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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
    , E7 L  p  o9 _3 X
    * Q) P  K" B4 `6 b' R# T/ o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。
    + V' q& g, X, t% x& T& q5 s. Q0 s
    9 I, v6 l# X  I4 O9 Z2 r' j( 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。
    3 V3 T* ?3 f5 \; {$ s9 O% d) x. W5 X5 F: ?+ K. E' F6 H& r" O8 ^2 y3 U
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    / g! r1 J6 Q5 ~  L& m7 K; Q; l4 O0 t9 L& N
    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。% [2 E2 U& I& p1 D; Z( p! R
    2 d- [; H) G3 e1 {
    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。
    6 \; q3 Y5 e( v8 v% ?6 G, g( X2 x- V+ 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?+ B2 m. O  N8 j. I" K; u
    ; T, v# u1 V% i$ t( I
    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。
    & r3 Y9 y& L; }- w, L' w
    6 v7 s7 b: L2 @! o. @8 \* ~/ ~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!
    1 G  }8 F, n* ?/ x, A' g3 p5 x
    " V6 ]9 _! l9 p; i. W4 ?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。
    3 y: `, J; }% j9 e4 c5 o# h
      C1 z! o; z! q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。* ]0 C, r% n8 t/ m

    - R& G/ _' q( x7 K& x  N说些个大家可能百度不到的。! Z0 c( K$ u. w7 V2 Q( z
    ( [* A/ z3 N# a; s
    ===前方高能===0 ?2 Q- F" i: e+ ^1 z, |
    % Q. K8 E  ~) f7 P% Z/ c$ m
    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。
    ! B( d% K1 [  H  _9 k. _
    1 D& x' D- r4 z. @' u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。5 b; g0 Z2 s8 p/ J: n+ ]2 A) Q
    / Q1 X9 _$ z/ E. e8 g( r5 W; T% _

    ) d. G* u8 _0 V9 t4 O8 _. ~惠普当年的铯钟,吊打全世界。1 Z5 x. f( Y8 E& T& E' Z

    9 R7 ?- P1 C  B7 t& O- W: z1964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!6 |4 ?7 E; O% a) }
    6 G+ T, G( i0 i7 Q. t
    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。' M* S1 _' L5 }+ {/ A7 }, v
    + l4 Q, F9 u7 n3 }- D
    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。
    4 a1 \: a" q* k: H+ v! r* r( y
    6 y9 U' O* ?! D1981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。
    , A* v. q. \& P" w; J. P" p# B/ k6 |+ r9 m5 Z
    1986年,十的负十四次方。
    & ^; }/ D# l( Z2 _8 e* P$ b# N4 G! f+ \
    2003年,十的负十五次方。
    ' {6 t$ [4 u5 n9 P" X: [; J- s7 i6 @  V$ l
    2017年,十的负十六次方。
    * z- x. B  N. P! A0 `9 j2 h! k) R) X" O
    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。
    + U: c9 H" s* c, U$ i3 F; M0 c
    , `" I( u3 K* g% I: P7 c。。。
    ; [* \, u5 D) j. N$ o: u5 z- q2 ?8 D+ O" P2 A
    5 C$ l7 t3 U: U% Y9 [
    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 L+ }$ w# F8 [/ C0 a, Y$ f4 g8 a' N+ a4 x2 I. n7 T' T2 [

    ' N& D' c6 e2 m% \
    ' P; h; f! w* a7 _3 h

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  • TA的每日心情
    开心
    半小时前
  • 签到天数: 3354 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。7 n' {5 H; I7 D' j6 {: @
    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
    昨天 06:55
  • 签到天数: 3241 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
    前天 12:11
  • 签到天数: 678 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 3 C! J! ^( P- ]. c1 Z* }

    - d% c: j  @* z( M$ h群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);# {; {5 |' Q6 j  r! }" I' l
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。* d" \: l5 R- i' M+ p
    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
  • 签到天数: 3819 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
    半小时前
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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
    ; L& O+ e* b/ }8 O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

    $ X, y( M4 ?) J4 |! ^% K  @) {9 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。+ |& W  W# A" S
    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 22:56
    , ~3 c1 T6 e! a! S0 B+ t5 d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。
    7 }2 ~( ~0 @7 h他 ...

    3 l( P9 ]; z7 y8 i. I8 J  w5 p* M. L- P短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    * f5 b1 o1 d* k% `/ c; K5071A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
    : R2 [' {( j% g: L7 E短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
      q1 P+ V( z/ a( ~0 s; j6 ?! z' {5 L5071A好像这两年不好买了

    ' X: C5 A0 ?. S8 S这个短稳长稳有出处嘛?
      c  R5 E2 g% m% k5 \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~~
    ! }: W/ N) Y4 G( p$ K- i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
    * u+ t' f# H3 f  w9 J- A0 n这个短稳长稳有出处嘛?, I  t# I; v& q( n; l6 i' G; n) N; Q' 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 ...

    2 i4 P* G0 o2 W" B$ Y0 A, K: o
    + A( J% ?; s9 M8 t  W' t3 y6 g. m, u- }4 s( L
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    5 b7 u. h0 t* {: ~3 y0 C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
    2 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% M& C' F6 D8 F+ 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。
    & i5 E+ ~" A/ i" Q他 ...

    ( Y2 I' Q: m5 ?. K3 `, ~( L. ]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
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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
    % e" g- l8 C9 T9 O没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
      B+ N1 @0 J2 f, X: C: T这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    / F; H3 A& b5 I
    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。- a6 {% g9 T, V$ u9 L+ T# y
    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。
    ) m. q3 ?3 v; a% _3 N! h

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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
    : h7 e& _3 S& L  W% Q- U$ K- 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。
      s# x6 g  C3 w7 Q# d4 p& P冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    6 l$ D- w7 Z' I  j7 y+ n
    可能高端的铯钟做的更好一些吧
    * J5 v  r0 ?* A% v* Z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0 l: T" H% ]! C/ J8 n3 a
    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* M+ h# @0 `$ D+ Z0 C
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    , o' a' _& {+ b4 C" C6 w
    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
    ( n1 G" K. @7 U' T- t可能高端的铯钟做的更好一些吧
    * q8 O  }/ K) O% y8 \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( {' Y- z) }8 X- E6 g$ L
    时间基准据说 ...
    4 s2 h* X3 R$ Z
    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
    7 U) ~3 _' S! c. a& z# i请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?
    . H% l4 }, _0 A! f* z' J2 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
    + }; U% @- L5 b: ]: L( h3 U# f6 U/ g8 K  C/ T) a* u9 Z! g9 {
    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
    0 {+ L  t; a/ f2 a1 j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 ...

    ' z1 Q: ~4 A. G2 m5 N; K1 a, `3 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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