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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
    3 ]7 T* c: V5 _* d  c
    8 M4 C* A9 [6 \8 [0 h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! N3 [; g) }$ {& A4 O! G; T5 E" z$ N; O6 g+ ~
    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。
    6 Q1 ^% r6 O; q7 T
    3 Z' ^: t# `9 @* E! n个头、模样大致如此,二十六公斤。& e$ m/ o( ^7 F# @
    0 D3 l3 A; G# L% V. S/ m
    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。
    # T" K7 h( g1 a0 i3 D# _7 I( b2 F, C' M( c6 E3 _: i# c* 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。
    7 u0 R" n" G3 U0 O% S, R: q) X) d5 g, Y( U, c
    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?
    5 u( o% Y  q2 a7 X0 j& C6 K, h5 I) t! E1 S6 s% t  a" D' B' E5 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。
    * N1 O% Y( {6 T" x" g) Z/ V9 _+ G; y
    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!
    6 W( D! j7 H8 O8 X9 i$ o9 Y! C" ?7 t. b. l
    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。' W; v, q( g5 H6 G, y
    5 D$ t5 o( b+ J. J  ]% r0 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。  X9 s1 r8 a. b7 T/ {3 U7 J7 }
    + J( h4 S1 p/ N' q
    说些个大家可能百度不到的。. D! w( d' y- N! }1 h4 r( j% r/ l; e
    $ A( y# a: ^' `! F
    ===前方高能===
    & U! q, u& h& Q: Y- g0 d# l! |1 j' E6 F  @* o
    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。! h4 x! x9 t" F
    ( q, K! E$ ^- G5 [3 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。
    ( t) W6 J8 j8 t3 r
    ' U2 B: A) v$ l/ D9 `# J9 u% B. B& Q
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。/ |& G1 l: O* _& Q9 b
    6 B" D- O+ C& E: x% @" C9 X  a" 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!
    7 c* ~0 o5 `. ^% d4 |; n1 [% m+ f) w
    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。5 G6 S- [0 E- |9 U( _0 ~

    " @9 m2 @% i( R. z0 }# L5 T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: M0 i; q& A# U) K5 a& ^% R7 i" G/ q5 Z$ |. w5 Y. v- Z
    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。( ?) W1 ]- Y/ l0 o- L

    ( a/ n* [3 u7 Y1986年,十的负十四次方。
    ' X8 c5 i3 D9 t3 P, w& i! V) W5 I6 k% s) p, S5 Q! ?, U
    2003年,十的负十五次方。
    2 X# @6 Z6 R6 L5 ^+ f. a7 V' X" I: a* B% e" j
    2017年,十的负十六次方。
    / X, y0 C. A! @: S+ b  q
    " K# ^+ h' u0 [" }0 I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。
    . {' `. z: \( t9 M) s5 v$ v& _
    ) t1 H+ ?! b; a8 n$ j. v( C* ], g。。。
    3 D: }: U4 [: F1 ^3 r% W
    5 V, P2 w9 l# a8 u, `: }9 y) V4 `3 I8 y  X0 ]# b8 ^
    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。( v$ G0 k: [+ s! _) G+ |+ g9 ^& B
    ) P" W' F2 o: D* n& V* ?
    9 {: A1 Z5 f, s3 m0 l

    8 `" |0 H% a) S0 L6 B

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  • TA的每日心情
    开心
    昨天 05:56
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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。- e! @8 z8 C. H( ^+ J3 Q7 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
    郁闷
    半小时前
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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 4 I* l. }- H9 L- x; z( X- L' ]  Z

      |2 k* H8 v: }; ]$ F( ?+ Q$ G7 M群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);1 m) F: n- p& Q1 m
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。5 b7 |1 `; u  k2 e8 @
    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
    3 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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    [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
    1 C+ e1 }" S# R. D2 v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
    , q4 R, u: u) s& u- Y: Z" Q9 z& A
    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。. f4 s) h$ x  G
    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 22:33
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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$ A7 t- \, l# V5 e5 z3 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。
    6 A3 f: Z% t; B; @他 ...

    ; I) _$ ?/ _6 S% N3 m. O. k& {短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    . ]  J) Q# X: y1 \! F5071A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) W$ P; l6 E: v) j: Q- ^
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好: C- a! t3 E) \# f; X$ U
    5071A好像这两年不好买了
    1 ]  o- x+ @/ Z. F
    这个短稳长稳有出处嘛?7 D* {" l  z( o3 {- 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 U( u& m/ w+ z
    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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    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( t# N8 m* f! W& ]4 k+ d
    这个短稳长稳有出处嘛?
    ; E; `7 E% G7 U! T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 ...

      h  B# o: Q7 T8 u# T$ k
      v" X; u" g2 @4 O, d
      T* B+ J% {7 C2 ^没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图5 i  g5 ~* d) u5 m9 v
    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
    奋斗
    7 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) Q: O  x7 R* q* D4 W$ v
    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; ^% D' D9 E8 b/ e- u: e: P) z
    他 ...

    , j1 [. m8 X8 f% |, O+ 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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    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
    4 c9 I7 ~# A5 S' H9 X6 p没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    + E; t2 c( o9 z! O0 x2 _( F这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    ) q9 l5 T: T8 U- m6 j2 l1 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。
    7 Q7 u2 {+ t" Y) P8 p) |- f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。8 E& e8 j2 ]5 d( O3 D

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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
    * D8 x9 _# ]. V7 a& X: L1 Y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。
    , O4 C1 @, o9 U2 g4 q# M冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    0 x& R$ ^, E  |$ S! U
    可能高端的铯钟做的更好一些吧% q, N# L. n, ]3 q! F6 I' M
    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
    - s5 d9 ?  ^+ m# S! 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
    $ u! i- M& c, p  A$ j安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    ) L, p: R( z% r) 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
    7 小时前
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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 11:338 U4 G  X, X# k, W1 T
    可能高端的铯钟做的更好一些吧# t% a+ F5 `4 O$ G  I- 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
    4 \. }  ?/ w' Q+ k6 s& T时间基准据说 ...

    * n5 d% z# I+ Z. D5 X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
    , i+ P& }) C- n- p请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    7 A# r/ V! ^& A1 f. R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 _- F% H4 W+ ]6 J( ]' W
    ; x$ {# t( G$ ?+ q7 y' ]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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    7 小时前
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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
    . \5 g  n6 J1 m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 [' c9 x- z; ]/ F6 z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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