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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 & ?* }- C6 S, w" d# U2 z) k

    ( R7 b3 c8 d9 e! q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。
    7 u8 T/ Q) C3 [% o
    5 y% a8 \( j+ b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。4 `4 V/ ?6 \. U5 @# Z6 X
    2 v& P" I5 h2 Z
    个头、模样大致如此,二十六公斤。
    5 ~; F* I1 f' }+ W" ]( ~( ?5 i5 f& E1 e/ w$ p% e
    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。) P, B: F! I( i4 S8 n

    ) l$ [5 e9 k/ A" C7 k1 ~9 G: _: h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。; O" i5 D. t% b/ a# q- K2 V. {8 }, F
    , j; H# P% a; J# H
    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?
    ) m7 W) O. L6 d+ F* g/ `! X- R# Z$ t
    . @9 D/ o# m" [1 Z2 c3 Z3 t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。" X. j( F: [% d; ]
    9 d: O' G! A- ^8 C  a
    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!
    ( C" R, k& L  w% u
    - X2 R: E% Z# {# F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。! @$ I* q/ l1 C, T

    . n! T4 J# V% Q/ {! G4 A( M; C  B8 o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。
    8 U( x, V5 c- o4 d' _& D9 x
    ; g% A# j. T' H: |+ e说些个大家可能百度不到的。
      X6 |' Y7 q4 k+ W: n( v3 R/ `# j& M5 A; U2 r/ M' s
    ===前方高能===
    / B$ y' f+ c7 y8 a' I
    # c! V: \" A: P) D  g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。) L, F! X) R/ ~. }4 e" }4 H/ P

    7 D, k! u& t) T" S! \1 z% P) O: }5 W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。
    % K0 Q  u& Z6 q: T& _0 h9 V- T+ q: y5 m1 U: X* l8 q

    : O6 T3 v5 q8 [2 B9 h0 d惠普当年的铯钟,吊打全世界。6 q. R% T4 o0 B$ F2 _. W; o

    ! E" _1 l: H( Z# N' I" v' X1964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!
    ' q2 I* t$ X0 @* n" B
      x0 g! O8 k9 i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。/ J3 a) ^/ Y. B: D0 ^' P2 p

    ( h! H- o# z$ ~! u+ h, y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。
    , f9 I6 J" {! K$ |  D3 y- ]/ ], [5 Q  P1 {" [# i9 u9 E
    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。
    0 v7 E: z9 l1 o' t+ W/ M4 l0 |- g; \
    1986年,十的负十四次方。1 M! B" s, O# Y, C3 _

    8 v7 _6 ^6 K  |2003年,十的负十五次方。: Z) }: u6 V9 v5 G) Z3 v1 h

    7 r4 V6 F; j( {* t* z( ]2017年,十的负十六次方。
    / Z5 q0 N7 l( x: I* K: O$ {
    : p' e& R# {( @: G  y$ m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。
    " c: _2 h8 x' J, j$ K& F; V3 I" [; I5 O9 `
    。。。
    0 g, C1 c- x+ q
    - K5 {! l0 R! V
      H3 o. V8 d9 _* c1 f% c( c6 ~  f. c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。
      k5 U2 W2 b6 b: l9 Q, M% u& O) y
    ; w! m4 \7 w* Z  i( c" I) ^* m- _1 u5 t( q6 x

    + S" m- E( o3 q5 `

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  • TA的每日心情
    开心
    5 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。
      R2 h$ n& ?" u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
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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
    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
    ; k) H% W; ]* ?: @' Y
    ; s' E9 \* m- d5 o; B' J, A群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);5 K( W" a- U# v& Q( z
    看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。! [( P" v9 ^6 e. H; x$ \, J9 |7 x, Q6 r
    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
    6 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
    5 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% M) y) x6 [& W
    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, X$ m8 \! G7 O# [/ w' o. x; 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。7 W' }, n( y6 ]" N6 P. X5 \
    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
    , R$ h: t0 K8 U/ F, p  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。
    9 A5 H1 m$ ^7 s" G3 x# t% P* C% U他 ...

    3 ?& B6 t# `* E) b( w短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好, z5 a7 u( e2 C  k& `
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
    开心
    5 小时前
  • 签到天数: 3354 天

    [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
    ; ?& s: ^0 W) p短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    ; |0 q4 z: T' s' O) M5071A好像这两年不好买了
    2 X/ i' f! g2 @& i3 T6 _
    这个短稳长稳有出处嘛?+ G" m6 Q; s1 J' G. Q" K
    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~~
    & q: ?2 V. i6 w( e3 @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 22:564 y/ M9 O; F- p8 j7 D
    这个短稳长稳有出处嘛?* }& E7 w* S: ~
    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 ...

    9 s* P$ ]  a4 n# E0 k! d+ f) K; J( v" t/ K. T
    $ w( x2 X6 j* x
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    & Z9 K1 Q* y7 R0 Z" D# M9 i7 S! S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
    6 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
    ' _4 |! C, q" M4 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。' a' \$ {0 h" v& a6 K
    他 ...
    , R* \! j% }( b3 |' A. m
    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
    5 小时前
  • 签到天数: 3354 天

    [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
    ) f0 N4 X, E+ U% ~9 \& K$ @. r没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    # U- A- a8 }, ^" d这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    ) m3 m- T- @. v  U+ g5 M+ \
    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 e% `4 B( g; C9 o; L8 d/ j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 S2 Y" P( Q' V; J) T

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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
    $ g# L2 p$ X. z, W3 O! W+ }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 h* _9 W+ r9 R! {冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    9 q& g5 Z  F  N6 L4 E
    可能高端的铯钟做的更好一些吧: y2 \1 N) O/ v. a( 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6 ?# X' C2 t5 a0 \8 ^# }
    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
    ! r4 u% z( q* n安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    . u' {7 Y6 ]9 k; ?* c( }) 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 11:330 h3 [5 R7 |3 z) g/ x) W# Q/ C
    可能高端的铯钟做的更好一些吧1 m2 T$ }1 o$ T
    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
    # Z( [. P% v4 P1 ^5 h5 K9 }时间基准据说 ...
    $ E. m; z  M% P6 O
    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
    3 L9 u6 R' i0 E+ M1 b请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    / h3 Y$ C3 j& R1 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
    $ M7 b! S; X5 V: p  F. z2 w: f8 L0 Z7 k; L0 a: _3 G* 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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  • 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( J3 P" c2 Y! 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 ...
    * U& p" H- G. h& ]9 N4 p
    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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