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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% m- B* t' p6 l

    5 a  I! s. L- y6 O6 ?) ?2 b/ U- T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 L( t: e; ~. M+ k: S" r+ ~, L# v$ R1 C6 Z5 X5 I6 h
    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。
      U+ M9 k. X4 ?$ P3 C
    , `8 d# \9 i/ D; |个头、模样大致如此,二十六公斤。; J4 S8 I, q8 {  O. X

    ; b4 L: `4 u. d$ r- Q( I1 X8 \1 D3 U$ 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。
    1 r2 M7 U7 a$ ~+ f. j( G2 |
    % }* d2 E( u! r/ n" V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。
    1 u( |; p' K  T* t% G2 z! L: T/ ]* ]* q8 y$ a" y+ c( r
    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?) [. b. [4 u6 D

    ' U' X% @6 H4 g1 f- }( i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。, Y; d* O2 c. s$ s" I! q  T- {
    9 l' K2 N6 `4 S; @
    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!1 u$ \2 O5 C6 P# o' }0 C

    9 D" n5 U- u) S1 R% ^+ A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。
    + R7 `  f, p( k9 o. Y' ]6 D" S1 M! K) [7 ~; r; V, F, 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。
    3 ^: L: u2 |5 W& y8 r3 T; W, |- S& U* W
    说些个大家可能百度不到的。' v  z" q+ k5 g$ I1 C! {  J: r
    & w: m* Y; r, A- V$ {) L
    ===前方高能===( J$ E/ K! G8 {& }  B0 ~

    * x4 [- Z& Z7 S) F- Q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。
    " H" ?+ d, r1 [2 d. `) i, N6 Q6 o, q  G: N' c  W
    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/ P* J% `4 ?1 y
    1 I! n2 c6 i; V2 M: m4 i2 |8 X$ v% r9 T$ U  ^
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    9 n/ G4 @: P. m4 _: D$ d- C: b, ~8 V! Z5 N7 g/ R7 g( b8 Z
    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!& L5 S, `: \! N) e* c7 |5 ^7 v

    ) q$ n6 S" L9 O9 F+ Q  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。, p( T  A& q% C, a1 _' N' x

    & a/ J( V2 i# \0 L6 z. \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。
    7 d7 c1 S5 k$ Y0 u2 P
    4 L% d8 t2 T& u2 x' k4 K1981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。
    ' N' p4 [& e# I9 \8 B
    0 U2 |# h0 b3 f# s7 z9 b1 @% N1986年,十的负十四次方。% t# T3 b" l! g: i3 k  r& i  o

    % \* D9 L- o' E3 g7 t2003年,十的负十五次方。
    6 d4 R/ y9 l5 t: Q) f: `, r2 b' x. _. ~8 L% P" Y* y# G
    2017年,十的负十六次方。- `5 B; L! u" Q0 M& w! u% V% x5 v

    ; E! f! _& j  o! w* R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。
    5 u( {1 m1 F( u9 t8 @7 p3 r. B' Y8 h( k+ i3 E
    。。。% P: ^( V% B- g
    ' B0 s. g  m/ |4 `$ ^* X2 H: }; d
    . a# j* R- v2 d* y9 F& C
    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。
    6 }5 F0 R3 R- _! K8 R' k) `/ O, }! J; ^9 g  T4 K+ z

    3 H! ?. }; f% j
    $ p4 A/ G; ~* x& p

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  • TA的每日心情
    开心
    20 小时前
  • 签到天数: 3390 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。
    ( N$ o2 O% u5 M+ {( l/ o: E1 h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
    13 小时前
  • 签到天数: 3281 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
    2026-6-18 11:07
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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 % t) ^7 q9 I& |4 @# J0 @

    0 X. L. k6 V7 Q( m群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    + ~) t! r, }# e& i+ _. O看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。: p8 O* c5 c( w$ G
    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
    22 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
    20 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
    % _- \2 w- J8 v  ?& [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

    , [- w) V7 }& Z( `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) _+ |9 q% V0 f
    他家的铯钟在基站上很常见。

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      发表于 2020-8-8 16:41
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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
    8 R1 s, B; R& N) t8 W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。5 ~# N# \& K0 k$ y- p
    他 ...

    5 A+ T7 S4 ~# J( E短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好8 g" {- ^4 G5 Y: q3 M
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    20 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
    # ^) l# a7 x5 w短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    / I' p" ?. S2 y7 v5071A好像这两年不好买了
    1 `' r; [* O  B, c# {' ?, i; w
    这个短稳长稳有出处嘛?
    7 {; v- [7 h4 z, z3 x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~~1 @$ T1 X* Q+ b- O
    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. v+ L7 X, D5 B7 y. u% i& u9 [# r
    这个短稳长稳有出处嘛?% H3 N& R/ k; R( [" 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 ...
    . t9 [1 O% N! X" I

    $ T9 D1 H4 E, C0 {' [6 V/ [9 q: l5 P
    & l, V8 {# X6 Z! o$ {, t. U4 [8 d% r( G没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图1 U. r1 ]& k+ Z
    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
    22 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- _! B6 b( M% _! s1 Z' M' 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。5 S6 P; Q6 s2 V0 _9 w: Z
    他 ...

    0 y7 W$ j: A. D! C# x: ^# 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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  • TA的每日心情
    开心
    20 小时前
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    [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- S5 Y$ ]8 x+ C* p$ D
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图5 ?3 x9 g# d* F5 _
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    5 J/ e9 a* @" R1 f/ z, s
    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。6 h5 u- R1 V0 [4 j/ U+ }: x, d
    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。
    & M/ E) f6 K) ?: h, s

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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
  • 签到天数: 1 天

    [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 H3 e& Q' ?  v1 s$ ~) D
    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。
    7 c: a5 G3 P, A+ ]2 {+ z% |冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    9 |' r6 d0 S6 E" G
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    9 H* h/ P( N9 C! U0 w3 P+ P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1 M1 N* N/ m9 {& d  s) C
    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! y0 M$ w; _9 K, |; j. O; j
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    * X8 r2 c! v' M. n- @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
    奋斗
    6 天前
  • 签到天数: 18 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
    5 E- x4 g4 W* {3 Q' w9 j可能高端的铯钟做的更好一些吧
    ; ~/ O- B; W' 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  T) o, |/ M2 S1 h! k
    时间基准据说 ...
    & a3 n7 N5 t0 c$ s. P# d* F
    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
    2 j1 G# G0 p( ?% O请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    5 {. M# n$ f8 o- f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
    / M, G& @4 G  Z- L- h& m4 E9 x! K- z/ x& A# ~4 A0 z# u6 I3 U2 ]
    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
    奋斗
    6 天前
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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  V  ?9 W1 y5 l4 g6 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 ...
    ! w, q% `  n" O2 i% T
    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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