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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 7 Y- o0 ^5 O: D( n' z  Z# }/ _

    % p' ~( ^2 T6 a7 s9 S5 y5 b* m$ d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 g: ]1 X. B  J4 k+ D/ ~1 T

    ) I/ f# [# w6 W/ p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。
    9 @+ N, Z5 O7 K
    * \; z0 a$ p7 f7 J( l; |1 H2 Z个头、模样大致如此,二十六公斤。
    8 }9 v- E8 a- A; J' Y: C* T8 A' ~5 Q  z# b2 k
    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。
    , ?+ @4 N9 [: \, ~
    " O+ n2 {9 v' @2 @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。
    ! U& i9 ]3 I7 K$ ]: }; ^, ]# [/ k9 ]  J7 E6 d6 e$ o
    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?# ]9 E! ^6 e: N' S
    5 c5 D6 W5 B  l! a7 \
    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。& P5 M0 l4 q1 E/ V7 J: y0 B2 v

    & @1 Z' J; N# H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!  A& |/ }) C6 s# g4 J$ [

    . q% h! L+ a/ 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。: Y4 Q' }: o8 G+ F- z" `" r  a
    ! S/ k6 j% C0 @8 d# P- i; 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。
    1 z6 w! x; V% a4 v5 v
    4 F! T. y/ x' y3 E& I说些个大家可能百度不到的。) Y5 t# |4 l! I0 @0 @
    : t$ T$ S; n2 I9 g
    ===前方高能===+ H) Z. B* S' F" V" H
    3 [- M3 G% k4 x- ]# v8 N9 C
    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。/ l0 ]' @  K' W) ]9 q
    ( _) f/ X: ~+ R
    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。
    ; i$ J$ i* A2 l6 C3 S6 Y
    8 q, B! R6 }7 G( E* j4 S6 F) h: Q' \$ I; }4 z
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    6 ]1 h  l$ T8 s0 c8 Z
    : y! }# \% Q- X  z0 e, E; A5 S1964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!" Q6 g1 a3 }; c# y/ H
    " e; C8 g+ l, F& F5 ]) Z' T
    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。
    ! {: Z7 o+ @  o. Y
    0 j1 I% |+ w1 ]2 D" l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。; z, [2 H& H) ^' i2 K  t0 y

    ) U4 ^7 Q+ }/ T8 C, ?9 O" e1981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 F9 [* u0 g* K8 k3 ~( Y

    * O+ [. G0 f+ P6 `' C1986年,十的负十四次方。
    1 B' L6 C: v# w6 K- X2 z4 ~7 w1 y$ a, y; A; k! V
    2003年,十的负十五次方。
    : z0 }6 T: a0 V5 L3 Q* j
    7 z3 p2 {3 h$ I' |2017年,十的负十六次方。# P3 v; c2 p8 y9 C5 m: l9 e
    $ J% u) `* T; T
    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。
    % Y/ J; C" O6 u# L* B/ Y, F5 d( d; k% |: N/ r$ Z: D, ~7 T, Y
    。。。7 T! W2 H- T7 A

    # ?; ]+ j7 B3 c/ j" b$ e6 v  r. G" T8 O
    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 ?& B1 W) O3 K$ k- X; _4 N# M3 i

    , |) z$ f1 B/ ~5 b4 u7 s1 U4 K9 k, Z5 i+ o) b' r

    6 m2 [7 `0 f* L  P& G- U

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  • TA的每日心情
    开心
    5 小时前
  • 签到天数: 3168 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。
    $ W! E; U! ~! j/ g! N9 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
    无聊
    昨天 07:43
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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
    2025-9-27 11:31
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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
    3 X0 b  o: u7 T4 k9 _0 N8 \% M: h+ d- k' P) q
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    " Q$ h2 h/ s+ l( I看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    2 B& j6 B7 `+ c% W7 w. 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
    4 小时前
  • 签到天数: 3625 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
    5 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
    9 r3 d: X; V4 L6 x6 }' G1 ]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

    ) T! u* V  y( O: @3 \& Z$ g) y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。' k- r4 X! p5 V& {7 ^. ?
    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
    8 P1 k+ ~: b) ^) S) d8 E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. J0 C/ r( W; i
    他 ...
    - V% E% B6 {% S2 W9 F
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    + |1 F3 g% c; n4 m8 }/ `6 j* L5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
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    5 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 13:359 _$ U3 Z6 l1 N; k3 D. D# G. L3 ~
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好: |5 a3 g, q+ H% c) r. y" O5 Q* k
    5071A好像这两年不好买了

    5 o& s5 C2 k1 u这个短稳长稳有出处嘛?
    6 K" O, [/ h2 }! V" I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~~
    8 @7 W7 w0 i6 u$ y2 y7 z7 j! m: q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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    [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
    . C, @$ G9 a: y5 q% ^这个短稳长稳有出处嘛?3 f3 B# ?, p1 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 ...

    : |! V5 u$ Q8 U; [- v) L8 h6 u! A8 j5 D
    ( e; m& W+ T& X9 p
    5 L6 y- z+ U$ I7 ~: c! E没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图: X$ j8 j4 p9 S, d! j
    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
    慵懒
    5 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
    4 [: @2 A, F5 X+ t% I* b1 b6 W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。
    / A! O2 q7 E- n: G他 ...
    ' Q6 h  n" P3 n
    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
    5 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  ?. [2 {2 Z) l0 O$ J# f% d( e- s
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图) y( D: @/ |* I+ @, ^8 w, l+ T
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    $ `- q! j$ g# e( k+ j4 v( N
    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。
      K: Q7 P6 f. G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。* z" Y4 Q9 x$ i$ _6 a

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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
  • 签到天数: 1 天

    [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
    4 ^/ A- B; k% T! h+ Q2 R, C* [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。
    ) r* ~$ u+ f+ A- f冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    * Z8 ^7 |$ |. c- m& T/ D2 Z8 r, _0 r4 D可能高端的铯钟做的更好一些吧
    % h  |8 \! m$ F0 g' h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' t5 C* \: ]+ S$ n1 z3 n( e
    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
    8 _+ _8 M0 A  W; V- 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

    " P4 J9 t8 B, z8 M- x- _2 X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* |) M+ A6 m6 v  p0 p* Z
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    * e9 v7 h7 L, a3 J  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
    % y! Q( z0 n+ W% v/ P9 W/ J时间基准据说 ...

    ; J) n$ _! d2 L% v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
    ! {4 }4 U* s$ ~1 L( ]+ l/ T请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    6 G# x: b% {: d# J) b  p9 e* y$ 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
    " n2 l7 M3 z% {6 |8 l$ n2 ]0 ~  x( [. a& z( q1 t% n, B  e' S) m2 W
    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
    5 `( i% A+ h* d* `; t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 ...

    ( W) E* O0 h! d- j* L1 a* j& f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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