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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
    # S1 b1 w9 r# l) ~5 ~/ F
    0 @9 a/ V5 o6 ~) F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。
    * D* Z5 q2 O8 t" d
    ) I8 L+ a, G! Y3 {5 Q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。
    1 |7 J% B' t" P' {' m$ \. O/ x1 I0 i. N8 u0 q
    个头、模样大致如此,二十六公斤。# H9 `+ {% g  g( @! J& B
    8 N' W+ C7 L9 J( p
    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。7 B9 G& L* |% l
    # d" ~" N7 F$ @2 K( j3 ?
    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。
    5 e7 W- u- Z4 [) ?* v4 U2 [8 c/ E* T  _) `6 r% n; \2 \* m
    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?
    % X% k7 U3 }5 i- h/ |& P& ?1 q" q0 N& ~  ]
    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。# E, ~- M/ L7 L2 n' s# R
    : ~- q: q6 d" M' ]
    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!
    ) K: q! v' K5 N# I# _/ A
    % B5 D. [+ V" q; O, ^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。
    ( Z- x3 O8 n6 e/ I, [) Q: \
    " J+ J4 t6 G/ P6 I3 |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。0 X. F- A$ j4 R" W
      Z6 \6 b5 w4 g  j" N  Q1 {7 ^
    说些个大家可能百度不到的。( B) e  }% R4 Y! i4 [5 T4 x* X

    ! S! m: _- e" w===前方高能===
    . k6 q* j1 ~- _3 U0 M/ e, y
    - @/ F5 B# Q9 z8 |, E2 e: l9 A( h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。( O/ p8 z: M* y" x

    * M; A+ j! `, n, L: c7 @1 u0 s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。
    # Q1 S$ L7 V/ {" b! g2 F9 ?# c; s, v2 t1 N: h( E7 z

    ( ~& J9 |+ l% {6 s/ j* \惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    6 s2 S8 d- ^% C4 G, c  g& L5 `  U# p2 O/ B
    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!
    6 `9 q) T* G: f# [: V2 [3 R* S2 m! [+ S! v; Y+ F0 ~" n
    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。4 C& K  N, w! @5 n, ]
    " C( t& b) @9 f  a
    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。
    0 o; s# q6 T) T8 G
    & u- v4 _( V, t! A/ 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。, b6 ?" @- W/ s, y9 W

    + Q; I2 D6 Z# t- W1986年,十的负十四次方。
    4 L1 G' r( x3 C1 J# s) v
    ; G( i# S7 }" P1 T2003年,十的负十五次方。
    , r. h9 i6 D5 _& t" K4 d1 \2 z, j- b2 T8 k; `
    2017年,十的负十六次方。# p5 D* x- z8 i1 l2 r! C  F
    1 \$ g' |+ U8 B2 D  }/ c
    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。- Z# X; L' i, y& Q
    ' v1 b' j' @1 W! w
    。。。
    3 O2 ?4 [8 C4 t2 B9 Y+ P" i5 J1 P$ B4 P8 C( E+ K& L9 Y( l. j4 B
    ' T/ s+ _# ~5 o& Z5 l5 _% A
    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。
    . w: m( s3 p4 R# e2 ?4 l! \5 h$ {; ]% @
    : q6 v* M$ m  ~) I; [: Y. `3 h

    6 ]' H' B+ m2 l1 \

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  • TA的每日心情
    开心
    昨天 06:31
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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 V* N+ T5 d+ `: d
    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
    郁闷
    12 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

    2021-2-24 23:26
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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
    2025-2-13 09:56
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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
    ; n9 \$ u- C  n- ^2 T' X4 _7 `, v3 Q. S
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
      v" A* ~% S7 i1 z7 y看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。' y9 x6 n* w5 M4 V2 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
    18 小时前
  • 签到天数: 3371 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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    9#
    发表于 2020-7-23 22:56:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-23 18:451 |! Z9 V' n/ }& a- z; M% ]
    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

    * p, @& u* y+ h% P) m" i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. L0 c$ g7 Y  l: Z# s! h
    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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    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 w0 f5 Q$ _% H8 P# J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。+ m/ ]9 y* f; M. f
    他 ...
    2 k6 |( F# S$ f" _5 v0 j
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好  ?0 D# m; \3 x, d* I9 i
    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
    & X$ @* q+ {; C) a/ z6 y) q. d短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    ( ^1 O& f4 y1 N' @5 z  D3 M5071A好像这两年不好买了

    1 v5 ^4 n6 q  C4 j+ \这个短稳长稳有出处嘛?% r; n7 \) ?3 F
    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 z9 D* q) @! T, W: v7 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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    [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
    ( e7 l/ X& |4 q3 D2 [9 o' V  Y. [9 Y这个短稳长稳有出处嘛?- a9 d) }8 V1 {: ~
    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 ...
    ; D* r. B! q$ K$ ^; g

    " x/ O# N7 ~/ N& ^' e
    0 W9 `% h5 T% m. x1 }$ M没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    - c. C+ y& _4 o0 r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
    18 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
      a8 H$ e" |& \4 g2 @% W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# Y. N7 A# Y% a
    他 ...

    ' _! M0 _( o! X8 `- x. C! f' B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
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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
    4 L7 U4 Z, B6 U1 }. j9 o8 h5 {) l没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
      |* C7 `$ o# X- w& V' z6 S& v这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    4 f$ l4 W. c" W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。% o* N  N$ p! S4 U/ y( |1 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。  @$ c4 `5 p+ @" V1 c0 ^

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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& l" E8 S- D" A' U8 L/ ]) k
    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。1 y9 N& z, u/ ?6 `, p3 [9 e! ]
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    ( A* q  d- T# Y) f+ `
    可能高端的铯钟做的更好一些吧7 i. Y2 U# W* u8 `, x
    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* U. i# [+ a+ r
    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
    , e; R+ ^3 d; d3 M) I4 K/ q9 z! L安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    2 ]2 k- J0 o* f' ?2 B  k+ A
    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 11:333 v8 l. I- `$ ~" t! X% w& Z$ h
    可能高端的铯钟做的更好一些吧- d8 ^8 p- L+ x0 |  x' ?
    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/ N6 x& D; E+ T7 s1 A
    时间基准据说 ...

    ( ^0 M( ~) Y# S! q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  E0 m" T4 D& v5 `0 k" G
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    7 A4 m; w8 D  {+ }$ y0 h
    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
    5 s! ^+ P6 S& ~4 D* E  v: N; a8 {  i" |. h6 U8 q
    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
    ) e: l) t. R# O# |' {# 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 ...

    . ?; m0 ~0 F; n! c. J- P! E' f, T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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