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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 l0 A. V& K  R0 {: o# y( y
      [7 |" _# L" }& Q8 s
    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。
    . b6 E/ Y" J* t8 @! L3 Y/ r
    ' ~6 P; L4 c$ C1 @9 Y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。
    + ]# l! t& o" l* b0 J! B, e$ D9 _8 `: O0 q7 @8 y
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    7 m- i6 U# }/ F$ a3 i
    . g2 I. w( k( q6 i% Z9 T) o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。
    , T2 `/ h" \' e- N3 r- m' h8 _  w: y4 q8 q
    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 @0 F1 F5 A9 W+ M; o

    # Q/ _2 P3 a' L+ d8 i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?, K( S( J+ j% _6 B7 i2 I
    # B$ z% t  q; V+ c
    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 S/ C7 u9 h. I( _. ?# L' `. a* g
    / _/ [6 ]' V3 V7 m
    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!
    , L0 g7 O6 k+ k) B: v
      u2 i1 T1 p, {$ g9 J& R/ }9 r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。
    9 P4 G0 ~8 x9 ^: N; l- S0 E1 _
    : y: t0 {1 [4 z, f. S2 N& X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。
    . }( D+ O0 S$ k+ Q: ~! M6 p2 g0 W- X; K, M# h7 n
    说些个大家可能百度不到的。/ }$ h- p, t+ c+ Y. P3 V

    " E& Q5 M  Q" J===前方高能===3 ?8 @& f9 ~2 T5 j5 j+ Z% H( }

    - V3 P2 @! p# }& 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。- y" I  B2 L1 J7 e8 J, R8 P/ }
    / F7 e: p$ t  n! }9 u3 b3 O
    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。
    6 G7 f$ E7 H6 J" ^' F: t$ t, q5 G3 g8 E
    - `1 P! {! b- r' T" c
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。0 S+ U0 G. A8 u: A: V/ D' }+ b

    4 w2 \8 U; G# k! x2 M, \) P, L1964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!) H6 U" D6 {& i1 D2 O- f

    , n; I, r8 }, q* B( T! Q/ w9 F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。/ g9 e0 @4 X$ s
    " I4 j6 o0 V& m* x/ h' Q! {
    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。/ b9 y  ^) ?9 G6 ?- W" Q8 f

    ! l9 z2 A1 D/ O- C1981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。: e! @4 U$ a. P; n
    * h1 s+ N8 @4 \; L* d
    1986年,十的负十四次方。4 A5 B5 u. A9 n$ o
    3 t% B& R! R9 q
    2003年,十的负十五次方。' ]3 j" D) y0 P- |, s- X( e

    & g: P, p/ v8 u2017年,十的负十六次方。
    $ X( [6 X% N+ t& d: u) v, V* x& ], l$ l6 p( U# E+ H
    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。2 B; s& J; P9 B6 d- u) e0 |  `

    & Y' S$ a8 p. b。。。: S% x  z. K/ O# x4 A! M

    " N# P( }/ E$ @& V
    - E! M+ Q% Z8 a9 b3 b0 }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。! i2 H8 l6 b8 ^( n
      T, m. a$ V3 z4 v$ u1 e  y
    . p5 o* @2 R) F- G! `

    " F$ F+ R# [1 R- t8 M. V

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  • TA的每日心情
    开心
    前天 00:02
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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。+ a4 a% C  z8 A$ V
    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
    2 小时前
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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
    4 天前
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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
    % K% L$ C, ~5 ~( I- X6 c; }4 e9 F4 u- e8 L" y( k
    群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    4 V# D0 x. W' _1 _8 Z看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    3 n+ _+ C; z3 n- |9 F6 h5 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
    8 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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    前天 00:02
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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 18:452 E+ c& K0 d: z" v/ N! N  ~: ~9 U
    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 k4 {. w1 |' l& f! f7 W9 @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。5 @7 r! D5 o3 T9 C, L$ Q
    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
    ' f$ x. a, h, o: [: [- b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。
    . j1 e0 n$ U# h( W( w他 ...

    & t9 ^2 Y& M5 i, t! _3 P. k) X短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    8 e& M: [8 X* Y9 u; k# Z! G5071A好像这两年不好买了
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    11#
    发表于 2020-7-25 22:56:14 | 只看该作者
    radioradio 发表于 2020-7-25 13:35
    ' V% W# X* x2 k. j* R短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好, [# y# W, H, @  r: A
    5071A好像这两年不好买了

    6 s* S1 n9 ~+ e; G  j这个短稳长稳有出处嘛?" S& H* |" e2 M9 n% ~
    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~~5 d9 _6 ^5 A$ g+ ^, T3 ^' C
    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 22:568 ]' K  I% B0 m
    这个短稳长稳有出处嘛?7 j. S$ e- Y. F" C0 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 ...

      D* [2 G) Z0 X! b9 I
    + ]1 E" K! c) |" \) \
    . z8 @9 ]6 N* i2 t没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    2 t7 Z1 X# p+ ]* `! \# y9 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
    慵懒
    8 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 22:563 j, H* j: s8 U4 s' q
    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 H0 _* q# U, b' q& w# P. S6 q9 B
    他 ...

    8 H* C% i! L: Z4 v8 |. d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
    前天 00:02
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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
    " k. C5 U3 a4 x+ N' v; I5 x没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    * P; q0 Z7 E! j! k+ K9 j这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    7 [5 S# G+ q6 ^* u) N6 ?
    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。1 E; d- z/ U2 [( y6 o" x: N
    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。
    6 D/ o# @7 a  @, Y+ C

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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
    8 d9 g# B/ c; D3 ]! k2 I2 [; y% x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。
    2 V: D4 x! R% a4 \冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    7 S9 _/ H: i, `6 N可能高端的铯钟做的更好一些吧
    . }5 A/ N) J4 }9 x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
    + B" M7 Q& |) u5 O' a; u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
    " H1 H0 m/ p$ i# j) e* C: ^安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    + P* N7 T% d8 x$ Q+ s/ Z
    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 J* ?* f6 z2 m4 C
    可能高端的铯钟做的更好一些吧; Q* l7 u8 H; V; `+ e
    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
    % t, I4 B8 J0 r2 r: f+ c时间基准据说 ...
    ( R+ y' G+ A: p, 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
    8 ~4 u# m  }; t. y2 L# ~0 H请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    ' w$ @/ P! L" T( J. M+ n" }
    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
      D+ g* o  A5 E$ V( H$ D& \) a" I; k9 ~. z5 D$ k# z
    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# i2 a/ \6 `( u" U& m* T  {8 j6 t9 `
    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 ...

    ' Y3 t& c% T: X. g- o" X# H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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