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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 $ G1 @: ]% C. w

    . [! g3 U4 S. z! a* E. v9 p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。5 u0 Y  l. H% i8 F6 p
    $ Q, Q6 z, v. w
    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。2 A* `( ?" K" G8 G/ s6 S; K+ P. r6 K

    2 q& K; t2 S: S个头、模样大致如此,二十六公斤。! T: E) s' Y& T8 T5 z

    + B) C+ T' z& C) i% T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。
    : V$ ?7 Q$ y' a- i4 J# T( B8 ^5 n6 L. y2 \
    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。
    ( y0 Z3 M2 G- w' V' r4 G
    % X, ?0 W" D  a/ G0 e8 y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?7 H/ M6 P6 M1 @1 P4 v

    3 W: S9 I3 ^! \' p; G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 T* y7 M' {  k% D* v- W
    9 S& |# Y2 z& I7 U8 Y& o
    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!
    $ {! m# \3 V9 ~8 P$ f% H, ?7 Y2 m2 S. o( P
    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。' A! C/ Q  N) C$ Q& w( _5 g
    9 Z$ h, ?, y# z
    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。
    ! K7 R* W$ q3 ~: o+ O2 m+ ^5 ^+ i- B& C1 T% w
    说些个大家可能百度不到的。0 U- I0 M0 c) V3 f0 ?
    ( l( u" a: J8 U# u# @# v
    ===前方高能===
    1 j8 ]9 S1 \) \) y/ _8 V9 |/ c) z* m$ S. _. d( N& {! f
    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。3 J7 q- w9 q& C& R+ Y8 |

    $ t" N6 Z, S: G% ^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。
    1 G9 b; V1 p/ L. W' n1 j
    & l1 q$ g( z5 P' P" N, ?# P  Z* {/ C: ^
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    4 p7 T" K. a; B4 r# |6 ]* ], r5 Y- s0 w
    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!
    " H2 _2 @6 L$ \2 c" _$ {$ Z( ^% T2 m* o2 g
    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。+ _' S) S' M$ ~' x8 P9 Z9 c
    2 T- e- Z" b) }  v6 Y4 |; O
    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。# Z# ~: f7 }0 O+ e8 ?( s& a

    . a( _+ d: y( J* T- ?: q1981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。
    : J. M! {) Z6 O3 i# H4 ~' l
    % y7 q) w7 y# H  i2 d8 f4 r* t1 G1986年,十的负十四次方。
    . T: C* k& w* W
    " x) o) M4 }4 i" Q$ f2003年,十的负十五次方。4 A+ o" H  z6 J. P6 m
    % I7 X) m& V1 {, o) J" a) ^; ?6 O
    2017年,十的负十六次方。' J' a/ X  j% ~) l6 D
    6 J+ I4 U7 H$ S, D# q
    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。
    4 G. C0 T% w- O0 e4 V' f
    . l" u5 [( \$ y。。。( N' \( ^+ v# _

    0 c& T9 p2 w; F  v' _" [0 @
    ! x' f" t6 q: I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。, e6 c: O( G! q( A* O. z) j
    # t- @* m9 R  X+ S4 D

    ) q* Q, N  A4 u6 [+ ]; |5 P, |3 G" p. M/ r6 e

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  • TA的每日心情
    开心
    22 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。
    ) M2 W/ ^! ^( f, B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
    22 小时前
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    [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 2020-7-23 14:27
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      发表于 2020-7-23 08:39

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  • TA的每日心情
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    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
    # p. V4 N+ r) v8 P+ D$ l4 a& f% C
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    ' R5 W! A7 `# {4 X) C看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。, p! P* v  \0 m6 D
    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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    22 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* n; y  N/ c' ], N# C$ \
    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

    ; D7 p/ t8 D; w0 Y7 Y$ |) C; v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。
    , ]' H3 A/ c- m/ E: r) S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 22:560 L6 y/ p3 d& r" A; Z- G( 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。
    2 p5 w  U8 z3 n# A+ ?他 ...
    6 \, E3 F8 ~- |  d& u. d
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
      x6 p1 y  m6 I8 m  p. T" L5071A好像这两年不好买了
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    22 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
    ; z9 r5 p5 v& j6 y0 F短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好" x* A+ K/ I! T. J" I& A
    5071A好像这两年不好买了
      Y' x& |( T- }  a: I
    这个短稳长稳有出处嘛?$ g7 g8 z2 y8 s( y* @
    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~~
    : R0 u; Q! V1 o/ D6 y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! G5 ~) D' ]% z3 {# Y1 o$ }
    这个短稳长稳有出处嘛?
    . i( l4 B0 Y/ a2 l9 t' b8 D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 ...
    ! H" d1 M* d- `  N6 l  _+ K
    & G! v2 t( l9 f3 \* J7 d/ \

    / f6 ~  W$ O9 X; ]8 U0 J9 V" Z没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图0 u( R8 @# B% @! {* Z3 J  D& T
    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
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      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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    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
    $ f! e* o( n$ U# 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。
    # y& k" p8 h0 q0 K+ E他 ...
    0 ^' U8 `& H) h  J
    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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    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:48
    ( Z) L2 q4 ~% r. \" p没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    ; H1 T2 S7 U5 \& w8 H  E这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    & m- k/ L  g, W. ]$ z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 k$ g# `8 i% Y0 i* N, G' a" M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。- J: Y( H# t3 A+ N, H# R  }

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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  A! U# J/ X6 N$ g5 x- 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。* X2 o2 w! }* `: k: _6 R+ W6 a& |
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    2 T. [1 m7 P$ u7 n8 |+ M. }9 f
    可能高端的铯钟做的更好一些吧. C' r, W- u  ]& f' {/ 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$ e6 n% q8 ]9 V0 f/ [
    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
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    [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
    9 N% M0 S8 r- Q4 E安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    & O8 M% @# o/ d* 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
    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
    - K& u9 K6 r1 e可能高端的铯钟做的更好一些吧. @$ G2 Q) c: h% R! I! C- D
    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! O4 c+ Q# x( B$ |# J
    时间基准据说 ...

    ! [/ P9 P$ O1 N+ {( I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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    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$ @2 O# j/ v! a; S/ L1 \# B
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    7 {; ^/ \& N- w! Y; i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
    2 O, X$ w: j( Q; J; |/ \* Y  v$ {3 d( E2 K9 h# 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
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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+ t* ?8 I- c3 {) ~3 m+ h  a
    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 V0 a: I4 e8 Z0 K) b% c# G$ V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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