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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
    " [1 F. n; s) Y, ]
    4 m) l- ~3 Z$ e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。
    ; q; z" ?3 E! V! w7 a1 }: r" o6 ]0 c0 N& a$ B0 E0 t
    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。, X/ d) B4 T' I/ r

    2 e9 a$ d9 I& u个头、模样大致如此,二十六公斤。
      v* i; O7 {8 ], y' d$ h. M% g1 ~! n" V8 X2 `
    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。
    . B, ^  B8 N& ]4 G+ a* V; V) P. \1 G
    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 g  }8 b+ R  c7 e! Q, [* w, y
      R  ^7 B0 c  K% T8 _) L' T
    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?/ P+ M3 L3 h$ K) |
    5 _6 f. Q$ Z" u6 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。
    - M$ G7 p9 `) e& D9 y4 S8 d" s% F) I( V
    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& a. K9 [0 ]5 j0 u

    # m3 N+ R: i$ U8 q1 C1 c  ^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。
    : @" z* b% ?8 W4 N5 ?
    0 k; g. G- i9 S& d6 c$ u) u& Q9 n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。. P/ A4 w( T( ^- K+ E+ A

    * t+ E5 i, k. O2 m' `说些个大家可能百度不到的。
    ! Z- [/ \( k$ {6 Y2 X7 O, o. E- @7 f! _" F8 }% e" j4 N
    ===前方高能===; c# j6 u' _  N3 G& P; v

      [' G( E' z9 k- W7 d4 E7 G5 ~  v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。
    - Z: `; {( u" U, H( D; L& t7 O2 [' [5 _4 Z- c; X7 U* w0 ]/ Q* M
    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。
    8 J! Q  R$ ?0 [3 g+ g% N1 C; }2 z

    + p4 q* N, p) x! Q! B+ S* {1 x  Y9 ~惠普当年的铯钟,吊打全世界。. ~9 m( `$ k2 F, ~1 P1 W1 v
    6 j/ K0 r: \9 G6 _9 ]: A
    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!. x, Y$ P5 ?' I/ l/ j/ ^
    9 M0 `9 N# y$ 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。  D7 ]9 e. W' p6 R
    & c: \0 h) [+ h7 n9 A: m- v
    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。7 M( g- K. C/ v/ \9 Y9 Z
    - ~' g" E8 P" b4 A# E( G
    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。
    ! D6 v7 k- i+ b! D+ m5 K8 Q! a8 j
    1986年,十的负十四次方。, T5 f9 V& v9 C7 Y& U

    & _6 {% n# G* ^2 Y9 L& @$ s/ n2003年,十的负十五次方。/ d  _/ \4 t( G' p' P2 h

    8 n# s4 G: A5 H# M% ^( D# i: ?2017年,十的负十六次方。  M9 t! r& N' ?. ?% ~9 ]3 i
    1 f4 M* F% |* o  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。
    + a& N( f3 k1 G  a3 m8 E
    5 y% G9 }- V$ n- b6 P; I, l。。。! X; r& ?) I; N3 r6 F( I

    - B  g& O6 }2 F# b" y' U7 M1 a' t2 e9 a/ `: t
    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。. k$ L9 h5 I8 |; b2 j3 J! B: S
    % M6 q& `. ^/ ~& `

    + w& @! m" ~7 m5 g5 O( i# J/ f" w3 o3 @) J6 s$ c

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  • TA的每日心情
    开心
    1 小时前
  • 签到天数: 3213 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。
    / ^+ K( K' r0 u( H4 K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 08:28
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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
    2025-11-25 10:37
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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 n' E( N. R6 r5 Q. ~, _3 ?; g, ?3 r. n. C6 b$ S! m
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    ! E8 |0 K7 A- `0 A, w看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    4 M+ J7 s1 T! R# ]4 E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
    1 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
    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: s0 l; }6 {9 B; F8 z/ Z
    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
    ! R/ \- b2 i2 L! v% 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。
    3 R  m, W* ]8 [3 q) i$ }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
    3 D- f# g) M; m6 g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* m! t- {4 R他 ...
    ) h1 m: ]7 I( h5 O2 r& v
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    3 \0 R4 Q8 V, F" K5071A好像这两年不好买了
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    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# N! g0 }1 w- l6 u
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好& X7 n, a$ t% x0 W
    5071A好像这两年不好买了

    * _+ G/ C! h. ?: {1 G. t3 O这个短稳长稳有出处嘛?6 X6 O, M' t- Y/ O% y( w+ r
    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~~
    . a$ B" F/ d( i" G, v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
    1 U  _3 @0 m* }) M0 S" O这个短稳长稳有出处嘛?
    8 O. r2 J, o7 V8 x& ?1 E; 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 ...

    . ~3 C. l& W0 X# d( _; `+ h# t' m) X) t4 m2 H. s
    0 H* c6 I1 Y& z% V
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    , U* G4 n* N3 S: }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
    1 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
    # B, K; [7 M+ I+ _" g7 s% ?7 ~% |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。3 s' H, P* l' _6 l
    他 ...
    4 E2 H" b0 B, T9 x
    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
    1 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
    : F7 t, n  G, r# h( Z" \, e: d5 v没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图8 X1 y2 ?  F4 ?6 Q. x1 Q
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    2 Y3 f# c% ^! o$ @5 I5 Z: z6 j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) l5 f% G1 i6 W2 y9 e- k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。, w0 Q9 o5 D* Q4 Y4 i+ e

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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
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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( U# W; e: e) E6 d0 D, n- j+ R
    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。
    8 g+ x+ \  y3 H4 U! J1 b1 `冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    $ R, W9 W1 {* ~! _* Q
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    - I% ?8 m+ ^4 _2 i4 c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  {& H! \: ?9 s" ^0 n. \: 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
    & X' X4 W; x& a8 x$ D+ r8 r6 i安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    ( Q0 a* y0 q0 C6 ~) t
    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 11:337 p  ]/ v* X1 N
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    1 m/ ~" G8 w# V& G+ 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" ^# ^7 R' z6 k% J  ?! r/ V
    时间基准据说 ...
      [( R5 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' b. h" u& X& @& B- Z4 k0 E# t
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    " d& f' D9 l4 _3 A" w3 r5 A6 O- 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7 Z7 W" R  @" A8 x# Y% F
    + q+ u% V( `1 u8 Y$ B
    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
    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 10:298 y& Q) {) f9 x. Y& @$ \
    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$ \9 l1 k8 A3 n! a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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