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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 * d, k# b8 |2 G0 ]+ l1 A, K( T

    - D0 x0 I2 s5 Q1 s2 v1 I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。
    5 Q1 L' s0 o7 m* Y' g& u7 F) G2 x4 L9 V; T6 M2 w- [9 M' Q8 w1 a- H
    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。
    % Y. z  }/ G6 j0 \& L0 r
    " q  b4 C4 k. r2 Y/ B个头、模样大致如此,二十六公斤。* s- F$ A* w# G

    4 l8 K  P( n3 p  P, F6 Q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。
    # @& h& d0 x" C1 k) w" h/ S0 V8 ?5 H
    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。% Q5 A3 \8 X& l; F
    ) `) l$ A0 ]- y8 v! e9 t* Y
    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?# H& L2 Y8 ~0 y, N! Y

    # Q8 @7 r3 \( F2 ?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。7 j. l* t% q3 |6 G4 X" X

    - s$ D: Q: g( D; B0 f6 ]& {+ ]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!5 Z+ j' ?& W' k" P2 Y3 q) I& y& r& L# b/ i
    $ C. \# e- U  [1 S( T4 w$ k/ X% L' U
    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。  o3 L8 Z2 v6 ~( _

    8 z: C. ^- s5 _8 k- 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。
    # k# X8 v. l3 P# [* Z/ M0 @! V9 J0 r* N0 ]* e4 y% W
    说些个大家可能百度不到的。
    ; s. x9 S1 `0 F9 D% p' S4 P+ r9 `" r* e6 G: D' G
    ===前方高能===/ n9 p- I0 c. Q0 N3 D1 L. Q6 [

      G% X/ @& y7 c) }* {6 q* 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。6 e3 M* W) I$ l+ x

    0 V* ?7 S: M6 M$ Z! E1 j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。  M& O6 S* y( `! x
    & ]* a. H5 A" Z& W0 ^& ^1 ?

    ) W9 P& Q+ S) e% P( Z7 w# Y( l惠普当年的铯钟,吊打全世界。3 ]" @- O0 V: i6 E6 `; Z+ Q

    3 @$ \. b. o+ |6 o- G# M! 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!
    3 f3 K( v8 x' A! R- e4 J' C; Q# _5 a( K
    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。
    & k* j8 e- A: M4 f" w9 C
    - K) e+ g" w2 X1 x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 a3 \1 a' G) ^" |, u7 w

    - R( ^1 A& N# p# f1981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。. M5 ]# W! P# |& C) e/ E* u

    6 E. G5 M. P6 U# z: M5 m& h1986年,十的负十四次方。
    % ^' v) B% k9 M4 w. q: o- R& l
    9 F, a/ k8 `" M# _- z2003年,十的负十五次方。  R- h! o5 T% r* E2 ?& x  l- [

    * m; r1 W4 h4 \& g  Z2017年,十的负十六次方。4 f' n! v3 p" S* Z5 B$ K1 F
    " h) c; o+ l6 t7 s
    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。
    7 S7 p0 i* @/ U  `5 t. @" k: G7 A' x6 a8 ~
    。。。
    - A1 f3 Q+ V* l
    " _6 ~1 C, n, U' O3 {
    " O+ F2 ?7 L0 [1 p# f2 r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。
    ; c6 t3 ]: C. R+ V( k) g8 K2 |/ r+ b

    " b! m. H1 V( j, n" e+ ]
    0 a" m6 \, Z  ~5 X

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  • TA的每日心情
    开心
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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。$ v9 l1 f# d$ M  _
    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
    难过
    昨天 06:44
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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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    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
    4 天前
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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 $ J& _1 _7 X2 |5 \! G" q
    0 U, _( ?# j, s) |* p1 U
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    ' N7 D1 h& k2 x7 A看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。/ x( I* V0 |! t' q
    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
    昨天 00:12
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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
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    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 18:45* D+ M& d: m9 f3 |7 V0 V6 b
    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

    ; d! r3 Z: S, C, H+ \% T# 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。: h( v2 a; r) |% R+ ?- }
    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( p' Z. U, l8 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。
    : ]* v5 H1 |6 y8 V. [4 H5 \他 ...

    , ]+ U3 N4 R# S9 O( X/ W8 b+ Z短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    2 X) F1 g# J( B" H# J5071A好像这两年不好买了
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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
    , q' g5 n: g8 H! V2 y' N" r短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好" U1 x) k) \- ~0 Q" L, [
    5071A好像这两年不好买了

    * E1 y# l/ e$ a* v# k: I这个短稳长稳有出处嘛?. r2 s+ P7 k6 C; ]2 d
    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~~) B/ d. Z, K) {" N6 V4 O
    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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    [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
    ( r8 x8 V8 y# T) K1 z' x4 X; f- b这个短稳长稳有出处嘛?
    . l9 n4 Z! u/ f7 g4 b1 N' t5 }$ o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 ...
    5 \' o& |7 N2 \/ _: F' l' `2 ~9 K
    ' n8 A4 r. ^7 p/ _* q" L% J& F
    ! ~9 s% r$ [6 A# L- N4 z
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图$ e  w% P! g: T/ 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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    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
    奋斗
    1 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! a  q4 T/ i" ~) d3 N! Y
    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。
      N" R9 n, ?7 N% Z* n- P他 ...
    + C: }* _" w: G# m( d: J" P
    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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    [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
    # U6 [" }9 |) K没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图3 M2 v; M& t1 h9 u
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    ' Q) N  X% |5 j- @* X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。- e: q. k: y3 j5 F# ?8 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。& F" ?5 @7 I' W

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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% M8 s+ q: t8 J6 l: s/ I3 P
    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。8 o- Z5 _- ~, m6 m+ [( y
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    " D9 H+ R4 s) B# Q- h可能高端的铯钟做的更好一些吧# |5 A1 X3 L2 p. k$ \! s  v
    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 K( [! b+ J- n+ m9 a4 r2 m
    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
    1 u/ W+ Y5 R* i8 y安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    4 |9 v5 @- {* O; c
    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
    1 小时前
  • 签到天数: 24 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, x" d, w/ }- X& b1 ~" A& M* Y
    可能高端的铯钟做的更好一些吧. u# A0 v2 }6 F4 D# ?4 R( f2 V
    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 X& |5 ]- j; P1 a8 I4 o时间基准据说 ...

    ; i3 E( k9 T3 m: N. @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
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    [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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    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 @) u/ C4 G% }% P请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    % v$ }0 J8 x0 r: i' n$ ~' {3 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
    % x. Z1 n. n/ S7 i% E( `4 X8 O- m
    ! G7 I% V+ ~5 p2 \% V8 n3 n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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    1 小时前
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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 10:293 u5 j( l; P) r0 }. z
    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 ...

    ) R: S& U& [. o: [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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