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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 + f* M3 G' z2 d9 k' i0 p

    % w: x5 |+ Z. |. Q8 R( A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。
    9 m  ?6 c" V( H2 q7 a- q* E! K! w# V# D  E2 i. @+ M! j2 i
    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。4 e" L8 v+ p! {
    ) w! U- z$ z  s6 q$ w
    个头、模样大致如此,二十六公斤。7 e* I: T1 P6 z* q. u" G" S

      E# R( \/ |- b8 H. ]3 Y  w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。' V7 Z2 [9 S' b' e/ j% S
    ' C% J8 q5 }3 \3 n/ e
    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。( h  E! F8 P6 r: U/ K6 Z

    , y8 f1 e6 k7 I- F6 c3 U4 x5 i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$ J9 \$ ?& @

    ( b0 |: {* p  x. 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。1 q& w  x7 d. v7 K' o5 k5 L; V
    ( z1 y. w" b$ T& \0 D
    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!
    0 W1 I  D* T# j5 a2 s. `: a0 `0 B3 N# Y% O  s0 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。
    8 g3 [. n$ g$ q: Y0 `4 v2 q
    7 K2 f9 Y+ |+ ~9 d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。* |( q: z6 T( |- a5 g) [4 M
    6 F0 ]3 H- E" j8 M* k9 z
    说些个大家可能百度不到的。
    ; H; O  }, P. ^6 ?" h
    8 B: D$ k- q+ u0 @/ Z% u===前方高能===
    / J  Y/ }; F- n- R- ^
    . O% B) T) N$ m  g+ U, m6 R! E0 d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 j' j5 n$ y( D: e/ [, k

    ) F. |( L) [7 y' X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。" n, L& ]8 ]9 c: i
    ! G/ X! y& }. k" @; b. ]/ R# q, K9 z

    6 A$ w6 j+ i1 h/ A惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    % }3 n" b9 {$ ~1 r( |5 `. A0 `/ f* A& \
    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!; r5 m9 o" Z0 i: w% O
      R8 D$ P% N+ l2 p$ 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。) W, Y1 z$ o1 M2 Y1 d8 o
    8 C0 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。0 T% [- q- |$ B. l

      v5 }' e% V7 v0 X! E# a1981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。
    ; Z9 N& k  v3 b. l2 s8 q& x( R) e4 ^
    1986年,十的负十四次方。0 h5 Y" D$ c( p- Z7 Q" B6 C

    1 w) U/ p& ]7 t, p) c* f3 J# I2003年,十的负十五次方。8 E- L% c' B; Y7 K) M2 x

    " B; q% s+ N5 P3 {6 O* c2017年,十的负十六次方。6 m5 C! C2 y) V4 d7 d1 L

    ( P6 g6 h# @4 B; _# c  d9 q/ W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。* Z9 C, ]* f( `7 `; B$ ?/ k
    ) u9 s# X% H' Z' b/ n1 `. Z
    。。。
    2 I& X3 p: ]1 {" T  t5 D" K2 m/ h. i. Z( c& y
    3 D; F9 J8 g6 i& {- c' R" v! V5 N
    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。
    $ m" m3 S7 A1 I6 @2 \& u2 U' a7 P# b5 c' r+ C

    / H/ q8 P9 {; `6 }* d; h% V3 \. F! m0 M

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  • TA的每日心情
    开心
    5 小时前
  • 签到天数: 3069 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。5 ~& ^. x2 `% W3 @, v6 _8 N! f5 E
    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
    6 小时前
  • 签到天数: 2991 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
    2025-7-12 09:31
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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 % ~: a/ ]0 v2 |1 z

    1 v, t: W  y: e$ o4 Z群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);; Y4 ~. g- h, \" N2 e
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    . y$ j5 e! N# s% A) E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
    6 小时前
  • 签到天数: 3525 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
    5 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 z: @4 `) j% R/ Q0 X/ _+ K+ 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
    8 a, g& S1 D, a: {
    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。! P8 g# Y. i3 G) l, T. L4 i
    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* w. @* I4 E! Y: K6 d) g
    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。6 `; n! Y9 [0 h4 Y. B
    他 ...
    ; |5 E7 }( O& c
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    5 W0 m* l% W2 ?9 M5071A好像这两年不好买了
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    5 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% O7 `) ^: k9 d9 Y( O
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    2 V. }! T  W' D$ P0 J* I0 g( B5071A好像这两年不好买了

    5 N1 M& \: B3 H" Y3 D. E这个短稳长稳有出处嘛?6 b+ b9 N2 P; `
    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~~
    ' c) X7 P' r! C7 W; B& J) E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 22:568 x0 b+ \: Q5 w+ U2 L+ C
    这个短稳长稳有出处嘛?( b1 r* F$ ~9 v
    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 ...
      d* E- j& c& A6 C: m: q

    : j) ^% `, u% L! y% [1 @8 W$ W( X
    : i2 c/ F8 g1 |; z7 N. v' o2 f3 U没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图7 b) e/ m$ `7 e1 `7 J, p, L' y
    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
    5 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 22:564 B' U1 a5 @! Q3 a& Q: c% G
    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。4 G, t9 W/ Y; v. }; R
    他 ...

    & P2 |$ z; v; [8 L  [1 M  p/ }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
    5 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
    9 j% S/ r8 F. ~: Z1 l9 f% H, C' h没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图+ I/ d7 ]2 P8 s/ K
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    " \8 y) a' y1 N0 N  v
    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。
    ; S: C- d- \; u+ a6 }6 N: |% J6 a0 @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 i, K0 o5 ~# W% `0 j" v, w$ H

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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 03:35
      Y4 i( H" q  ]" V0 m  |6 p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。/ [8 M! e& C- E" b/ w
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    / `9 x% R+ v/ G6 A; t" f7 j
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    : t( N3 }. c( F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 _6 C7 z! C, @- i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
    0 o( d$ G" ~1 _" i2 c9 I' N0 t' ~% U安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    ' ?3 c% n# H$ p2 I4 {, h8 \. h
    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
    / H3 Y5 H, q2 Y2 {; E9 M; a可能高端的铯钟做的更好一些吧
    4 {# e& l" w0 g6 X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
    ' Q7 w# z$ V& X0 |3 a时间基准据说 ...

    3 ]: g+ E, @& |) \# r9 U3 ]8 Y7 }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 00:561 K, |$ q" q: F1 s+ }$ z3 W' ]# `# p
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    . E7 a  z. F4 S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) x. {6 L7 ^7 L8 S6 B, W& Z" B7 O1 e
    : V$ y. K$ A2 P9 I) \0 }3 d7 B0 X
    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! t3 L' n* O& u' z6 r' r! R! F9 T
    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 ...

    5 O8 Z! @2 n  v% k5 U: b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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