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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 # ^: `9 ~5 g3 [

    $ l: A) U' Y, }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。% E+ k7 p( k" i) J
    % a6 O! N; P; p  M* U* 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。
    6 s# Y7 m, T$ |. m
    6 k: Z) r% x: B# r/ ]个头、模样大致如此,二十六公斤。
    # V( c6 S) g, L& g& Q" N1 S: ^8 G  x& 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。9 N4 n% l) r1 q0 s' x$ B3 ]

    / h! t6 `* N7 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。9 G2 v; c' u+ @

    ! `( M  E9 y9 o: @  }) C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?
    3 O5 s4 S1 p5 x/ S& M
    / K6 e& Z& R/ N7 m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。
    2 P: C3 r3 H0 _2 p. e3 C
      H: c- p/ c8 J3 m* s/ Y8 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!
    5 X$ L$ C+ L1 g9 H+ ^; O3 X/ ^  `# N+ 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。
    & m% n/ n' A* b; I3 M; L6 P2 P4 R4 H% q9 Y% d, L
    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。' ?2 b3 o% \  ^# \4 E) f0 U
    ; t( s5 l6 E( k6 P! R) _4 J
    说些个大家可能百度不到的。: a, j/ a2 N9 B8 i% J( O9 c
    ) q5 z( S8 T$ [1 b: j
    ===前方高能===' ]! Y$ K# D6 c9 q

    6 x4 W  f  M7 t3 w$ U- ?; i! b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。$ m* L, l5 h2 ]- j: j  U
    4 C. }' b7 P# C9 v. w
    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。
    1 @" J, t( @7 {5 ^
    ) Z$ j  L  w. x
    5 I+ m* o9 L: F, f" Z7 |惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    0 x9 a1 l3 N) |4 C9 R8 \* `, W  s  [8 ]/ T
    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!0 Q( s3 {! F2 [
    9 w4 G2 @2 s: R5 p5 [& b& D2 N
    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。
    & e) F6 j6 A; V0 A
    ' A/ K7 Y) s6 y$ w& {6 R6 y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。8 Q$ H& a. H1 M4 C4 r8 I/ c: I3 G  o

      u, I: F1 ?/ ?5 j  [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。1 `1 W  k+ w) P- ]" D

    ) k7 c0 G+ o6 t7 ]7 ^: Z1986年,十的负十四次方。
    ; E) _! k: x8 n! R
    5 V( l. r. `" C- A2 T# P8 W9 h2003年,十的负十五次方。
    9 B9 ]: h8 I7 F; D4 i; B. H" [7 n: i% q1 Q
    2017年,十的负十六次方。# a# D: |8 B7 m, c( s$ b3 E
    1 R9 k) k) p" m9 U1 Q& X0 n
    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。, @3 `4 D1 p& `! X# e; V

    2 r8 T; l6 Q1 D+ H* \- g。。。# Z& u$ w+ l  v! l7 N& m# p4 u
    ' r; Y- Z. B/ _. X
    : n* r& k; a9 y8 S, |  S; q. ]: J
    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。
    8 Z1 l$ S$ w4 S9 P
    1 k0 n  m2 S$ C. L% p& A/ r$ G! J2 l0 @3 ]0 A; P, n

    " A7 p0 W4 t* x0 P6 _8 P9 m

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  • TA的每日心情
    开心
    1 小时前
  • 签到天数: 3125 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。' n# k5 K6 F0 g/ l0 ]
    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
    7 小时前
  • 签到天数: 3049 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
    给力: 5 涨姿势: 5
      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
    前天 20:26
  • 签到天数: 629 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
    # k) R' g3 Z) {( s! X
    ) n/ |. x3 c0 b群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);7 R; V( L: Z5 U# Z) I
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。- `; M+ |$ E# H! Y* e; v& K( j8 Q' g
    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
    7 小时前
  • 签到天数: 3582 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
    1 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+ p$ P7 U8 D1 N  n, w$ h
    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
    ; B. c3 \8 y  Y3 N3 e9 K$ z/ x, }+ r
    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。
    . L2 g' v1 e/ a' f, S% 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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    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 22:564 b* b5 y- w' I7 f- M- S
    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。
    ' I! ]. Z0 I# Q, a5 R他 ...
    % h6 U3 J, a! H4 Q0 }7 s9 }$ W- A
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    3 b( w" Y* q. ]2 |: l/ [) I5 k+ o- u5071A好像这两年不好买了
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    开心
    1 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
    + P/ A6 y2 q- i/ M. ^& V2 B3 D7 Z短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好$ Q- W8 x2 ?0 o9 d
    5071A好像这两年不好买了

    ( O1 |( N) _, a: }9 H/ B) o+ ?/ `这个短稳长稳有出处嘛?
    $ Q3 }$ F7 C9 ^4 N/ a" G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~~2 F; n: m! v  |/ A+ w
    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 22:56
    ( ]0 a/ s2 X. y这个短稳长稳有出处嘛?: X( [3 L( U& I1 F' _* {4 ?* m
    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 ...

    # m/ K) T( z9 l% R
    # e( s# f4 G1 p" O$ j0 B
    8 N5 {3 [  P. N2 ^没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    2 W+ W( Q  t1 {+ A4 C# n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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    7 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 z( `  E6 g/ B! b% U7 `6 Y' Q4 r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。$ s. X* @$ v  Q! L* e. ?5 s- J
    他 ...

    - ~$ q: `/ |6 A: w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
    1 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. F2 [, H) x! ^& T" D$ c
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图4 f$ B) s3 D) X% V7 L9 F
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    5 J' t1 S/ Q( J5 Y: u! ]$ \
    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。) \! F" [2 A# v
    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。
    1 N# l. A& _- w9 N

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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% X- A' `4 W
    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 r5 R4 Y" B( M
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    , u$ |* i0 k  S! D7 D3 {3 j) u可能高端的铯钟做的更好一些吧0 {: ]) e# k# C0 o+ s+ y% 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
    $ N9 H$ E+ E& G5 T) z2 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
    " D% Q1 x, L: L2 h安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    / w: M0 J$ E( Y/ R& s# n
    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: Z) o  K, F: X! m4 H
    可能高端的铯钟做的更好一些吧' o. b# S, 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
    3 q5 z' @; ?6 H  _时间基准据说 ...

    9 C$ B. @- Q7 a! K$ M7 g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 00:567 A' A) }/ q) p  Y5 B
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    . @! Q- n: R0 O: `8 E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
    ( X$ ]7 B4 M2 u* _) J
    * _- `: x; J. f+ Y; {1 ^5 I, G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. @6 `# {( O; l% q2 v, ], o
    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 ...
    4 y3 y- i* h3 t7 Q. V1 A# 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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