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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 + |- d1 e, }) r/ f# h
    # }1 y! H; [4 Z+ G- 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。9 C) _0 H- n' D- U# c6 @: \1 N. K) K
    ! O: t* A5 |+ C* [9 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。
    / k( ~4 M+ W* h) i+ s2 ~! h6 u3 ]- P: D: _7 `1 y+ U
    个头、模样大致如此,二十六公斤。# s% G3 t. T, A+ F- Q' U
    / H9 N. {; ]' {) c1 }# i
    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。' T3 G! Q! `1 C8 K, t
    " T8 |: G" Z* C1 M6 o3 n
    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。: y/ S3 ?! E. ~% S+ ~) u9 b

    6 C6 W: `7 K$ k% X4 E4 u* j3 z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?6 r% X9 l6 T; n  [
    " [$ ?6 \+ r  J1 ]: t
    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。
    5 u4 l4 I$ y0 Y/ i+ [" Q8 l  [+ t' V' J+ C% X* S) k
    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* K4 m6 c- c# E1 A8 T5 i' n3 {6 H& [- H6 p1 e* e
    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。+ k7 F  f5 E7 h; {0 o3 Q* Z8 G4 y# ^

    ( Q2 L4 o' [- W( @7 n5 J$ X; r$ @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。
    1 f) e3 a/ b4 m$ ]; x  v' ], n# V/ R, t: W% B
    说些个大家可能百度不到的。
    ' ~, k3 Y' b) T8 F* r! b, ]% ^1 e/ B" l+ v* A9 h, t
    ===前方高能===
    ' R( ]/ Y5 @* F  E! ~: {; A* O. C) |1 x: 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。
    # `* s9 {6 Q0 F: i% ^6 A' |' X& b
    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。0 `( S# Q' Z) t- Y0 ^
    ) v) X, T8 M% R4 {6 `

    ( Z/ R5 F% `5 K1 i! z: i& c2 |% n惠普当年的铯钟,吊打全世界。, J& J, ?6 L) X  h: h0 Y
    & L' z5 V) G1 ^$ ~5 {7 l: v
    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!
    # d* S- B7 W' w- E4 g) Y0 a
    ( q- A( P) v, F3 Z' 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。
    * E% O5 @7 k3 D
    + ]2 n6 g+ {. t" p9 ]* s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。7 c4 u# N& V; G& D

    1 g6 ?* p# v2 G* i: h% K/ T1981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。* |) N" x4 T+ _

    1 {8 B: t9 z. m& J0 m1986年,十的负十四次方。8 g5 n( A8 ]0 D  {

    6 f! d: d) K1 h/ ~' o& c7 L2003年,十的负十五次方。
    - S; I& z" F: I* {4 S! p
    % B3 L" A$ G/ N- ]2017年,十的负十六次方。
    " R6 S* K) O7 U4 w1 J* V% [$ n6 `, i# Y
    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。
    : j, b3 y) `/ u9 B- I& _" x! T! ~# x% R
    。。。
    : K. `- ]8 K' ]; ~
    2 R( L7 x9 t* M" h5 v/ u7 w' ~8 F4 c: g/ G) {- C: 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。9 l7 ~$ ]3 |* |- f: k9 R

    ' C) r9 c) X+ z; S# i' B
    / y: W* ]; B- W5 e
    6 h# a* C' D; k6 l% m- D% W; t& u/ }6 G

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  • TA的每日心情
    开心
    8 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。$ i' D( P3 M$ }$ b" `5 {/ m$ {$ v& s
    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

    前天 07:21
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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
    5 天前
  • 签到天数: 674 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
    # p3 `% T1 b, @" o9 q1 F0 z" @' }4 S
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);+ i2 H. `* q- E2 I
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。5 m$ t! ?2 D; v1 L: J
    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
    11 小时前
  • 签到天数: 3798 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
    8 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 18:451 V/ y# f4 u+ W0 \6 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

    - J+ g  i8 a: Q% g! L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。
    1 l! b* W4 U. l, E2 y1 V8 |他家的铯钟在基站上很常见。

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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
    2 Z1 K, d3 C6 B) _/ N; ^* 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。  ]- {4 q) b: t. r* U8 t0 H* M
    他 ...
    & V9 j, x! d; K  B
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好: d/ s& V2 q* M: J9 L+ u  u2 S- z% h
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    8 小时前
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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
      `2 x: O! L8 z  c! h- d短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    3 T- U! T( n$ h0 s$ r7 s4 R) [5071A好像这两年不好买了

    : i! l# D% `, ~5 y3 O这个短稳长稳有出处嘛?  i( W3 e, w: z( ~
    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~~* Y- B% [1 H! F& I- F: }5 w% g
    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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    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 22:566 Y' L; V7 j9 ]  r. N4 ?. S
    这个短稳长稳有出处嘛?
    4 b3 r8 p) m+ X% x) B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 ...
    - p3 ?0 }' c1 P+ R8 N9 H

    8 P3 H) _- j* T3 W5 q, a' L; d* ]3 d+ D$ V$ d$ }5 _& D" ]
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    3 h4 H/ \4 m% S# q% c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

    11 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 J. _9 k* I4 y9 Q, ?0 o- 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。
    ! F) V1 J5 J; K" O3 R他 ...

    + ]  ?9 J3 g) I; ]* S- }8 v3 x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
    8 小时前
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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' n& z9 o; ~5 t, @- d, r
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    3 j+ ]" i6 R, m: V这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    2 _, K' I- D% s+ d. B1 f5 \0 a; [
    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。
    , r2 C2 T0 o) K! \2 t; 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。
    0 M$ A2 h" n$ R3 Y

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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
    - W: }; m% ~; x! q: e. p/ t: D  g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。; N' @' j4 m$ @$ Q& O  {
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    9 y) P8 B8 e( u* `; Y+ \
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    6 N/ H7 p7 v; j+ u9 k# z* S- [  h! 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
    4 _2 t; G, Y! @. R  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
    + Y. o: W$ }4 t5 m: O  n0 D安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    & B+ W" Z0 ~  f' G3 j0 P
    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 11:339 p) _& Q8 ?0 v; W
    可能高端的铯钟做的更好一些吧3 ~6 I- ~, @# k* h
    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 U8 }- _. P0 J0 _
    时间基准据说 ...
    0 L" r5 z6 T  }/ l
    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) t% F+ J  J( l  m) b+ |
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    $ a" N. ]+ H4 k7 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
    7 d) N& f' z# u" J2 K  }% r8 y& }6 ?+ S
    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 10:296 [. h7 }$ t8 K: o) `. p8 r" o
    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 m' m8 |0 `0 z* I: [: x) C$ p
    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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