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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 8 X9 T4 s$ m  O& j( K  h8 n! u
    : [- z0 @# B# ]4 o% I
    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。
    5 y! H+ B' R" F# T- e$ |- T! ^' p3 U
    ' e7 _% H. d3 ^8 y9 Y2 a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 G( B+ o# W% F1 I9 I
    6 R* Q7 h# i8 R' ]/ k4 S
    个头、模样大致如此,二十六公斤。* D! m+ ^* ]3 T3 m0 c( o

    % j" ]/ G: z& ^3 y% B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。
    ) |8 l0 \' ?  E5 ~
    6 i7 T: N- p) [. @( 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。
    1 b0 @2 I  {" N5 ~4 Y! `  l: _1 f. x! T$ ?/ A: `  }$ 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?% Y0 ]& n& [, e) T* e) G5 P2 c
    + j* c: x7 r; U
    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 v* t0 `% M' `6 F2 o' n

    + P# W; r" O0 X6 ^1 A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!+ S7 i0 _) m2 X' T% }; J) V* G! |
    5 V1 P' b. d, o7 J6 X
    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。
      z1 ]8 z' I4 K5 l. {' }
    9 G! `% P+ A/ l: {, r# d" e/ E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。
    : x8 b: b2 _, E
    : ^7 c2 g( o+ O' v2 w6 K2 V9 N$ {说些个大家可能百度不到的。
    0 M& I$ M) k( G7 K% N* s+ l( a7 ]' z7 n# D/ b+ r) `) i
    ===前方高能===
    0 T3 ]( C0 \1 `0 r" i/ S
    . @3 Y( Z- v* ]5 d0 K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。
    ' F3 j9 c1 M# v6 N! R2 e8 P% B$ p8 V1 j7 @
    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。0 {3 k8 o5 D. @& q

    7 W( S+ V& f+ |7 b2 r; m
    , ^9 Z; d6 z8 l; w3 f+ E2 g) v' U惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    5 h3 S; J; P# Q
    * d: k$ {) y! d3 P1 L' Q1964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!
    ) h5 A; @! W. |/ b: r7 I: \7 J  q( K8 v
    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。; |/ K0 J$ V$ e

    9 @% W+ ~6 O: a2 }. e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。
    ' T/ Z) B- x' @# g
    8 R! }* p8 @& @3 ^4 C- k2 n; |6 s" G1981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。
    - n  L" L' a( y1 X9 i8 r8 y
    ' u  X' D/ X2 ], C( }; U% R# w1986年,十的负十四次方。
    ( D( h' `1 L) U8 F7 J, N% @& r( l4 |# s  F, k. h
    2003年,十的负十五次方。
    2 {: f7 }$ w4 T8 U) U3 ?7 _+ E! }& E8 o8 [8 e- j6 r
    2017年,十的负十六次方。5 v# M' V! p. \) @; T3 G, q
    + X% p1 z& c* |$ j- u" e; k  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。/ Q# c! _& L# U7 Y. u6 ?! t
    - }' z) }2 {- j& i
    。。。5 E* c( b) B# t5 t* B$ j9 G2 O
    * N1 Y. K3 Q! c4 }' p* R; t" Y( k

      `2 ^9 U7 K# ]% F$ b/ b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。3 U% u8 L, D+ b0 @2 Y6 U

    - c; l! ]" x; Q/ k6 {4 r+ i, S: n+ z* k- E5 ~! y0 {  I

    ! O( J% R5 [+ z

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  • TA的每日心情
    开心
    3 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。  R' ?) x' v9 J( P8 w: Z% g/ ]
    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
    开心
    昨天 08:23
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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
    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
    昨天 13:25
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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 P5 {; b' U. n# p. o& q$ \
    ! _- g* m9 l) C7 A$ S1 ^群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);  b- Q% X8 {: s+ N/ k: e) e
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    9 L% k! F% y7 D& x3 S: f$ g, |2 ]- 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
    6 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
    3 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" f/ \- T0 u: Q2 B
    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 w) [' t& E! y) n) s5 r7 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。
    0 G! x2 t$ V& x" C0 ^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
    , K; l+ n3 M2 E7 r: y9 W4 |: J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。
    : D- N. d) D9 S9 T1 c% L  \他 ...
    ) L  E7 M$ J; p- b& n, }# k
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好* O* f0 O  Y" z0 `( a2 J6 `
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
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    3 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- H8 [: F7 [6 B- c, v
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好8 b- t) t& D5 r
    5071A好像这两年不好买了

    2 M0 v- {, D* F! ^7 @' m) [这个短稳长稳有出处嘛?' @, C) B  p4 o2 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一半~~$ s$ [+ x" |& G, P
    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
    5 r2 J6 g- S5 d$ ]  a( Y2 I+ L8 {0 X这个短稳长稳有出处嘛?
    % T5 P/ C+ {. f9 n# w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! n& z. ~6 o4 w. R) ^  ]
    ! B! Q+ r# E& y0 o

      I" |9 d( g% n7 ^# O5 d7 N没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    6 N2 ^1 x; H, V7 n  S1 I- 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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    6 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
    . A7 H: D" ]+ K! ?; X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。
    1 O0 ?: ?5 [% U他 ...

    - K4 f/ H# N! v4 [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
    3 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/ ~" F1 s: C% V
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图) B  {% v& v' K' I9 f, _
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    " `, h' m0 E0 F
    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。$ J3 O7 j" O' T. o
    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 D: K& @0 U$ N. G- 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! F; a5 h& o/ 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。
    " X1 j* F7 }1 V2 v8 U冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    9 d$ d6 E. \/ p- `+ F/ ?! y可能高端的铯钟做的更好一些吧
    9 N" ~; ~' 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
    ' u0 D, G$ b" u7 k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: W% I# e' d# s1 l6 k( \' s
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    ; @2 x$ [; q( ^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 11:332 r, ^& N/ L- X# e+ n+ j- G/ ^+ ~
    可能高端的铯钟做的更好一些吧6 K0 M/ D, k) z5 o
    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
    + E, H- S7 s3 G/ i! d/ X9 Q1 }时间基准据说 ...

    * g0 m; }; I7 x5 c+ O$ |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( d: Z1 H2 L" q
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    3 R4 _0 U+ F! v; x7 L- 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( \2 z) S$ o. _5 U) r

    * _( E, I% `& l" o* S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 10:293 k  {% Y$ M1 @7 o; 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 ...

    6 c3 Y$ i& N' w: ~: 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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