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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 3 m- ^4 v  E$ R/ ^, g
    - @  l! y4 g) S# T; K
    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。
    & s7 w3 W/ V1 E2 \' v/ |& u6 d2 l( i$ s$ g
    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。! Z: _( [* |1 P. e
    ' j# p4 m) _5 }4 S
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    7 q0 F( `+ v$ t, g2 q, Y: m1 c
    " b0 U) Y: t" w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。# G  B# g* z; i

    0 m6 l  |9 _, r, J' C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。. \. ~* X4 }# W$ i, R, ]7 l

    $ ^: Y4 p  B0 ]) m% u3 ~8 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?
    / T2 b. K9 y- R
    # E% F  m  r4 `5 }: f4 ~( 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。
    5 _' s' w3 J+ ?( H  D- L2 g# k
    " ~( ^' A$ u0 |5 L( z. F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!
    3 \. N" F! y% R/ H6 O
    " h3 A* \9 n: N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。: [' H  r$ l* R+ P- r
    0 u' e7 b/ ?3 b0 ~
    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。6 z, c0 s% t( U6 e8 G* E; e

    ) o8 W; r! S' A; _. z- r: S% k! d说些个大家可能百度不到的。
    % b) n3 L- o- S1 g4 ]2 U2 G% a9 U- z/ [- j3 F$ `" ^( d
    ===前方高能===
    , A6 ]' b# \) d) z0 q% b% f; |8 g+ w( [4 N
    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。4 \# W5 N# M) r! c3 J/ Q
    5 g3 V9 x7 q5 {4 i, c6 x; r) \% K
    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。
    : y1 H. `% _. j* K+ W. Y" f
    & Q( B; {; ]: Y' s; k
    , V$ X7 E( M; e. x  D- H3 H惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    5 ~$ P+ E) f2 [9 D# x' c3 [, c4 q2 a+ J. g8 K; y( n
    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!; |; n: ^' k' c1 n
    7 G. I- L9 I* l' F% `. ?
    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。3 t: B$ k5 [; S( b4 B: c' _$ r9 s5 R

    9 d1 r: \) z/ t! e0 _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 S- J/ s0 e9 X+ J
    0 q( a* z+ \7 Q1981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。5 B; G* N$ [4 f; x5 l" e

    3 d2 j; e$ ]+ a1986年,十的负十四次方。) x! B+ a9 K% x7 |, _3 U- N/ M

    0 G/ P- ?5 ]* o9 a2 z' _2003年,十的负十五次方。, \5 i( S1 z! H; K  _  c( W/ O" ?0 W
    8 ?6 ~$ @8 U( v! |9 q
    2017年,十的负十六次方。% k; V) b/ `1 n; T% k9 E3 ^: ^: O
    2 F7 j' ]9 y! Z
    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。
    % L! T6 d$ j+ ^1 A5 @# ]7 N8 k& o* S8 I  `" X7 U, Y, z
    。。。; n$ m+ o8 n$ D- n
    4 }3 U% L9 u. Z7 f. ^
    # S! H+ n# |" t" d5 j: _  h* 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。
    ) v5 }$ p1 J0 H$ A% I* H
    " G3 c% B& r- v7 |7 Y1 F7 l7 J2 S( S; _$ f$ ^8 Y: n
    * V3 f9 F! |( X, f5 u

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  • TA的每日心情
    开心
    9 小时前
  • 签到天数: 2978 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。
    6 B- s& x) N7 P0 T; ]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
    7 小时前
  • 签到天数: 2903 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
    2025-3-30 14:34
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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
    7 _4 {$ d# H( A" A2 I7 r
    1 o6 s" K; U' A3 ~- N- R2 ^群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    , c: c$ g+ U* y- K看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    % `7 B/ d8 [5 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
    9 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
    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  h7 H% f' t1 j. c# k
    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
    7 m8 M& G/ ~! W2 U* t, u  z, 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。5 I+ K( P8 O  A
    他家的铯钟在基站上很常见。

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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
    ( T1 W& r+ Q5 d% b! J$ G. 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。
    + ^; O; p$ q+ q( J/ Y他 ...

    " M5 v7 H7 t9 [. t; O9 F8 A0 S短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    ; w/ I# b. `' \5071A好像这两年不好买了
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    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
    & ]# ?7 K; T+ z短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    # m! b- V% b! n8 F) v' U5071A好像这两年不好买了
    9 p' w8 N9 p: v5 X. q
    这个短稳长稳有出处嘛?
    4 w# x& l9 ^* a* Q' 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一半~~
    ! u/ H7 v% z" P8 h4 ]$ x5 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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    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: \' ]  u4 T, t- P
    这个短稳长稳有出处嘛?
    9 b2 k; ^5 V* r# g- y; G1 S0 t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 ...
    ) u+ ]1 W3 o3 }+ R0 \) h
    2 n, W- @1 l6 g1 o

    - g- i2 {& {; ?8 ?没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    6 L' H% u: m6 E. R* T4 X/ Z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
    9 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( \  Z- j% |+ F* Q' K8 j2 E& 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。' H8 Y* s. v8 o6 y$ t
    他 ...
    3 }' y+ |2 Z' K; L  z7 Q9 j3 ]; L
    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
    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
    : d. i8 N5 \: ?. h% Q没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    5 {* w0 ~  T( n5 j4 Y& A* M这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    % U% P% L( W* _: B" @& a
    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。7 d$ {* [$ b; B" P
    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。# A. A" J( N: I

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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
    6 v! L5 P8 E4 v8 d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。( O0 H8 n$ M) w' c
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    2 K2 Q' p- W5 ]. J$ @/ G可能高端的铯钟做的更好一些吧6 N; ?9 j5 T& R1 j- s7 ?. _& {1 z
    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
    3 H4 t1 {& z; }& e+ Z: d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& t- X! d6 ~8 u8 T* z% b
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    5 u- ?% f( s, h( G2 n0 ?  r
    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 11:339 v& E6 K, r0 f) g
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    & e3 m9 A# }  Y  x4 }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" b3 J* I9 T% b5 F; y  B
    时间基准据说 ...
    3 A: P% r. k7 l1 ~$ X) l
    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
    8 r0 h6 @# ~  S请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    + ^# o" q: A$ [$ e0 h( V
    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
    ; @4 \- }( B, c  y7 K+ m
    % D/ U  l2 a+ _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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    开心
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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 10:294 R2 @) Y/ H  T3 p
    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 ...

    7 b. r- H3 ^! U0 }0 i8 l( y- h6 r9 y" 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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