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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: }" g& |+ M9 n, H. }+ f& a

    & y* A1 z3 t; V* w2 o: ?$ u& y/ \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。
    - t# W3 i' r& E1 E  ]7 C
      G; O5 |7 {8 E- _) B) A$ o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 C! K6 F# c- |0 n% _* K. r9 C
    ' ?) O3 }) U8 u4 E( ]$ c+ Q2 ]' ?2 l5 y
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    ( t+ ]( o( o6 d' X) P* F- h6 }3 {: }0 X
    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。; q$ m! U+ g( N4 F6 e
    # \5 F0 w" N0 Q
    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。3 x1 F9 @! g# m3 T: t* Y
    ) [2 Q( R4 w: h- V( l' ^
    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?) Z* S9 ~' ~$ u7 N( V8 ?; }
    : w/ D3 H+ m2 a, x6 j" T" K1 U, X
    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。
    + K: {( v% D. M8 k! W
    # M2 Y- |. V- C. [* J- 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!' K- J( j  J" K% S5 g' R8 V

    9 h) E; N1 C7 M+ p! Q6 m" V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。
    3 z1 p) i* l: W# F: M6 x1 H( H2 c! S  T' g4 x- D+ F: i! K
    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。( |' y9 r9 i: E

    + D* ?; V- o" }8 |3 b; @说些个大家可能百度不到的。% J# g. u4 z1 [5 {
    : x! _  G7 s7 s2 `$ i6 G
    ===前方高能===& ~  X  `1 Z/ V7 \
    % h7 g) C& b  h0 `% a* A7 R) T
    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。
    , f6 N) K: k' f" M, {
    + a. J1 l3 k! N+ 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。5 [" Y* \: c' f& e2 Q
    : M5 \5 e$ M4 A$ x, r
    $ w* t$ G' Q4 u
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。7 r) j& T, I* i: U/ Y8 x; q

    & w0 b( J) B: p4 r9 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!/ D9 r# V" m! u9 e* b$ \

    : h7 P- Y+ c4 w2 }- Z* F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。% m/ l- o4 Q8 @9 K  p
    5 u2 h! h" j; x1 f5 N$ x
    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。" s. r) z: F- d" u9 B

    $ z( Z2 G( o& K7 z6 ]* F5 Y1981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。
    ) h" M0 u1 C# T" K. R) N9 Z
    8 H/ m" \; W' e3 V1986年,十的负十四次方。* h4 ?# h- X1 Z' h: P

    : r; m" j# v. @% b3 [6 P  ^2003年,十的负十五次方。
    2 q$ h: D  w! i5 j0 G
    ' y- A3 A: v5 a2017年,十的负十六次方。
    . B+ U" E, W  A% I
    5 f0 X9 q( x/ o# f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。
    ) v5 R0 U. _0 ?5 a/ q+ V+ c) y1 q+ g- @+ B# F# |. K
    。。。
    - Y$ }+ q% O, k3 e' N2 b3 e5 \* V  m! u" @; y+ K. u! l$ a2 V1 X" T
    # I: w$ l) \% {& `. F7 W& K+ ^
    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 E# W0 U2 I. }; f# u& K1 T" F* V- H( c, ^3 {  L9 n

    & A" K$ K' z2 Z8 t1 [1 W' Z# J' F4 L! G( x2 C) g) z; T

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  • TA的每日心情
    开心
    3 小时前
  • 签到天数: 2889 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。
    4 F' D* ?3 D' c, n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
    难过
    昨天 00:17
  • 签到天数: 2809 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

    2021-2-24 23:26
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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
    2025-1-14 08:06
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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 / Z3 U% I+ j, g( W# _7 J8 k! ?
    " T: C  A0 Y* i! E3 J
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    9 `; f  @- M+ d% b% j/ b4 w6 T看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。( S9 g! ^; L0 Q1 ?6 k
    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: 3340 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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    开心
    3 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- \( J& X6 ?2 g! B1 v  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

    ) `5 f* k7 _. u  K& N# ^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。+ m) c6 P+ j+ U8 z( D) I0 s! ~
    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* s( p* V" X4 ~
    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。
    , f; N7 t9 \6 z8 N9 l7 [! J0 f5 {他 ...

    , X0 J+ S" z' ^/ P* b1 n1 o4 @短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好* a3 I2 [0 P- |3 G* q
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    3 小时前
  • 签到天数: 2889 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 13:357 \$ x* _- v- i: T0 l& w
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    7 p+ ~$ ?6 u+ N$ G3 m5071A好像这两年不好买了

    - [5 Q$ v$ L1 E# m; A# l) o1 M2 B' a' }这个短稳长稳有出处嘛?! r; [$ P5 C" b6 \
    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~~
    & w' E. s4 U, s7 L' t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; ]6 Z9 {( L& A0 P
    这个短稳长稳有出处嘛?
    ) Q$ Y; j2 o4 d4 I! ^8 h' 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 ...
    2 Y. D2 b3 Y, ]& K6 K& C" T
    1 _" m& M* J3 w# B, G& F

    6 j, c+ b7 Y, w, y1 D; Z; ~% Q没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    % x" |: }+ K5 x1 s, g% 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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    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
    2 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) e% U- K0 K; T% u( p7 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。2 o( x0 E7 R3 B) C' [5 W2 W
    他 ...
    8 ^/ q% ~6 O( D/ w  V6 d- 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
    3 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% Z9 A- S0 {4 Z! w1 B1 D3 h
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图& e1 f% r! }# q( x5 c- T
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    7 _; h7 I" u/ t: {( u2 c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。
    ! L- y. y, l0 E) [$ 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。
    . l# ]8 F5 i6 K+ t% e& Q

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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 03:354 r! r2 e! |* ?/ a* u) r
    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 @% o' q0 N& r7 x, }
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    9 t% l% i$ J* q+ H
    可能高端的铯钟做的更好一些吧% R# G! u9 ^  J; {
    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
    5 [7 b' J+ g) Z- S* b* B; ^/ G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" J- `  E# A  V
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    * `9 s3 t/ ]# @& g: W. p1 l! b6 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
  • 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 11:336 h6 c0 M3 x# L7 Z
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    * k! b/ t. }+ R6 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
    6 S0 k9 E  v' h  e/ z时间基准据说 ...

    ) u! W4 n& U- M8 V, h6 V8 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
  • 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
    ( F+ C4 u4 ^* J& v请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    % \4 B, W9 F( f, `' q
    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 H( m2 S! d9 F  u4 U& I; x

    + C) {8 l; @5 b# J. o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 10:290 S! g0 j- T) z* |: c
    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 ...
    " i0 [$ E5 E6 Q6 Q7 @5 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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