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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 4 T, G2 I% ^# d

    % D, G; k8 i6 U) 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。. Q8 s9 t+ Q. Z4 Q7 w
    0 b  G& q; {6 N; u$ g$ U0 Y( `
    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 O6 L2 G' a. x7 r, E% n/ f

    ' q# G/ f4 @* P1 Q# P个头、模样大致如此,二十六公斤。. T( H" F  L' s5 z, }+ Z; b! m

    ) [1 {6 G7 ?, G3 k3 B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。
    & w9 F/ S5 c; t& s7 B# S2 m* y4 J: r0 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。
    - V5 J( k) a( {  S' \7 I
    , `0 g" Q! [0 C& 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?
    ! _+ [# x' {) L9 Q7 ?* K) O: ]" W5 {6 f4 f8 }5 k' G
    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。( e6 D2 G1 j# k+ M9 V: f3 o
    - d( X2 S3 \3 Y; z  d
    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!0 ]- Y6 c# {- Z* X

    7 U/ j0 F! B/ M. O5 J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。% W% b3 ~( K$ C9 r$ C
    ' S0 _( y9 t+ k4 d
    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。
    ) P5 B  C( n- e+ g5 w- i1 L) [8 z& t: ?2 }) q
    说些个大家可能百度不到的。5 |1 p$ u% o, }& j- r1 W) N9 N" j

    / T/ b% [2 M* ?* ?4 R===前方高能===' Q7 h4 k  A2 K# Z3 D5 Q" K! r7 p* u

    0 p. r1 d% R& o0 s% K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。8 P' ]7 o  k. C  W! a2 `& m, i& p4 ^

    * F% E! z& Q# w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 e  b# k8 f/ a4 P$ v4 ]
    $ ?0 L. [9 x+ a8 b4 b

    # a' X8 h, X$ u1 b! G8 G惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    2 v& B% Z3 V  ^8 i, ~% L) e) M- _) }/ E0 Q  L
    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!
    0 E# a! b5 U3 ?' Z2 e2 c/ O+ y- R; s) M, I1 E
    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。% T2 W4 x% s5 Q! Z" \5 R

    : h; x# H6 `' r1 M+ Z' q1 p+ V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。1 B. ~* N  m) F2 ~
    % a1 A, Q' h4 q6 b
    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。
    * w( U- n: {0 R) N1 B; H$ Y5 T, w0 h0 \9 Q" n) |
    1986年,十的负十四次方。
    1 m2 F1 s5 B$ ?1 C3 m% U" A% V( t. C) ~3 V
    2003年,十的负十五次方。( r. N& S; Y& K8 G
    ! ~4 |) E1 c5 U
    2017年,十的负十六次方。
    8 h; O+ b* v; z  b; ]- Y% L  d5 T+ y/ l& O0 `5 y9 W( B1 R
    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。0 M4 R2 W6 ]% a' u4 f4 e# i
    . ^6 H& U6 k& e* w: B& ?
    。。。
    . g8 [2 X7 K! G$ ?( a% N
    " M) P- R" p/ `- P$ {/ C3 t6 ?; z1 R& g5 ?) b
    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 g$ u* A- v4 N9 D7 T1 T6 O- }
    # L$ v! o1 m; L3 i
    3 f! h7 B; s1 i7 q% F4 j5 c5 ~5 A7 C" K

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  • TA的每日心情
    开心
    14 小时前
  • 签到天数: 3292 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。
      x4 n+ e' a) W" l$ e& V, Q( o3 E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
    擦汗
    12 小时前
  • 签到天数: 3203 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 13:17
  • 签到天数: 662 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
    3 B3 L2 a  d4 E1 Y2 V! O) T0 e! R% z" v8 Q
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    0 m6 R- {% ^5 O( q8 K看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。/ ?9 y2 ~: l' R7 m0 R: \
    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
    19 小时前
  • 签到天数: 3756 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
    14 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
    ) y- K1 Q* ]$ W$ ~, ^3 o1 H) A& 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/ i1 Q9 n2 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。) Z5 Z" r1 t+ Q3 h$ _' B
    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' Z0 K0 V" u/ t6 W( W, u: P+ p- H$ m
    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。
    ) y6 m! i$ {2 l% ~* m* [# n他 ...
    / M8 l& z- W: j/ K5 l
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好; F, I) S  Q7 _" I9 w
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
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    14 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
    $ D8 U$ T% ]9 W7 n8 \0 F6 H短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好1 r! x, j4 y* u) A8 R5 N
    5071A好像这两年不好买了

    4 z% C" u6 ~( ]* c5 _% W2 c+ b这个短稳长稳有出处嘛?- _1 o1 Q/ _2 O3 x  E3 J9 w
    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: g0 k8 j$ V1 b( x6 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
    * e4 \8 |% j0 B% ~9 H这个短稳长稳有出处嘛?
    / v$ X0 H4 n6 y) U! M% k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 ...

    8 Y5 K$ w& K" y$ v
    / h/ L7 J; R1 ^3 l* F( N  ^3 p( K0 \% t' F4 l
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图# k: q' {$ o4 |8 w! Y
    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
    19 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
    # d# k3 E  @( Q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。
      I9 o5 F- U" P" W1 f他 ...
      C. M0 z* J6 r) N% ?
    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
    14 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
    5 ]/ W$ m& w2 Z6 h& _# v没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图5 r) z) q2 J2 a) {6 ^
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    : C; T9 j( D/ C' }7 m5 M+ R% e
    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。
    6 H; K2 @+ F% O; [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. `: F1 i+ k: d5 N& c% g

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      发表于 2020-7-27 04:47
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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

    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; ]  k# x) T! t, {- n) F
    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 R. _8 i3 U* c- P
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    ' N( v& |* H; H5 Y可能高端的铯钟做的更好一些吧9 z- B& Y) z1 y$ D) Y7 i7 Z/ r/ w* Q- w8 k
    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8 ^+ D& B& V! x3 w4 H
    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 03:017 O$ p4 c# r4 v  z. w
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    , l) g! X8 S; w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; Q" C, m+ x" ?4 n$ Q, a
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    + f- z; @- Q' i# R& @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
    6 o4 J/ j4 Z6 q3 w1 X! M5 n& ?时间基准据说 ...

    3 S7 E0 e* [( N: V* `/ E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 00:566 C! r- i% Q! m; p8 i* V5 y
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    3 y0 B4 E: G/ F! c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
    9 |. K% {9 c! Q- U
    3 G% d+ U3 L, X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/ k5 ~% E* L  a, r: v( i
    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 ...
    ; a: X/ \3 {8 v3 m; h: I
    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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