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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
    ' y+ r" r$ W5 X0 \$ N5 F
    % w" [( K5 D, D- g' K! `" V/ F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* v  I
    1 B( P% j( z6 z4 d4 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。  ^) C4 N: l3 @0 s. y: J( y

    / H) a3 W: S* N* e7 S个头、模样大致如此,二十六公斤。
    ( B. V8 J2 Y% a! }" V1 r8 B3 r7 N1 q9 k) \5 i9 J: }) q2 S
    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。" z8 g3 ]* t* L& \5 l) \1 n4 c
    : H( w5 n/ A. j& K
    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。
    + q9 s/ p2 i: k, a" ^' {, v6 ]
    2 ]9 b! q/ |+ @# V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?2 p3 |5 {# F# ]3 @4 C* U

      c/ `( s7 I4 X  x$ w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。. u8 o9 n' ?4 D/ R) c
    - ~2 }! j: u0 c# |9 j/ I
    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!
    0 H* s, A4 _' L( T5 ~# V% \: C* B8 |) f  x
    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。0 ^2 _, W/ X( ^( o1 ~: _4 y

    3 J  `/ {+ ]% I6 T& j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。3 i' Z& n' C  b0 L1 X& W
    3 f/ K. y, Q3 \' B2 d* c/ ?* e
    说些个大家可能百度不到的。: r+ b; Q8 w! |  J" U
    * x! ]7 S. B7 d% r/ m$ @3 e
    ===前方高能===
    ' C; c2 V" A% ], B! W' S  [+ F$ e* g0 ]% `9 E1 L% w
    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。
    0 Y& [( m5 l: q! Z" `. ~+ I1 d4 m
    5 K7 e9 S! z# J$ |) S, w2 w" h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。
    . x, L7 ~) p9 f' C
    % Z, q& r% j, [3 c
    " n0 y* `; d7 ^惠普当年的铯钟,吊打全世界。8 L' ~' X6 i; \1 P; j

    8 Q9 |7 H) s. |* q. p# }- d1964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 @3 W; s/ @' B6 t; @  X) p, J
    6 ]3 N+ m. I+ F2 l9 x- u; c5 Q5 K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。
    ( y$ E/ ]' N$ C! ^( M. D7 p" d- G+ h2 ?. O! ?
    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。, `* t" v, y* l  B# Z; I' F

    " A' M5 B& ~4 F1 ]6 X: G' h1981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- j7 l, c* A& c& [; w4 b9 v6 u3 {* o4 a, g
    1986年,十的负十四次方。' h, g* o. |3 z3 V5 u! ]4 u! c* z
    1 a6 C6 Q7 J+ E$ e0 c) u# {3 V8 v
    2003年,十的负十五次方。  S% [5 ~0 b3 h' w; N5 H1 Q" z$ T2 b

    ) x) ?% F0 P# b2 v* Z; B" F! l; o2017年,十的负十六次方。  M5 @, ?, ~8 G$ D4 U5 A- _" X* s8 _
    / a! G: G  f1 f) R1 Q
    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。
    % ~% {* u6 {/ Y' F6 Q! d, y2 ?; O9 i
    7 j5 U( A; p! G" H& `9 Z。。。' ]+ `. r5 N6 K7 z" |/ b

    5 _* m  L9 n1 ~9 y  T  n
    & v" l- @1 ?& n% s8 \. I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。- k7 N  u4 m' g+ @# p2 L, o9 a8 i
    * q: h8 b* W  K& a

    . ]% W% b4 S* f# V: n9 N0 ]5 S. n" g2 p* y

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  • TA的每日心情
    难过
    1 小时前
  • 签到天数: 3412 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。
    6 x) F7 _+ t1 M1 \' g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

    昨天 06:43
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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
    2026-6-18 11:07
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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 % i1 i5 q/ A& H4 C6 x9 K% h

    " Z7 _3 q5 |" `' {群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);2 E+ w" h8 t( a, N, x
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。
    - i6 b2 v& @2 r, Y+ t7 a! _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
    7 小时前
  • 签到天数: 3882 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
    难过
    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# F* t- x/ A2 n' `# ]
    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
    # W  x- `! M# C* k- o# J8 l$ 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。# r- }4 A. E1 S5 M8 Y* S" n) D, ]9 T
    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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  • TA的每日心情
    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% l4 N! m& U9 D2 i+ I# [
    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。
    : B8 p) v3 c( D" R/ V他 ...

    . X- N, M& `) r短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    ! N/ i3 ]! s* k5 o) y5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
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    1 小时前
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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
    5 b* I$ W. ]. c6 @, n短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好( S, h& S4 k6 M* M& L) `, n
    5071A好像这两年不好买了
    5 Q- J0 u( \$ o; I
    这个短稳长稳有出处嘛?$ C0 `5 x$ X' Q2 q4 ~" h
    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~~
    % c! Z% j* u0 m8 [0 n- R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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    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, S3 r5 U7 ]% Z( C
    这个短稳长稳有出处嘛?* T9 y; j  Y" P7 d0 x% D$ 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 ...
    " v, ~7 t) k0 T
    " c1 a) o/ j; Y9 D

    + O; A5 m( D" p' `$ S; f+ k没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
      O; M& c5 }, g, K5 J4 Y  p4 X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
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      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
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    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$ e: z8 S8 z( ]" P/ y" b7 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。
    $ O7 j' b. r& ^+ v他 ...
    * M( m- L' m$ j) u5 M5 u
    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
    难过
    1 小时前
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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
    ; d) h; |0 A0 s0 C3 M没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图: Z- y3 x6 |' V7 Y2 m( z/ X  ]. L
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    , [) q9 z  i* n2 @& e% 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。
    : I  l: @% Y8 {/ h" T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。
    2 x& h) H2 ]' c4 s2 v2 X

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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. B- t; H1 f  ^4 d0 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。
    3 [% P& w% I# s. U9 z; a4 `9 N冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    + `1 |) @$ ~4 C1 w) H3 C* N可能高端的铯钟做的更好一些吧/ X& [5 P$ E4 w  g9 L
    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 u4 Z8 ]- O- l. ?8 b( R
    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
    ! Z' _, i  w$ M" D" ~安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    + z9 a+ [% Z- L9 Y8 |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
    5 小时前
  • 签到天数: 20 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+ n. {4 _& c( t3 {7 Y
    可能高端的铯钟做的更好一些吧  x7 `) s) J3 s/ z- w& 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9 h. i7 p& `  U, x: T# k
    时间基准据说 ...
    . [( a- H1 i. f7 h; 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% w2 v# @3 b' c' W. R' X
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    , U! W3 j+ W  \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
    ) w# Y1 v" G, A  ^4 K0 o( O3 q$ r0 R* I( v
    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
    5 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) `0 S7 E9 ^* [3 m; P" 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 ...
    0 G; H! L* |; m" ?/ f
    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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