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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 ( N! e9 i" T6 j) M( W7 d
    $ W/ k- y' {6 @6 N* L( W# G
    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。
    3 g0 V: Q& h4 m8 c3 F3 @! d7 y! j$ `# b2 _% _0 F
    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。
    & B2 B. g  @" e% Q/ A% I" ?3 }4 C5 l* t3 M
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    3 [% I6 ]  X$ D9 T# D
    . u$ O* `& i$ U" x; H, n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。
    / n9 x: B" D6 H1 S6 l9 L3 Z! V: t# e% R
    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。
    8 i  d" F% q9 H
    8 b4 q, D/ R" m; c" N7 W6 `. i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?" m0 Y$ I- ~3 N* D9 h% V$ U% F
    + Y% j$ I0 h/ A' q/ T7 |
    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。
    ( D" x$ r) `* x1 _
    2 z( Y& y. j3 {6 E0 l4 x' n. O  B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!" _; ?1 J# T* g, M' [/ F) I2 \

    / Y; u2 T" \" }  e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。
    & \2 a$ g. p/ y$ u1 |! o* ?8 f+ n. n) t* f: q% t. o% }
    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。
    % x0 [7 h; s* B, S. y2 _; U# v/ z; s8 X" N. z
    说些个大家可能百度不到的。" r, V1 R# I6 |3 V3 g. W
    ' `4 f; K$ T# U) B2 {1 ?; s- y7 m
    ===前方高能===
    7 H" ]8 z  [9 N3 r* H9 B) `1 D/ S, _8 v* t# ?5 Q' d
    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。# {! s9 G0 C' ^- W2 U9 }7 \- G7 N. k9 B

    / M; E: F3 N# z4 P  C3 d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。
      ?$ t2 A- b& N4 J# x: B5 p7 c7 N( w. ?! d2 g5 D

    , b! G9 ~0 f+ [6 v+ |惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    - J  b! b9 J6 P7 l% C# r& X! z3 S
    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!
    ' }3 u; H% r' ?4 @5 l2 ^
    ! L, o" z9 ?2 a" u% t  V% a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。8 f7 w  ]/ v7 Z! N" o% j1 p; u, |( E+ m
    ( O8 y+ v3 w* _1 I# v3 e# t
    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。0 P: e9 d$ g) M5 n/ @

    : f6 V1 x# ?9 r. R+ C1981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。
    3 [  K$ D& l/ \8 O0 b; R$ q1 ]/ ^+ Z4 F
    1986年,十的负十四次方。
    5 e7 X/ D) b4 U1 g7 b8 q+ C- _0 B8 S7 M) B" F  q
    2003年,十的负十五次方。9 g% ]* i& I% w" O, D+ m: ?6 T$ `

    ! X& Q4 M5 g7 q: q# Z$ g% g2017年,十的负十六次方。
    ' h& U- F! B2 {" H& W" X1 ]1 m' e& Q* w! x4 a# l
    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 F1 H+ Y  k% i, z; {+ p% s' R) p0 I* m
    。。。
    5 A" ]; F2 X9 Q3 Z$ f
    & O; U! e2 e4 m, W" Z/ p& y
    ! q/ c4 P$ Z) x/ b# Q& g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。
    1 C9 X/ i. ^- k) L- x1 z: ^6 i& t- G% ?' G& e% \: n- c

    6 x! `; ?8 R/ f; F* O; a: V( C7 q. g
    * T4 S8 I' q9 Q/ {

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  • TA的每日心情
    开心
    10 小时前
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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。) Q7 O. ]" s. Q. }  g2 M
    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

    3 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
    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
    2025-7-12 09:31
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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 + U. e/ ^. T7 |8 f/ M
    9 U2 g1 `" `& v+ r# X8 ]: {5 V
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);& o: T. ^. @, N7 Q
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。- M# F. N- x/ q9 ~* B3 t+ 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
    8 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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    开心
    10 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
    1 d% N1 N4 `4 U! U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
    & z5 u. q& w- ]* 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。
    : u$ |) V' C0 [% x  q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. p: H& H* T+ j/ d# r3 D2 i: 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。
    - b( @' U- P( j他 ...

    % _# E% X6 Y0 ?7 r4 F1 P短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    + c6 y0 S7 M; d5 J$ H7 m5071A好像这两年不好买了
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    10 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
    0 z  K" v: {, S短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    1 d4 g2 ]9 ~1 M5071A好像这两年不好买了
    + q3 @6 L: ], ~, \0 H% \0 T5 `( e
    这个短稳长稳有出处嘛?
    # u- }' [  p! m  h+ z! s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~~1 B6 M2 u  a8 f: X7 N" o
    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 22:566 q/ M( d" \/ v- Y8 J
    这个短稳长稳有出处嘛?
    1 o4 o  `' s6 y4 I7 R4 D6 Y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 ...
    9 i2 J/ x* x1 o, P

    " }8 f) ~+ p  ~: x' b
    - v1 T' C! o3 o3 {8 O* ]4 \: e没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图7 E; O- Y" L2 u$ E) O0 O
    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
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    10 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 22:568 o+ `+ M- a6 m( W) 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。
    , {, u' M# W+ w0 M) n他 ...

    + x1 J8 N5 |0 s. u# P5 h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
    10 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
    + d. d! ~9 `1 ?1 v没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图) g/ ~$ V# v: u. l* [8 @
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    + d9 _% Q  C7 ?3 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。
    ( V) |  b: ^" M9 N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 E' M& x$ e# C3 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; b& X/ T% }# [3 B7 S
    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。+ \2 u, R$ T% B4 {
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    2 a! Z% e4 }( L+ o
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    , v" [2 B: ^8 S% 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
    0 d5 ]4 Q) ]. a$ q: J- Z5 w; i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" z" }2 m+ Y7 Q* v: ^2 p
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    ! \+ D& H: `( M
    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
    * E7 R3 y! |3 }9 `可能高端的铯钟做的更好一些吧8 D9 j! {0 X  l2 D9 f
    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+ I) [4 Q) u2 J4 y- ~" g; o
    时间基准据说 ...
    1 }# y( |  W/ |0 N! ^. s
    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
    # C7 x, S- U# T" I6 M请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    # q. G/ b' J: t+ A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
    & t  b7 S$ |, |4 }( T
    & v3 j$ e9 k  N! J0 x1 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 10:295 a- z! }: w8 O7 x4 L
    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 ...
    - x% Q& J5 Y$ Y5 H. R
    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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