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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 0 A5 Q- L$ X6 Y, X. ]) I1 N

    5 m5 \4 y5 S$ U4 H& ?7 v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。
    + G" s" h/ |; C) t( v: h
      X( s( t* L: @8 b4 C" P  t( c! k4 `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 }% [9 p, k0 A7 x
    7 q: s% G! L* A' `$ s- `个头、模样大致如此,二十六公斤。+ l5 b2 @  l  l$ @' _

    5 P5 V- T2 t$ z1 m$ p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。
    " k+ j* ]( w$ [! n/ P6 N' A" ~& M6 f% }0 R; H3 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。9 U; j; @6 U( ]" L

    , w1 G* j- r8 y7 S) K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?
    : `" }# x" M; d3 h7 ?& ?: U: d; n: O1 y0 |4 O' s5 ^! [
    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。) u  v& Q' O. {1 N& G. M  w, g# I9 z
    0 E0 `- F9 W2 E% }3 n/ \" x! v
    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 N% j8 H2 M3 ]9 D$ j

    1 g: m& `. i8 z6 ?( Q$ B6 I/ g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。# ]% X' x) G' m  l: x9 r1 Y9 z

    ) z  t6 R( B3 ~* c+ u- L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。  V8 R2 H5 ]' `; s* u- @
    9 r2 [( p, ?7 j) z0 k" n! h
    说些个大家可能百度不到的。
    7 F- j  }6 }  _3 {* w/ [, e7 w* s. U+ w  L
    ===前方高能===
    4 C, P8 @5 v# f' P0 O4 D% V& E5 i5 T8 r0 ], |  m
    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。+ ]8 h1 X2 [. \( _  l
    2 l, u. h! w# p. [) Z1 [$ h0 N
    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。/ i+ g4 f3 i* H; N" {
    6 p- m1 w4 S1 P0 a( t+ @$ p7 t

    , M& K! G& ^; Q$ X: d9 D; q惠普当年的铯钟,吊打全世界。6 e: m; i, c+ Q
    . s# T7 u9 v1 U
    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!1 O1 ~+ g+ ?/ r% @2 U2 e) p
    ( ~2 j/ @% g" c% k$ v6 L- G) R
    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。
    ; h! v) ]$ C, B0 D. k4 d
    * a. _2 \& Y; g3 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。+ k0 C! h; h+ B, o- C4 I; @8 y
    , X2 K9 V! _  N* V0 N, w  h8 V
    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。
    4 R, S& r& v' x! q# i: y! x: L$ Z5 A( y, S! M
    1986年,十的负十四次方。
    * I2 w! L) E( N" M
    7 y0 N+ o* U, a6 y$ n' l2 d5 i2003年,十的负十五次方。
    , {" F  A2 C8 e) w8 B9 }2 R" x( c( m3 d. W1 Z
    2017年,十的负十六次方。
    # T' h0 c: ~7 q+ r8 `- D* N. j5 J1 h' `$ I8 ?4 E; h
    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。
    % M( s& _4 |- O! Y
    - Z/ g& }, _7 O1 P) j) b$ W. O。。。' {2 Y- x8 S8 m8 V7 C" V) V! Y* m" z

      t% T  \. M; B( Y6 W7 s/ T" T
    0 v! @/ V; Q5 S5 n3 g" |" ]3 ^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。
    9 f* _) J. y$ D5 b. E5 ?# B2 E3 l( F' n! n, X! E
    + Z4 I4 R# g. Q% b- Y2 P

    7 \5 x$ G' Z; f' z* o9 D, ?0 c

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  • TA的每日心情
    开心
    前天 00:02
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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。- h3 f, X' R6 U8 [  e! P! y
    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
    4 小时前
  • 签到天数: 3261 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
    4 天前
  • 签到天数: 687 天

    [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
    / I- z8 L7 Q2 e
    & g7 s- o. t" Q7 x7 g群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    ! k1 \$ X7 x% G看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    0 U! q7 g1 ]  ?0 ], o: F6 S; _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
    10 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
    前天 00:02
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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) n; d2 l) Q6 k+ F/ m6 F4 b
    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
    : P. Y7 A/ i: Z# f
    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% B4 a$ _3 E% k
    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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    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 22:566 v- q' C4 m/ L( D$ 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。
    , F. v2 Q& f4 e. B他 ...

    $ R6 H, y" q9 a短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好  ]; k8 E4 t3 c$ f/ ^
    5071A好像这两年不好买了
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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 13:357 l& g0 m0 y* E$ R% _9 o
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好& \# f. m  X! c, f! `  \1 p
    5071A好像这两年不好买了

    & z! W% p5 Z" }% ^0 ]这个短稳长稳有出处嘛?
    / u# E8 e# B% s* p7 I$ [, i! V4 L7 `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~~
    / O8 S5 ?( f7 m6 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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    [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
    " g5 y! g! y- r4 t3 `! g( L) K! d这个短稳长稳有出处嘛?7 m3 i. K% M: U% K- I8 U7 t
    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 ...

    * t# @! c. T; F) w  I
    * y; w2 o0 ]' K  ~6 d& T( f. s* t+ A, E& f
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图& D+ x8 q, ?5 D* {' M
    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
    9 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  L1 p( V7 o% q8 G  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。
      J" X0 B5 f$ K, ]6 @$ y9 u: X他 ...

    # m' i. |0 g2 Y7 E  @1 J9 N1 O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
    前天 00:02
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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
    8 E  B& ?- _4 D9 M! a, B+ J4 d. k6 \没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    5 e3 G1 C. b/ x3 l- Q9 ?, {这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    ) |5 l0 g: D/ K1 {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。( w; _. l3 H7 g$ Y2 D9 L2 u7 R
    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。7 Y0 \0 Q' a- @; s

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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
    , M) [3 Q: h: L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。
    / _# Q0 E2 T& N/ _/ O, E冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    3 y2 ^3 x: K3 L3 W% D; w
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    $ O$ C/ V# ]6 v0 ]. C2 E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 ~3 X2 Y: L- o" e
    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 R" k4 V# z; a1 f/ K
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    ' o. M+ s0 P- N  T' [; a/ P1 i& ?+ _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
    5 s/ T" B: u  q  h6 w  R; \可能高端的铯钟做的更好一些吧
    6 S5 ]* C; Q5 R/ 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
    ( Z( f  {& @" M) a; g( I5 K: t2 I时间基准据说 ...
    7 ^0 x% ?& e" D0 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
  • 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 00:562 G9 u' s0 Z' k' ?' J
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    5 }# v+ k; {$ d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
    ' Z6 f8 @' N) T: A
    / j; J* O4 C7 v' k( [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
    1 h: X* U# F# z% 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 ...
    - z5 r1 E+ J% j5 W7 X
    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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