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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
    . ]- g" ~- k$ I. P; f* ?8 G, z# H1 o8 S7 [+ {  O( ?2 N
    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' ~1 J. l/ a' w) {- p" f

    % w9 }/ ~8 e( f* i! ^$ Q9 L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。
      W5 e1 \, x6 P: M) M+ F( S! ?' U1 v. ~' [, a& `+ }$ }/ q; \* m
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    . K, N! Q4 C% l; x  n. Y1 E. T- k8 J  E7 J# [
    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。
    : o7 d9 Q) S; u' m7 Y5 t8 w2 m
    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。
    - z, s% [7 n5 u8 `; Y9 x+ x
    3 `- N: B: }! }. [6 Z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 L$ q: ^$ _, y6 \. Q
    . v! H4 r  p8 J+ u3 z/ 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。' N- o# ~& m1 e" [  m) \

    1 O) I3 e% \9 Q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!
    ! t5 Y4 W0 t1 u: g$ m
    8 h7 [) J$ ^! V$ 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。
    4 j7 f0 {& ^% V0 ?( W' t, y0 I: D5 `3 \) y
    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。- S# V+ `* F0 y2 |' O4 |2 l

      F# R7 b/ q% W& o说些个大家可能百度不到的。5 R/ _: D+ S/ @8 e$ y. G
    / c1 o. v8 R) d' C& v* {9 ~
    ===前方高能===9 i- y2 T; t; D4 e4 ]+ w  q1 X& k5 F

    ) m8 r: [: |, _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。
    $ `& i& a0 W) h- y! T5 w% p, E0 R6 C4 }9 P; W. B! 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。/ X# I/ l! `+ i( ?8 e2 m! c

    6 i3 u1 |2 L* k  [  P6 E" Y- M" y6 N  {2 M$ ~0 ~2 u
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    + R: k" k) p8 G
    $ O5 p3 l% i6 x+ r8 d% f1964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!
      q6 Z) k: r" ?
    - n+ f( r+ p. n* o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。
    ; W8 l: F2 m2 w& |
    / l2 D3 O! K* m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。! S0 I8 o5 V6 @3 p4 G* f
    5 p& R. g- a3 C' r. N$ A
    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。
    , y. |0 F$ Y/ u& Y' T0 B) J
    2 |2 T- Y) G* O/ {1986年,十的负十四次方。& h4 }' L2 l- r1 O& B
    # ?; q* x7 x/ J9 M1 Q* Y" u. B. W
    2003年,十的负十五次方。
    % `. c: _) Y3 S& N
    0 H% D9 X9 X8 Y1 z2 V/ v3 n9 h2017年,十的负十六次方。; `6 K' u4 _7 ?$ c! ~# ~
    ! t" G/ B; ^) v6 p) g
    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。
    / O# E2 L  m: o! r, q8 G& {
    + d4 o0 W5 s& z7 W。。。1 ^6 r4 B7 r' [  @

    : X9 y% V4 q6 i5 T4 y
    $ T6 U9 i0 t8 R' w7 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。
    7 B3 P) Z/ a4 O( Y3 [+ Q+ d0 P# h' w" H0 o1 e! B

    : Z$ p# [8 O$ d5 c" H# s/ }% v' ?' M% \

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  • TA的每日心情
    开心
    14 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。$ t/ z6 O: v5 @2 [. q. i
    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
    6 小时前
  • 签到天数: 3103 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
    3 天前
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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 * h; x4 X! Q3 F1 i: {7 s. G( h
    ( F: P9 w" F, P: V0 ^
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);9 [$ y& f0 M& g  R8 O
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。% ~9 `* W8 A: R4 V) N' W( t( R: P" q
    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
    14 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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    开心
    14 小时前
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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
    " c, D0 [3 }8 P: s2 g. {* K5 K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

    7 F2 F2 O( }# K& |+ @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。
    , G6 r3 ^! v" Z' o  D, X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; F) W: w/ |+ [. m% 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。
    # ~1 V, N$ [1 b. [* y  e9 K他 ...

    ) e, r2 V* R, _1 Y短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好$ O" ]# g- Z% D2 d
    5071A好像这两年不好买了
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    14 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 13:35: }  o4 e+ k3 w6 J' |& ^3 [9 R
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    4 I  b+ d; o  m# ^; f$ g5071A好像这两年不好买了
    , {4 F- o" a. |. A% V! @7 ^: z# |
    这个短稳长稳有出处嘛?
    3 V. d! H+ }) z- g6 o: r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~~. V3 h' r5 C' O# n/ L) I
    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
    2 d% R5 T. k" z这个短稳长稳有出处嘛?; K- Y+ O! B0 \% {5 ^
    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 ...
    % b% T. d; A/ \. @; c' g/ p% @

    8 g* P: B( t3 G- W6 @$ M, b* e5 d9 c6 H* S% N3 I7 o
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    & m5 {9 g6 r" n. Z( L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
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    14 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
    # B$ u( ]6 I! B  k7 q5 t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。& l% O. [9 b7 W2 U( h) H6 S
    他 ...

    ) L( e" P& I; u0 G' S/ y0 m' a* A0 X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
    14 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
    : ~  |: p. Z6 c: n没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    . }7 E1 c0 P9 [& B1 I$ u这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    : L: f1 [- \: Z1 [3 i9 Y  u/ 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。
    & ]& ]& Z! O+ G: s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。
    8 B' s8 r8 d; W$ }+ c" {2 f/ K

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      发表于 2020-7-27 04:47
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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

    15#
    发表于 2020-7-27 11:33:16 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-27 03:357 ^0 B7 Z' c2 b1 O4 a$ 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。
    / B: M8 Y, o! k: P& R4 \& \冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    . |5 g+ C5 a# Z( v
    可能高端的铯钟做的更好一些吧% Z; U4 A1 W# n7 m0 @8 J2 G; n
    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
    9 Z! Q3 x- P4 O! o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 03:012 y/ E% Y7 l* N5 c& J
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    + K( a( f0 Z) L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* q/ m3 b, E( I
    可能高端的铯钟做的更好一些吧7 w4 |* W( q7 @% S
    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  p8 K0 k9 F$ P+ f' b
    时间基准据说 ...
    ; @+ }! {% c$ h  u5 n  T
    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
    % _' l/ K6 I4 e6 X* o3 n: A请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    6 v8 B% V6 J# z4 S1 y' a( a! c5 ~2 U
    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
    $ T9 @2 Z7 S  @' o; h9 j! U. i0 x& Z0 Q$ X6 ~6 s
    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
    # V4 H1 ~' j. x! v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 ...
    0 W' b8 Y: o( g5 ?* [: _
    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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