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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 8 P4 [$ {) A8 T! X0 d+ X1 f, r

    8 d. x. O& X/ b7 }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。$ }7 A4 s5 x( d; `+ E5 B: x) P
    $ i8 ]* j; F( N" B: x3 m4 b
    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。
      ]/ \6 Y/ V) [" }1 y2 s1 N6 l" j2 @+ o9 h% B) \
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    # K, Y& `9 L& H
    7 s4 P: D8 g+ p7 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。
    . B2 _, m7 x7 T- Y) u0 Z0 x) ]
    . v6 y1 ^! B# |3 [# N3 L1 l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。  h/ g( Q" O* v- P% V3 |

    : a4 ]8 R1 V& D+ b2 j& ?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?
    * }" b7 z- I* m! f& R* O- |; X  O& N* H8 y
    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' A, `, ^$ N" d
    % e2 w- [2 X: I6 V' a! G$ K" x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!
    " ^9 e$ u2 c' W* l
    4 B% W- @' M6 D7 p+ a' J3 f8 \9 \( S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。
    ; b! z7 m6 v' D8 f( X0 q) K: ?
    8 h9 Z" n& S8 L4 A* p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。$ r' x7 Z+ \5 v/ X7 n3 Z% W

    6 I; |* @/ {  W/ }5 C说些个大家可能百度不到的。
    7 H$ O  [' _$ `" `. e2 R: |6 ^6 x+ _! N3 E5 ?, M9 O
    ===前方高能===7 W, r( e- P0 }+ T( v+ o" Z0 x& c, b

    & E! R7 y$ e% j& o# ~1 p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。- L5 z( l+ F1 D7 A

    4 c! s6 \5 {* Q% D* ~7 [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。
    6 s+ _6 ~  N  y, F3 P$ }7 U, `: {
    ! }9 L# h( f8 R8 A
    * T2 i: f. q) h' j3 X* G6 U- e$ g惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    - V  M! j/ P+ r- O( o2 d# a8 ?
    : D4 m# ^- ~  Y- [7 Z" s  E1964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!* U8 ^( M" W* v, [% G6 A! B

    . C# ?$ X- [: a8 U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 F- A& x0 D& K5 n* E) ]( l8 W: [; [
    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。
    $ N+ l( J, @' P& j
    / F% x3 g9 S  `+ L' a( Q6 F* J8 C1 [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。
    % T! L% q4 K; g: ~2 k" d. l6 {! q* u# d
    1986年,十的负十四次方。
    . K) z2 C7 H$ m1 T- Q1 g( q9 u; o
    2003年,十的负十五次方。- a8 _: ^2 q, A; F

    # V: l0 u6 E6 i" v* T: v2017年,十的负十六次方。% Y+ @: u, x( `1 ~5 D& x+ k8 C
    ' O* B  L) t) o& j+ q+ U" m; q
    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。
    2 T. E( C* d  N0 i. J( W+ l1 q9 W6 U  z
    。。。  Q7 E; C5 N7 N# X% ^3 ]2 u" G% l( F7 N

    + z4 ~1 ^; u; t" |: y& _8 `7 d# G! d3 s. p
    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 q* m% {, v* S: A% P
    4 _- g2 X& v/ ~  O+ V- {6 K5 o
    - [$ x2 }) s5 F/ ?* {) E

    8 G# f/ L( s! n) D1 Z% V# x

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  • TA的每日心情
    开心
    昨天 01:54
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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。
    * f! W/ a% {/ c2 @9 f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
    慵懒
    5 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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    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
    4 天前
  • 签到天数: 590 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
    5 O, r0 o( N" V, ~* [3 H% J2 A9 g2 C9 t% ]
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    # ?- Q2 |; S8 ~  n& O4 Y, R# p看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。8 \& y8 f' Z& t7 f' Q- R" U1 U# \( v- F
    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
    5 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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    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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    [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" U' S0 c2 t' ]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
    . e) v) |( A' v
    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。
    , w' _& v5 {/ s9 q4 @他家的铯钟在基站上很常见。

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    2019-12-31 23:10
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    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
    1 \$ Q: C9 H: \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。1 e) U+ D9 M& e. x5 Q
    他 ...

    ' J- o2 f4 Y" q, P短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    , i: X0 U. h3 ]6 |. ~$ x& J) `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
    $ }$ s! m$ n  i/ U! Z6 ~+ r1 d短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
      L1 l% h) p/ b5071A好像这两年不好买了
    2 j& W$ Q( U0 P5 R  M& J7 F
    这个短稳长稳有出处嘛?2 l  d+ L) C* v) I! _9 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~~7 C% _  v; y* L+ s2 N6 ^1 x5 s
    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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    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" {; G5 i* m, C: b
    这个短稳长稳有出处嘛?9 O: S- [/ ?) A1 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 ...
    * z) d/ K7 {1 m
    6 F# N& A' L5 e# U, X$ F5 G

    - S. L! z( J& q4 a9 c没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图" t! a; L7 }' w  c
    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
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    3 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 M& ]3 \0 \6 @7 t% t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。
    ; R7 W' w* J! z; O3 i. o4 N他 ...
    : P& ~# B8 |- q" L% 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
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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
    3 p! w% B# m/ X- M' I- F没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图3 l9 J' h% d' o7 M
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    # K) S/ @! E5 w' k- I4 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。8 {1 H5 q' d0 r# \1 I; x2 b
    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。2 h3 w7 L3 `4 @. @+ n. y

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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" g4 M% Q" z+ t. @
    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。
    ' B2 \3 P1 l) s  h9 Q/ O( s冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    , g: [  F) }- Z; ~% R- }7 ]+ T
    可能高端的铯钟做的更好一些吧5 h: R+ {8 M2 w
    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
    + }/ y: B5 v& ^. I/ E6 x1 b6 n8 V7 V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
    . l9 W! U$ a+ I" D6 E安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    6 P; o% q/ u, Q/ z
    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
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    [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
    8 s& U, Y! F- a! x- B/ {3 N可能高端的铯钟做的更好一些吧
    6 a. M% Z0 p6 r8 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
    , _9 D* o) L& {( \: i* |8 p时间基准据说 ...

    , }1 B' L, |  ]1 i- H% w' H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
    0 y% R( U; C3 p# r请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    , B5 K/ A3 O- ?9 ]: u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
    " v, q1 P$ N  g) H( @; a( C8 J) K4 I: _
    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
    ( \9 D3 T: y6 F  w. O# N. j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 ...
    8 a1 ]2 |) \0 h  N, t( {* E
    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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