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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
    # H- \' ?# U8 V/ A1 i' S4 L% q* @
    4 P& b5 G2 W: s% T3 |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。" p, }5 F$ [" F( O: [- g4 e) v0 G

    8 u: {4 L, J# j0 I! Z7 r+ q0 g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。
    5 b5 h2 y  v4 @+ g4 Z( Y5 r  f0 i  d5 u1 O0 ^- K" D) Q
    个头、模样大致如此,二十六公斤。" j5 r4 h& p. T. B. i( ]

    / x' X# a( Y2 L+ U3 U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。6 j1 Q0 D- M/ `
    5 i( r% m5 n) B# i
    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 q3 M: P$ @3 G4 n# j% M
    ; h$ N" T( L; w+ m+ W. [
    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?
    . s, v$ J/ ]# p  g) V
    3 p3 t3 L# O4 B5 }! G1 E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。. j. |. V+ E9 j4 ~6 F

    0 W7 J# V3 X  L9 _6 N/ o6 e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!  B) ]+ j& ?0 O

    9 @9 o$ E; t; z. C  r+ |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。
    " U, o" o& {; T
    8 t4 `4 c5 R$ [" F. N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。
      u  h7 b! F9 }# `( M/ h' x9 U3 D* Q; Q8 |4 p
    说些个大家可能百度不到的。7 b8 }3 I. i7 y  h5 f7 i

    ; a6 {9 z/ o! N- n7 |0 Q' a( Z- y===前方高能===
    ) h& Z+ @: Y* ~! E, a, h1 c3 B
    3 E% S9 V( I9 N0 I8 ?) G5 J; 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。6 c/ I3 R- ~& g9 z0 ~1 Z% _4 _
    ' `. r, @' `! y! `& e. W" O
    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。3 T' h2 T& v4 ^) h  d5 q5 b

    , Z* G4 d& x1 @" y
    ; }7 O) D7 c  D惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    8 q7 ?& h' d" ^( W4 g' ?
    + E3 p3 Y' M7 ?5 L& x: b' H1964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!3 r0 _! n$ a! W+ T5 ^, J

    / R8 t# \% K* q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。
    ' }+ Y: g. l/ G9 \7 t
    6 R9 ^1 t, 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。7 c, @+ ]; y/ w. j1 W$ x5 p
    $ H! i5 }! w* ^7 R* ^9 s
    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。
    / ^# y% m4 K6 ]
    % p& w4 v, d  b3 l" a* c( V1986年,十的负十四次方。
    0 Q# \1 W/ P4 f1 d: r2 ?- G2 g3 f% Y8 M- j& I  ?# F9 f0 l5 q
    2003年,十的负十五次方。
    / c0 K) U# U- I7 {( t
    2 `7 _6 q$ D! t/ Z6 I) j2017年,十的负十六次方。( H* p/ t+ s. o' B$ P
    6 S$ V6 ~+ q7 W9 x4 [+ E
    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。) g/ j* E* g7 E, `; ]

    ) T( @! k# K% l0 J0 r" P3 O) F。。。
    + c! t  T' T) M) L, j! I
    1 ?, ~: ~/ E2 j; C. f+ G$ L3 V$ |& J' U- S( A' Q
    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。
    . I! d- F; t4 S" S/ B& X/ O. T4 ?1 L6 I. a1 u

    + y) I! l6 O7 C- \4 ?, ]3 V3 Z' c1 g4 b6 ], v7 G2 H1 i& o

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  • TA的每日心情
    开心
    10 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。
    % Q; X, }2 M( q4 V4 u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

    2 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
    2025-9-27 11:31
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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
    5 E) x+ R# _8 v: r( o
    ! ^3 M' C+ _$ e2 G群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);% v6 M, k; A4 o. ]2 r
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    3 \8 S4 D% d3 z8 n- 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
    9 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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    开心
    10 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) H  z5 A# V1 ^5 s0 n; {
    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 Y6 @: O0 z& c+ B6 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。
    ) ?* B7 F5 c3 o* k, o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- M/ C/ f% F( L/ _! 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。
    , E4 s! I: U5 c他 ...

    / Q5 m; M! |/ }' N9 W短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好& B$ C, U' J3 I5 X
    5071A好像这两年不好买了
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    10 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 13:354 p* Q5 o  ?+ @: \+ C
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好5 A% c% c  L( w0 i1 G' V4 R
    5071A好像这两年不好买了
    7 e4 Z; i7 X2 P5 r
    这个短稳长稳有出处嘛?
    * T2 W9 |; `2 s. W8 G( A) 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~~
    ( c. |: {, y% q* 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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    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 22:56" ?& i& z3 N( U
    这个短稳长稳有出处嘛?1 `+ W5 t0 k. w% R, O7 {
    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 ...
    4 ]% p" t' u5 h# t0 Q1 M2 K0 M3 J9 `

    ( j5 s& ]+ f: P1 V+ h8 l: {, a( C( Y2 W& B0 {. W
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    * n9 ^* F1 c- N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
    10 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
    ( ?' ~; U" T3 v8 a9 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。) B" O& o7 b: j% W; ^: b* Q/ W& a
    他 ...
    ' @% J) s9 l, Z/ p! i6 ]: h  }( z3 |
    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
    10 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" Z3 T( [/ J. ^
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图* ]0 ^. v1 L8 I- J" N
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    9 R: x0 U/ X9 T' ~) }+ w, 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。' c" u0 N) v" ?( x3 n
    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。/ M; q. p+ n/ P' ?# m7 i: p/ I$ W, 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, ]' L8 l2 }- z; C- `" ~2 e1 r. ]
    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。
    : r: Y; x. X, v, N  a  T冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    4 O8 K, i6 R, U5 k9 j: y4 O4 N  e7 v可能高端的铯钟做的更好一些吧- H( |1 C& \; F& g. b% `! P
    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 c5 U  h6 ^' W8 J" x
    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
    + D1 d/ g" O( L( Q, X安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
      `2 u' ~) d8 O" j+ b. ?
    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( U& ~$ W& B( d0 R. h
    可能高端的铯钟做的更好一些吧7 X' |: K# x, O5 i1 ]8 i
    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( D# o2 d9 |  y3 a! E* J
    时间基准据说 ...

    ! l; m  U4 i' @4 m6 c8 x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/ ?0 C- T1 z: W* h9 K: `5 A
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    / m' @7 h; \- d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 T8 T3 N: R/ B9 l2 A0 D/ y3 T7 Q5 ^+ O, ?
    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* D3 W$ 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 ...
    & G) T: M6 F3 p; H1 x
    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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