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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
    9 N! ]4 a9 O4 D$ X( O
    & A1 l% D. c0 U6 x) a( l  _+ ^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。
    2 r* j5 `( f; M# e( `
    5 @& N3 o+ J4 x9 A8 \5 X% j& W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 C5 [: A7 i* y( _( \" y0 N
    ( }) Z8 @& M* D* u& i% E
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    : @9 U6 _' g' Q+ o, a
    & c9 [: p/ [3 R& F2 i$ 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。
    4 m2 x/ E: K6 v+ H2 K* C( z6 p2 v8 E9 [. s
    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。
    4 F: ~" Y& M5 k$ {5 }) {6 b! |9 i0 J" 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?6 A  u2 d% M2 M
    " p8 ^( A) v( ^4 |& ^3 _) Z
    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。: Z- t. f# ~5 \: J
    : X9 s7 K! U4 b% J1 c
    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!
    # h- }; C' w/ a% D$ L
    / v3 `7 m9 r, |+ P7 X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。  N" V' U3 Y' h

    * y3 V( ^" P0 U( `; r2 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。% I1 ?% \6 {8 k5 s7 B
    * v5 `, J: b+ F5 }* n
    说些个大家可能百度不到的。( {) r: G# m2 l9 d- q% ~

    ' m" M; T! i& A7 h& b& W; E# {===前方高能===6 ~) I* S7 ^8 t/ ?3 q
    ; x  _( |8 g) D7 M% U
    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。; W  t. z3 D: U" y

    4 g: M- |* U2 s! Z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。
    / u/ \* u) ~. J, r6 F% z+ m
    + A, r6 v6 v; f$ o0 e/ U3 v. ~! Q+ a' }" Z6 T7 C9 T
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    : `& ^# f- N. }& a2 ^1 P8 T8 k2 F/ G* i1 p+ F, b$ Z2 ?+ p& 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!
    3 d" z3 j8 Y, y3 y  ~2 b8 [1 Z& u! m5 ~/ l! S
    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。
    . N8 P5 g5 @6 _
    % b$ m5 L5 R4 \# |% J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。
    , j7 L, w4 C+ U9 P0 k+ V
    ' l: V* J8 u. R( H. G) D* \  n% f6 h4 U1981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。
    ) \% S4 ], Z) i$ Y# n
    . o, J1 t( z0 ^1986年,十的负十四次方。+ g9 {0 E0 S9 W0 w/ W4 u* `' m
    " W4 r& S" P. E' a# }: a
    2003年,十的负十五次方。5 E+ g" Z8 `" k& D7 w" g% w" h
      g0 I2 d# S3 i& i; M+ J
    2017年,十的负十六次方。  t) x9 L, x7 l4 u
    2 R# z  {6 v, a# }
    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。
    ; Y; q0 w( P6 N+ B- a) |6 W6 B6 e3 I( |1 b4 d( A* [( X4 b! c
    。。。1 L+ `/ v" a; A) r4 ]4 M- D) X- F' E
    - G+ J: z/ G2 ]  a" n" w
    ; P' o. Y, @, m, ^
    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! A# {6 G+ F" f) x' M2 H7 y2 E0 \) b! L0 z

    ; q# o8 ~/ ^/ j2 j# o: ^/ E& k; d( D

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  • TA的每日心情
    开心
    18 小时前
  • 签到天数: 3474 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。# h6 Y# _: o/ ^' 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
    奋斗
    23 小时前
  • 签到天数: 3362 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
    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
    6 r) ~: Q; k! n+ K- K- n8 n) E. z3 M
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    . c% S/ @. h4 q+ ^9 E# k$ W! j; w' M) l看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    ) y/ D; Y& w- r! ?+ i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
    23 小时前
  • 签到天数: 3951 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
    18 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
    . B) j2 y3 o8 O' T/ q% U' P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# a0 r* {1 J  q( r" n! @8 E
    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。
    ' W3 L  x" E# V1 n9 ~, A他家的铯钟在基站上很常见。

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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. n' _" v$ V2 {2 r, w' r
    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。! T. P) x  k$ N/ Z3 c
    他 ...

    4 V3 A1 T2 U2 B短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    / ?" N! S+ t  D4 g6 R4 \5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    18 小时前
  • 签到天数: 3474 天

    [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 13:35* f1 J3 [5 a$ X! w  P% t; u
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好: ^- m) H2 L5 K) v. @1 _, W
    5071A好像这两年不好买了

    7 C1 J) m0 v0 m3 ]2 `2 G3 B+ D这个短稳长稳有出处嘛?6 W* k' V+ D3 X& P* j  a  t- d
    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~~* \9 `& f; X: 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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  • 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
    1 x* j$ `* g( g% G, c6 y5 A1 d这个短稳长稳有出处嘛?
    2 H; q0 z* ~' X1 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 ...
    " X$ G1 x* R2 [+ h5 p

    + i7 i% ?+ Z; B- O; @( H& I, C" a
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    # `# I# a6 _. G4 s0 N2 q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
    23 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& S3 G! @7 \8 U. u4 u& C/ G) o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。
    / G; h  Q! G+ A' V他 ...

    . t8 E+ q  u3 `5 E7 x7 G' K+ u* 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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  • TA的每日心情
    开心
    18 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 12:487 t& z6 |* x" x9 L
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图2 `/ w7 J4 x. T3 Q8 c' x7 U  Y) a
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    7 }9 v! }7 S% h1 \$ 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。
      g  Q, h* ^* M* p" |2 f, k! S7 U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。
    ) I( _' n$ L+ [. c% ^) D

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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" T3 [8 \* Y. |7 W
    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。
    # {: E9 l4 L2 T2 }冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    0 F4 V4 S3 P! z- w# ?& x可能高端的铯钟做的更好一些吧4 g, t' f  ^+ h7 i  z+ B
    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) J6 @% B2 L, d$ M3 W3 U
    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
    & Y$ H1 `8 W+ u; x$ B; {安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    / n7 P8 E! d* U2 e! M# s% Z
    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
    昨天 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
    # J  [  ?% P5 j( m& O- W5 h0 k可能高端的铯钟做的更好一些吧( Z4 P" A: _2 C" _2 N- k
    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
    ; j  A3 L; I6 s- Q$ q2 J& C$ P时间基准据说 ...
    ! c3 o; ^* K3 b) v, M
    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
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    [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; T0 A; Z& `6 U
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    / g% ?% e% y" K/ e; @' \" p2 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) E3 R4 Q9 q9 J1 A
    9 u$ T) {; `) r
    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
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    [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
    8 r/ x: S& g& Z: |8 E) f1 L3 \& 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 ...
    ! e1 I. N( e! l6 k
    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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