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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 1 I, w8 k; B* L: C1 q+ ~

    . P7 T6 ?0 f& Y9 ~6 [) ?" @$ z$ }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/ N1 }/ J/ h3 C+ d0 R$ T
    ' ]; l5 G0 J9 \
    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。
    9 L" v4 x* P+ `( N
    5 |3 a# ?7 ?' M& f个头、模样大致如此,二十六公斤。
    - k: G3 G4 _* v6 _/ W7 v# n
    1 @+ F* v) q3 R) ~! ^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。- y. ]! q2 t4 a

    ' C+ T0 _4 O6 b2 Q+ N, m& ?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 S; ~0 i/ U& h) N
    4 ^$ b5 r; N5 G; Q, E- T4 W$ G
    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?
    , s5 s& I1 c1 K1 ~. X. p' b; B& q, i; Z5 [2 e, Z% C
    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。
    ) C, @1 P" i2 z" C3 ^
    " [0 \2 v) L" |" _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 ]" @$ y+ f7 L8 y5 o% R6 I0 P
    . X2 j7 s: d0 Y1 t7 Q4 Z& Z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。
    & Q1 Q$ [) m3 J/ F
    # |! B  t' y8 H7 ~) e9 `4 _* e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。
    ( ]4 y" w' Q1 B8 M5 N7 n$ [$ h/ |4 d7 A' }, h3 h
    说些个大家可能百度不到的。8 w# V1 D# G& i+ u
    & T. \/ ?) f' ?; b" {3 l
    ===前方高能===
    , {6 G) a: b1 j, T# W1 d, D( P6 q/ ?; l- l% ]3 Y4 B
    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 L/ v6 `: l3 W+ ^

    $ v6 N+ H, y/ N/ 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。
    ! Q) w' Q8 g) j$ v, E" x
    : o, `. ?* i7 x1 P
    6 W5 B+ F: ?0 c( X8 @0 g惠普当年的铯钟,吊打全世界。4 k  v6 S) r. U6 O
    ; C9 l! J. M5 `8 Q' h& `
    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!5 {* q/ _! u9 e0 ?

    , g* C6 r4 u; S. l6 {0 q9 g+ }, 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。
    2 {5 o( X1 e  o$ y, Z7 _$ R, ]& B
    4 F. e. N& z6 _: b0 y5 ^2 w9 P. @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。
    4 m$ t6 T9 f% i: k
    " w7 u+ j8 _& u. `8 w' @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。# N0 V: Q9 r5 D2 U6 t8 }6 v$ T

    ) s: U4 y- {) e- h% R0 V1986年,十的负十四次方。8 X/ ?3 I5 w6 H

    $ J0 I4 u7 v' `  u) {8 I2003年,十的负十五次方。  H% f9 r2 e$ L! k0 n# G4 A
    # u4 q* U$ l/ z$ _
    2017年,十的负十六次方。
    ' c0 L4 y$ z% X/ `" Y  `3 K) s( w. @, @7 m
    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。. I# X0 X+ ?% e# G- d: N

    + j! k; K8 ^$ b7 u4 q2 `  ~6 l0 x。。。1 Q) \1 \' Z' d0 g( w5 k2 n

    9 C7 m1 |5 V0 A; z& }" F4 i+ {2 s8 ?) \
    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。. E9 a9 D! D% y, Y- }
    . C1 J0 j5 |" j6 q0 W# t3 K

    7 F, n% N/ Z) k
    ' c/ d) n% L) K! z7 U

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  • TA的每日心情
    开心
    昨天 04:43
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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。6 K  k5 ?4 R8 J6 V
    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
    无聊
    7 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 2020-7-24 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
    前天 20:34
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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 8 X: d9 B3 r! \5 ^$ P# ]

    ; M* r9 f; u, F* N群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    + p9 Z) E# x# e1 {看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。/ l, ~! Z9 Q8 k* r, T
    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
    13 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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    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:457 H" u& g, q! F. P9 a
    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
    - y# u; A  J: o) J) b
    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。
    $ k  R# d- `( P他家的铯钟在基站上很常见。

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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* Z# P, _/ `( m7 J' m
    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。( e: z8 r3 x6 i2 c- x
    他 ...
    6 @3 K! r1 c) I5 _- d
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好* C9 i! ^) X8 i  h
    5071A好像这两年不好买了
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    11#
    发表于 2020-7-25 22:56:14 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-25 13:35
      j+ j% C6 e. `8 Z2 i) J$ k短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    . T7 X$ _7 L! j7 L5071A好像这两年不好买了

    * Z1 q6 W7 a- K2 N这个短稳长稳有出处嘛?
    " i+ [& ]' N9 j1 }$ N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~~
    7 y9 C$ ^8 @0 K2 d8 o2 {  l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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    12#
    发表于 2020-7-26 12:48:09 | 只看该作者
    红茶冰 发表于 2020-7-25 22:560 h$ Q% Y, f+ Z) J
    这个短稳长稳有出处嘛?0 V2 O. [3 |4 ]  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 ...

    7 l" ]5 S, m. c) n- @9 o- i" \" B! R2 G! Q) Z0 G! E+ b" b5 H

    , W4 W' M$ V2 T+ A7 ]* C没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    * [+ s) o5 W5 D2 L+ x) w' A# K8 _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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    慵懒
    13 小时前
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    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
    4 K  }( V) h6 |; u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 a: d2 g+ c7 X他 ...
    % P+ G9 G0 }& u) s0 f% I1 N
    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
    3 `) K" M) x6 V$ F没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    # I3 q! ?/ C4 b2 z9 ?这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    & M+ Y  U" x4 B- A6 C* t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。5 l! t+ o* g! @, @; F$ i
    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。5 H' v) P; Z7 X& z

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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 03:354 T8 b3 H3 F0 M6 E
    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。
    & c5 w/ j: V  j/ V3 A8 w7 l冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    8 @1 z4 h6 M( Y, V
    可能高端的铯钟做的更好一些吧1 v4 u3 Z6 q# {/ ~
    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
      i3 ?4 @9 b* }* W/ F; 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
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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
    ! z# w5 s# a( Q6 _安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    ! y: _/ {5 T" r6 i/ ?6 N* p; b) b嗯,惠普 - 安捷伦 - 是德,不知道后面怎么变
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    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
    & |# g; P' I$ x1 q: S5 h: i- m& ]* G可能高端的铯钟做的更好一些吧; I2 L. C$ k; a
    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/ {' n0 Z! e3 i$ s# G( M6 p
    时间基准据说 ...
    # h& h4 c! H2 H" Z
    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
    5 Y# P# f! H2 M, i( T+ C请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    1 {1 v# w5 U3 @! s. V
    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
    ( _$ T' x- o# U5 g- m
    1 J" t1 A$ X$ Z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 10:29
    , k7 Y6 Z9 o9 a) B- ]8 N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 ...

    2 I" A; {, u2 R& ~( |4 G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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