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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 w; K  b6 r7 ~; X, r  \, T3 h) o) ]. I5 D2 `4 s0 F. U
    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。
      k" b% X+ P2 U$ r: @8 G( P- T/ C" g  Z3 I
    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。2 s( N. @- N. ^! N
    - ]2 f) A5 L& e6 s1 K
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    0 P$ ]/ v- d3 j2 h
    ' b4 ]1 v( H( 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。
    $ v" S/ d+ g5 z
    1 u5 y5 R; T& M  @5 j8 i$ N# g' U& O0 _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。
    9 O3 z) d3 ?" T
    ; b' J+ U8 g) _) v& d/ a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?
    ) R6 `. E/ L4 m# h& u% \6 w2 C  l5 {
    # {; _2 O. z) H$ O5 Q& l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。
    : \* k# I' S6 j, k' G; w4 ^
      y" y! Z# X0 F3 a# }( }- m3 \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!2 s; O$ R  t& {  E  D9 o6 C* H
    4 |1 t( R" v' Q% I
    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。& G. l$ @' ?7 _
    . i2 a5 h. N3 u7 O; W
    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。. j4 T4 J/ c* Y, ~+ _! \
    # b" C: i& l' K0 Z5 |8 l
    说些个大家可能百度不到的。
    4 m, H1 D) e8 f  o$ h- M& _7 |8 T  l/ \3 c& c: R$ D
    ===前方高能===
    7 D7 k% I2 k* R5 X0 F1 U  m4 a  Q/ R9 `+ F3 e' a: }
    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。
    , \; F# o3 Z; G; ~  a0 P) [& C. ?& Y' Q, P8 \6 x* s1 N8 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。
    9 `* n5 Y: ]% B% X- U2 }
    0 p5 H: p1 w# X" ]4 v
    ( r. C2 H! |0 D9 d7 q( I惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    ! Q1 P2 P5 g7 \+ @9 R% _: G
    $ ?! |$ v( M1 ~* s3 ~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!
    5 v" L* B) q: P/ D. z, X& W- t' ~# ^9 A) n3 R: _
    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。" q5 u7 w1 k2 w& I5 [; ]

    & s& R' w3 `  o$ }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。
    ! w6 {. n7 j( w
    ( i" U5 I: N2 X% h1981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。6 a, g7 @/ ~; {5 G
      \' b8 ]4 p/ \, W. Z
    1986年,十的负十四次方。9 @3 n- I7 W; ]8 \% r8 n
    ) p2 c, K1 q0 L8 H; D
    2003年,十的负十五次方。
    5 O6 A' f  T( r! b& V& s; h, B: f
    . E$ N: Q1 i' Z( \1 X: ]2017年,十的负十六次方。; V. w; W+ z3 x& n1 {. P

    8 y/ @2 @% O6 }4 n$ D# F# A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。
    * Q' f% |% x4 T8 Q4 ]0 O5 f$ T5 C3 n1 u8 ^4 l
    。。。! v! t* o% h4 d; p8 Q
    2 D! G- v, L0 J1 }! r
    ) R* X4 Q- ]) F( w! z6 C# n: V5 w/ _
    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。6 j) I2 P6 G/ \/ K8 Q

    ; l1 C0 ~5 P$ Z8 a% {: l8 v
    ' L5 u* w$ `; {% H" Q7 `, }; ~
    & |2 F; L( k* ^- y

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  • TA的每日心情
    开心
    9 小时前
  • 签到天数: 3474 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。+ b: @/ a9 I7 \+ o# U6 k: m$ |8 C
    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
    14 小时前
  • 签到天数: 3362 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
    2026-9-9 11:13
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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
    ; S7 k# U6 J; F5 Y- s6 }' Y
    # e# c, s9 R) n2 ^( s2 u群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    ) B$ A  s) r/ C9 s* Z看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。( N* c. y. D' L# w& j% W
    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
    14 小时前
  • 签到天数: 3951 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
    9 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& d/ O( _+ Z- t/ A1 C  q; c; v
    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. G* M) M) F0 Y0 m$ F2 ^  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。* x7 d( V4 E; ]: E) v
    他家的铯钟在基站上很常见。

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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! y) k9 X9 k2 V6 J1 c3 W# Y. l3 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。- j* z7 T! r' S2 r7 o5 R
    他 ...
    2 i$ t  T0 d7 o' n
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
      K; c6 G# @9 y; A7 [8 N+ [% y5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    9 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
    $ K4 ?" U, p; l2 s1 s+ m短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好! a/ u% c  K# |; _
    5071A好像这两年不好买了

      V, l/ n6 e* d这个短稳长稳有出处嘛?
      y5 O3 b! \6 ]* X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~~
    ) D$ n& F8 T1 _! |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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  • TA的每日心情
    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( v& O" }5 d8 C9 @( ?
    这个短稳长稳有出处嘛?
    0 P% g0 T% d" l; d/ E" ~( d/ 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 ...

    - z, O9 q8 i# I% D6 }0 R4 F6 E
    0 E: T5 p6 T: V' V+ F( X  e( I9 s
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    , I: J2 x! t; S9 D- b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
    14 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
    1 j6 @2 e" o, \) s7 L0 p7 f) P: Y0 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。
    ! _3 K  @% J7 _- T$ L他 ...

    % h" Z; n) X5 ~3 e9 a0 D( q1 J! @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
    9 小时前
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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
    # l" F  ]; v( p; c没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图3 ]  O% X7 I% w: ]
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    % ~* H5 {3 w( W$ k9 U( M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 y7 o. a0 R8 N/ 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。
    * Q$ ]( h- R! R8 r6 f

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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% G7 H& I5 e* z9 O' V
    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; M! W2 S" \5 f2 f
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    2 i* o! W- @2 W/ R1 h0 y* J
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    ( Z( e; E2 h$ q5 m) b! 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
    ' m, K! n; T: j& q  n# ]2 x! G! u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$ C$ L" C8 g; s  m! Z5 n4 ?
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    8 _! X; Q+ e& j& M" z; H& {* u8 ^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
    昨天 19:27
  • 签到天数: 35 天

    [LV.5]元婴

    17#
    发表于 2020-7-28 00:56:08 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-27 11:33/ ^( y: X* w' u$ d* q( u
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    & i: {, V/ Z! F( q6 t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% R3 A$ w, ^9 P# @2 u; m. b+ t4 S
    时间基准据说 ...
    , \4 ~! z& F: V0 }% J2 p) X) 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
    ( u# ]7 A: C% z. r) s请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    , V6 @; z0 O) M$ Q
    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- m" x/ ~4 \% Q$ O

    - s6 t7 D) f( K5 H+ ?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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    20#
    发表于 2020-7-28 11:41:34 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-28 10:29) d$ R8 r/ U" F+ q
    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 ...
    0 s6 {* r, J& U  q  Q1 c
    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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