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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 g5 [/ e" d# n# K! H& p% p9 g: C) m
    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。
    4 ]6 _5 y; |% v+ {* w. M3 K7 o# o) E
    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。8 ?0 `" a' F; I4 Y

    # Q+ S  L/ A) H4 d1 `个头、模样大致如此,二十六公斤。
    ; _1 [5 O) I1 m& P1 R( J/ k* W$ Z# s% P2 |. ~
    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- \% c/ ~3 H" T+ B- o( |. u: @+ M( Y" G* H7 J
    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。2 h0 X4 Y5 _: ]5 c# P$ r
    : W- [& k4 j$ q* ]
    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?: v8 |: O0 D0 K3 F

    2 p7 F% C0 B! {+ |/ B+ s% b. R0 [! H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。
    / S; ^5 p2 w9 p8 t9 z/ ~/ n/ [7 O2 M; `/ b) d* q) o
    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!# p+ m  I1 N* L! x4 `8 J0 `
    - V7 ^) Z. |; W9 _2 }' `
    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。" ]1 ~, Q, f6 R4 L3 P
    0 X' A; K1 b3 z8 r  B' B1 ~' L  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。
    7 M6 h0 g3 Q2 Q; o/ s* a
    8 Z1 Q3 C! g- b+ [- e7 R$ d说些个大家可能百度不到的。
    8 T' O# i1 X# g! b: c
    1 p7 Y' w8 m$ d( m6 G5 Z===前方高能===- ^1 @  F+ e( P0 `& `9 a& x* l

    1 O$ z( h) }1 E& Q: c' 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。
    0 `  c7 r3 P& m% k+ G: f  g- t9 n) N# R' N; R$ W4 T* E2 L
    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。
    8 |8 C, X5 s: J! s' Y; C/ J+ ?( l$ a: w

    % A% r9 j  Y9 b2 w" n; t2 P惠普当年的铯钟,吊打全世界。& p( |; Q1 h  P7 u

    5 F6 a5 i8 W) L3 P. ~% t8 C7 }& [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!: L4 l# H/ U# T. o

    9 o( H' E6 F' @' S- \3 q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。# t0 C$ F* F( V' R1 y  U% s, x

    ' m8 V7 y. x3 E  y" D+ M% b: |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。2 F: _& u9 s3 n3 P5 V: r* u

    * P5 E( k' W4 k& _2 O' j1981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 p2 w& t! Q# m) T! c  @: ^: N2 m7 A8 K6 Q
    1986年,十的负十四次方。
    7 W  j) ?( l' e* R+ b% h4 c. Y& h$ W: V5 Q: C3 R
    2003年,十的负十五次方。
    4 x- X- G7 m- r. H8 ]. Y
    * j1 g5 j5 c6 X1 Y2017年,十的负十六次方。
    4 z" w* J* m( B7 g  D% L0 V; R. g0 v/ ]; H* }- p
    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 i% }5 ~/ V- F6 `$ A  h' I1 m8 b3 ~1 {# h0 X, a# X1 w5 I" W
    。。。
    0 l2 t4 S* d, h4 c% q  _1 u
    - z5 t" L/ M! j- i  i; T) h/ o: u6 V( B! o* q6 ]* 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。
    * b9 }5 K  K5 S* a
    $ Q) C: d  r+ X1 D4 }$ z+ x$ @8 o% B6 g

    ) j; F. p8 ]3 i  ~) i: H0 C

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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。
    : s1 B$ W/ 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
    郁闷
    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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  • 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 & Z0 S- g. B) A4 ~* `0 R
    2 l, F- Q6 r  N) t
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);# Y1 U7 U+ a; @
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。# \; S! k& d! R+ h( i
    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
    11 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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  • 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  h0 h  h$ L0 K9 E; k# `: q
    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
    0 L1 ^; t4 U  T  p( ^7 d
    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。
    : V# L8 w; y# v4 O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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    [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& X7 t& D. `, w& r( n
    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。
    " u1 |2 Y2 Q) ~% l& B( N他 ...
    6 ]' q3 K1 k7 W) A4 g9 t8 O+ x
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    0 j, q, v+ i2 i; k; q9 c% `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 13:354 m' s  E4 X  v$ M! w
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好  P/ ~" n* _! M
    5071A好像这两年不好买了

    + L% P6 X) t! B) a这个短稳长稳有出处嘛?
    / P7 @, K1 g, U! A) ~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~~
    % j$ D* I/ T/ d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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    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
    * m, ~" Z' `( c' W( |, ], R1 n+ c这个短稳长稳有出处嘛?
    7 r& @: K. Z- d" R6 [1 d! C9 ]- R, l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 ...
    " T# Z# n- B- P- z+ h, ~
    9 g, y9 A! S5 R/ f8 I
    . x3 W9 Y- m7 V8 F) r
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    " d) p) y: U+ z! h' u1 D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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    11 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
    - ^: k/ f- O* J2 F" Y8 y* 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。
    . e9 r6 a9 l- i, W% `* V他 ...

    7 c! X& W/ B! B1 w4 ?' M" u( j8 D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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    14#
    发表于 2020-7-27 03:35:13 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-26 12:48
    1 S9 |; j7 p' `' y4 Q) a* M没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图6 B0 n# v4 P  h4 [  Y6 y) s
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    , I' D, P2 {' c9 h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。
    3 V# W1 B+ P- R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。
    : @, y3 j; h# f. L0 {/ }

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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
    + y. S9 B" v! E4 Z" ]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。
    " z$ m: F( m$ o1 O+ x. s冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    ; Q! q: |8 q- r3 g" g可能高端的铯钟做的更好一些吧8 d$ [9 N3 l! f$ d7 ?/ j7 I0 A
    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
    + k; G/ ~( t, w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# \' B; Q# n3 S( h% _
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    1 K; W, M) f& a/ p
    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 11:331 {0 q6 v+ f( Y! a& x5 ~0 _
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    2 y( o" I9 W: y* j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
    ; C$ @0 |; D2 w' R! P时间基准据说 ...
    + Z# a+ [; r) D
    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
    : r# X. w! m7 n" u: R2 r9 f请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    ' |% ^* Y! K* `8 b+ D! Z) b  F
    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% B6 u0 a7 i: j2 L  |% V

    7 w% D8 T! i# J2 O3 \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
    & T' k1 N5 N" e2 ^" 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 ...
    2 w! d. F/ L6 F( X- b
    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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