( L
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    " _. p& ^& r$ W! v, [" F9 L0 Y3 t1 M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! D$ a5 Q/ F$ n* b. {
    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 03:017 Y, B  N  E2 a
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    & ]  X# o& @4 `) q8 O
    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( s& |3 ^1 a8 G' u; T. v
    可能高端的铯钟做的更好一些吧8 ~/ a1 w, d& d- u, g. v
    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
      x3 [* s* ~. |* s时间基准据说 ...

    , v) h; _) t- @* [6 Y9 ]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" m" L9 j# s* O! K) W
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    " F/ v: ?* E' L! j% L$ _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# U6 C6 h& G. B
    " v9 Y4 \5 ]! n3 K' B
    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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    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
    8 W% c7 t' X  p9 {6 l! M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 ...

    $ [& ^& S; T5 J9 y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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