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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 ( Z$ Y; s+ A6 G" S5 M& G

      l7 ~5 f' z! n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。; `! V8 `9 z. i8 ]0 m, f

    , `( m4 W9 a4 x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。- r5 b2 a% W8 ~; i1 \1 c$ t
    * D1 j3 P9 b! y' i  B4 v/ j
    个头、模样大致如此,二十六公斤。) @, \1 }7 k9 N
    ( {+ u1 B) A! Q
    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。% h5 c5 m$ a! ]" w, r% t
    " T% U) C$ @$ L3 y) y, e, T2 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。
    ) y9 `( m7 W! k! K& ~
    - E" C8 M/ h# g* F+ M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?; ?: m- b" ]1 f

      Y5 b% o/ P' s5 Y( _4 ?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。
    4 @+ `3 H% [- |; X/ Z6 B5 g9 e6 E! q# T! j3 j. x* r
    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!
    ) S. d, W+ o8 S) O, ~$ [! Q- j1 G  P" ]7 {6 |
    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。$ q! a6 s- \& ^  J# p! z. J3 F3 C
    % n1 n( H3 D$ V! w$ |
    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。& g5 }' u1 N% l# v2 S
    2 F% |, `7 F# U& m0 I9 |
    说些个大家可能百度不到的。
    9 J( R; T2 x5 y/ f$ ]; z4 w* j5 P+ [+ T5 m- t; P  S5 B
    ===前方高能===. j$ C+ P' q6 m6 t2 U

    ' @2 e% [* K0 A: I& g/ S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。
    5 c5 j5 m6 J5 s. h; E1 ?. T
    ' Y* f  p" p  w& Z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。
    ) }; b6 h$ v9 ^- Y
    2 G4 i7 S" L% A3 \3 q! _
    ' z" g0 Q. c2 Y惠普当年的铯钟,吊打全世界。9 i( x. X) o1 X6 _% {) o
    . l& [/ ?; e0 W3 h% ]
    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!
    1 ^1 x* i$ D* F- d" |6 F( ?- F4 d& d% d' X/ y* _
    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。
    " Q, c1 L) f+ M+ U
    5 [$ S9 d4 C4 h3 j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。; `' ]- X/ F! j. ~' t

    / q: A. L: u6 \7 s$ ?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。) u; }' q: F- l& Y, N  _
    ( s  |' m, C% K* I
    1986年,十的负十四次方。4 j4 ~& J+ V) N& X4 }  G5 ]( L2 F
    1 I$ U" U% v2 b) Y9 Q* r
    2003年,十的负十五次方。7 g9 l8 D0 P) `/ j/ `
    % y1 ?1 S% h- s! U! F) J! P
    2017年,十的负十六次方。
    : R6 C& T! [% v9 }+ b& C8 Z& }
    + t7 x+ F- G) Y5 b$ F, e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。, Q8 J5 D5 j  ?5 L! s+ ~. J
    * l$ r0 B6 {, [8 J, V
    。。。
    * |' I, n) g) x! p9 a1 M  G: N& @& b* D
    2 U' K# w: z5 Y3 F5 T& F
    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。
    ! S  Q7 C" B" f0 d, _  k& s# W9 |' _3 K
    9 x6 ]# ^- B' F# C0 j

    . |5 {7 m: y6 b( o8 P* Q

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  • TA的每日心情
    开心
    4 小时前
  • 签到天数: 3069 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。
    ! Y# i$ ^) ]2 a. j5 a+ h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
    奋斗
    5 小时前
  • 签到天数: 2991 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
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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 " Q! \; w8 y/ ?2 b

    : J/ K4 a1 E/ G7 b群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    8 q# w- j: O+ e8 r看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    0 a/ h$ Z4 r3 D3 _8 |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
    5 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
    4 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 `8 }$ {, S# s, u2 M+ c  R* t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

    6 Q. V3 B2 f* G% G* c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。' _# b6 `2 y3 v% m( C1 T( S6 c) B
    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. q+ O- q, B. b4 N
    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。4 u6 t/ u) I% i( l8 c
    他 ...

    ' T! o; E8 Q  p! n5 a' \短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好* o- ^; J( Q: R$ a$ ]& `6 `/ J
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    4 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
    * G3 d. Z8 f- l- n短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好% x  k1 E3 o$ D0 B  z4 Z
    5071A好像这两年不好买了
    / A2 H' ], ~  V5 }$ f: a/ Z9 C' {
    这个短稳长稳有出处嘛?) b2 U& ~( `! K  i0 Q
    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 m3 w4 E; \0 [$ E- @$ ]5 U( N& k
    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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  • TA的每日心情
    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" o; @) a! w5 L  ?8 r
    这个短稳长稳有出处嘛?
    1 D: Y( V* Y! m, _  u2 E/ {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 ...
    6 u3 x; |# H# C4 ]+ C, I- w

    # N! o: J( o+ ~' h" Z9 N9 \' j* y# L* z4 e
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图, B" `: L6 |( S( a7 h" {8 `
    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
    慵懒
    4 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
    $ s; P' i, a- L( t, i6 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。
    ( G8 z8 d( i5 w9 b他 ...

    : R: c: K" L/ h% J/ 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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  • TA的每日心情
    开心
    4 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 12:486 K% u& l) v$ r2 T/ T
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图' r  {  w7 x- T/ B
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    - K0 K% [" a: b: N3 f  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。% T  D# C: h$ D/ }3 S2 X
    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。
    0 r4 |- p% r$ s  l; [1 ~$ _4 B

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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
    3 E" \. F/ r& }; h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。: O) t: p/ H8 U8 s& H
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    3 F. Q0 m3 D6 y8 a可能高端的铯钟做的更好一些吧
    * j5 Y- e( E4 @7 K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5 E! g; d* u+ Z5 Z: l& N
    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
    - `  }: ?: ]" L/ H; j9 e安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    : U3 X6 [$ g" [) n2 G. _
    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
    9 t: Y( y& H' Q" ?3 }1 Y可能高端的铯钟做的更好一些吧
    8 H& w9 u& V- a$ h7 H  b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
    ' u4 l3 g, g, x2 w, p9 A5 v& C/ t时间基准据说 ...
    " a0 Z( e, U" O$ C4 O0 @1 i
    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
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    [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
    0 k+ n# J8 v5 E( r6 T# k请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    8 q, I' w% ]& |4 \( z# ]) d/ k( F
    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
    ( F- N5 N( E3 z2 v2 E8 H; G  I8 y0 `4 ~4 n* p; ^0 J
    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 10:29$ Y/ C3 Z0 D. ^% {- P9 L) N7 U
    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 ...

    2 Y' J* _' U: g# N3 L) X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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