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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
    ( j3 t$ K, }/ l# s9 I
    . a1 n1 x( h! e8 {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。; b% `8 l' R7 }3 \

    2 y7 }6 ^% v, T: X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 G0 H+ C$ r7 t/ E8 ~0 N1 C
    9 u2 z0 W/ H5 S/ C
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    ! S, R3 l2 h0 r! X: B" G3 S
    , q. T. ?- @* j- U% {8 M5 r1 ^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。
      i9 Q0 m9 n1 k6 i5 d
    4 g& D& `: V, C. G& Z& u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。
    1 O& Q' ?" p% s2 Z6 n% |/ |% Y+ g9 v
    2 u0 x5 m( D' Q( b% M' L8 B5 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?
    ) C7 t; H3 @, C9 a1 l8 r" ?6 [' t$ Z! z8 a! F. F4 V
    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。
    4 w  X8 r; D: Y4 l. K
    0 L1 l0 l. H5 f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!3 }$ e( ]) O2 L' K% q0 b; [
    ! a, L; A. s. i; B
    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。
    ' [2 f2 a  r$ Z4 d  u7 Y2 E0 |7 S
    ) w5 W( a1 W) X! u3 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。; S4 A0 p9 s8 ^* t. X

    & A, }$ G5 |6 W  S/ s说些个大家可能百度不到的。. J+ D: ?8 r4 c. o8 ~  g0 W3 W
    " l) N: V) f7 K- w) H2 s
    ===前方高能===
    , Q( D, O, y+ h. h$ f! A
    . q% D1 X2 i" f2 T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。: |% A7 E$ Q& _& v& J/ q0 V; [

    . r: ?0 {0 Z. F+ }4 m9 g; O& Y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  @4 C6 x) V0 V- u& a8 q5 ?1 ?

    ; m1 c9 C! ~$ E8 g4 L; r- Z& }: k: m' r: l7 U" w
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
      m# {4 I, E8 L
    ) g" n$ W6 ~$ p" P* h3 d1964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!" q: b& b' \1 |, {

    * W& i- Q; d) E- z& f% E4 x8 G9 m5 i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。
    $ L! I' O' D  B$ `
      W: G) R8 o9 }0 G0 M$ }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。, X# {  c2 k; c' q
    , p+ B- _7 z" A" {6 p
    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。5 v% J& G1 B; k) m( d; P8 u

    + ~4 e, x/ m! ~1986年,十的负十四次方。: F) s, Z+ }+ U) u7 b" O, o0 q
    , z1 M2 Z& z! |1 x" N( o
    2003年,十的负十五次方。$ S7 h% ?$ O8 \* }1 [9 O

    & C6 s2 e8 _/ {9 z6 t4 K% A& G- s2017年,十的负十六次方。. @& c! }4 r  N0 `$ p# I: |+ Y; I

    - E( d% u- s' T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。
    . s* d2 d4 c! ]2 K/ H) Y
    " L4 \) G4 H& e' i+ L: W. J。。。% R4 e# q% ^/ [  D7 P4 j/ u2 Q& S
    ) ~& X% |( F, }+ }, t
    9 \& z9 ]" _8 K" u! {1 k& }4 V
    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 }7 _/ M" S, z9 d, a  ]2 S' Z
      z) M, B2 c! j+ E
      w8 `, u, [; h, y" ^' D4 t/ I
    4 O! Z7 R/ [' C( |" f9 h

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  • TA的每日心情
    开心
    2 小时前
  • 签到天数: 3354 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。7 @  g( P' ?% T3 k
    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
    昨天 06:55
  • 签到天数: 3241 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
    前天 12:11
  • 签到天数: 678 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 ) b3 W% H9 O) M0 T% E9 Y
    5 f# w& f# E, |7 m
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    " s, e; d: K! I0 j3 e: _& I看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。9 E5 L: u* w  V/ q1 U: ^9 b
    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
    3 小时前
  • 签到天数: 3819 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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    开心
    2 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 X& {, g+ U& A" S9 Y! v3 w$ ~7 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

    6 }( J% {' c% [* E& s  W  o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。/ I! C) m% g. K+ i9 |
    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
    7 C$ M+ ]' ^  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。- ^9 K# q$ |. a$ U
    他 ...
    # S  U4 [) F5 P# T+ m0 h
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好/ y% W/ ?& Q1 f. x: o
    5071A好像这两年不好买了
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    开心
    2 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% z8 z/ @0 V6 J3 H6 W: ~& [: l
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好2 U! H# k9 W. \
    5071A好像这两年不好买了

    ) y$ f7 Y9 G! l这个短稳长稳有出处嘛?
    ) p$ Z5 X, z& y' k# u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~~/ i& k0 d9 x; h0 Y7 q' K7 O1 x
    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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    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) ]  h0 V5 S: a4 P
    这个短稳长稳有出处嘛?
    * C0 Q) Y1 Y  y$ Q* |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 ...

    # P  P) ^& t6 c, A
    , ]! S- u' _3 X8 D9 i( B' i2 ~2 l! s: I* Y
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图  t' @1 Z) @  J$ h
    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
    4 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
    3 D6 V7 ~% h2 V  g% ~$ T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。* h" p, G, A- s% N
    他 ...
    8 }; d* k( {: [" 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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  • TA的每日心情
    开心
    2 小时前
  • 签到天数: 3354 天

    [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
    ! B' |& [! i0 Q+ G& w4 M没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图$ k2 g8 A" [) V
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    ) ]+ ]% T% Q2 S( [5 Q2 p0 Q
    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。
    / ~( M& c6 ?! f+ I1 ]6 K" `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 f2 J6 A9 j) g" u9 X

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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
    + B) Y3 k- B6 _" k' g! L3 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。' [5 f- _. }9 D- L* z- Q" n: D
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    2 Y3 s; y6 P! \) ~  h* B0 T7 d3 B
    可能高端的铯钟做的更好一些吧: A6 {' x9 i+ F* o
    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 P, m2 {& K6 P1 u& j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/ _7 Q9 O0 Z$ S( Y
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    9 C# j% a3 R7 \% 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: w- V7 R+ _# P( A# E# O
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    - p' C4 S$ P2 e  l9 V* ^, o& |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. w/ A9 o- }7 W2 t
    时间基准据说 ...

    % ~/ a' O% o  r2 Q! x4 S5 Q7 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
  • 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 00:56
    ; }! J+ w" A3 s% B请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    2 J. J7 X% I" e- {/ g
    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
    $ y1 p0 ]' @7 u0 D' v9 p$ _( Z3 h
    ! d2 K  i  `2 |( D! ]6 D. 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 10:298 t7 p$ z& [+ X2 m; Q9 j
    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 ...
    - U% s, m3 u) |9 A  M
    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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