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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
    + `% o& H' t1 {+ }4 a
    % N" J4 a4 L7 W$ W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。+ h9 @3 l3 o6 K; R$ x) w
    8 C- I& e, y1 x9 ]; l" c
    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。
    1 m0 }9 e- T6 `0 N' L' v/ D. z/ H
    个头、模样大致如此,二十六公斤。/ f& \0 v( A/ _0 Q7 o1 N

    , j1 k- A5 ]% }4 V- ]+ W. t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。
    * n# b' P3 O' p# N
    5 x3 D2 ~( n7 N, {; T5 A: L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。+ b2 O/ l8 g) `. \- L6 O
    % W, Y7 G: `. `
    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?
    9 k4 ?0 @3 l, n- j- L
    & ?! l: K+ J8 I; ]* n  B4 |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。3 A4 P4 T4 ?% Q* r% L; a" L8 h  K

    ! ?+ F5 l5 a6 t/ ^' 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 U! e! ?. O8 E9 k; P( F3 \6 t
    ; B2 a& n1 q1 d7 b9 }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。) X3 m+ j8 n# K/ y" ^
    3 c0 X* V2 ^3 N( V
    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。
    ! U, Z' }* \- R
    , I  }% F/ I8 O) L$ W8 D/ ~" k说些个大家可能百度不到的。
    % I. r  q$ Q3 Z) |/ Q4 L
    ! I, f( K& m) G- Z4 c===前方高能===9 d$ {/ t9 Z/ O1 a

    2 G% o* Y9 j" q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。
    , \5 @0 p  L( X9 {
    4 o0 N& I" B# M- p& M$ c$ Q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。
    " @" L; H3 p  e  @, I: O- [$ t
    # ^; t; `: x, L: H+ v3 w$ l6 W
    8 }# y2 D9 _) b惠普当年的铯钟,吊打全世界。
    ! B# G, c4 W' U7 D0 L# f2 c% `6 y: E# e4 t4 P1 V2 Q8 ?! C6 ^
    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!3 g/ C( _  K$ P' K# E# o" |: |! P
    $ Q* w8 d; y) r) [; f/ X
    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。' R3 X+ r3 H0 A; k( }- I# t) L

    . f, ^3 z  y/ S) r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。8 n- j6 F+ F  J

    + K# \) p' Y; z. F2 I% |6 ~' ~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。' Y! b7 {4 T4 E/ d

    * q& N7 R% k6 g; R$ j$ w: V1986年,十的负十四次方。
    % K) y8 G7 w2 |6 x: q  b: e  ~- K+ s) I# r
    2003年,十的负十五次方。/ e/ q0 ], b6 o

    , \1 v2 [5 r9 Y: L! \9 }2017年,十的负十六次方。
    8 v7 L0 p% `2 ^  v: s2 Y. w# \, A1 `1 Y* l
    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。
    - \  d$ Z9 q, w  n& |3 U8 c, E# z9 b  E3 G( B) _
    。。。
    + w8 l  c! m) H6 `4 `& ^: k' K4 w0 j' w& x6 K

    ; v# t3 x/ M% F- H% _4 B: i3 M! k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。+ u" c: Q1 l$ V, r6 B& |( u
    # s- y" }( i9 V& @, h/ H0 B
    9 L& R! i/ T- V( v/ y( [3 |6 E
    / N$ {$ d- X5 ^( r% I

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  • TA的每日心情
    开心
    12 小时前
  • 签到天数: 2862 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。
    * H$ _8 \2 `/ [2 \) m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
    难过
    12 小时前
  • 签到天数: 2778 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

    2021-2-24 23:26
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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
    2024-10-10 13:34
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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 + I7 ~7 r6 d' B. z1 F* ]; x

    8 k! x  O) h% d5 O) a群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    . v  Y2 K1 M3 i- O4 ?看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。( C/ A# m- [4 X* D: \
    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
    19 小时前
  • 签到天数: 3308 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
    12 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+ ]$ r+ t, J$ y
    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
    4 c+ ^( p: `4 \' j0 C! p  O/ 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。
    6 I$ x5 ^5 K* u7 h# a0 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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    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 22:562 Q/ N# |1 y/ C* g" d) h9 ]* 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。
    1 ~: m$ g' ~' C他 ...

    # [' j3 P6 Z' ?短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好  P3 _( ^5 E! K1 K( t! T
    5071A好像这两年不好买了
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  • TA的每日心情
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    12 小时前
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    [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
    0 k( l8 y! S- L) A7 P短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好
    : R1 R3 w+ U3 `; [8 F" Z% Y5071A好像这两年不好买了
    + w+ M/ E8 e5 l4 t
    这个短稳长稳有出处嘛?- S4 w; S  t7 L2 g
    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~~
    " a1 W" L5 E+ D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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    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
    ; I# \/ W% {3 w# E  {* j, l这个短稳长稳有出处嘛?; t5 ]& X) l# J
    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 ...

    % _4 L+ Z2 I3 o; s8 G5 n3 y
    % D# K5 s" F" B# H' Q8 ^+ ]! O! @9 t4 H
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图2 {1 `- ]9 y% b. F9 O  O  V6 D
    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
    19 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* J4 M6 _; Y( ^' f6 Z/ 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。
    8 i; R4 b' c7 z8 k他 ...
    + J$ {' Z* U! I* N, V4 ^! t: h
    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
    12 小时前
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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- Z) c) v' P5 c- i+ S" T2 N
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图# [3 |* p2 Q5 t' @( _+ f4 w8 a
    这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...

    1 I8 L0 \+ R9 {4 c# j& o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 ~6 a2 K' ^. L9 a+ l" m$ g+ v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。- S! }/ ^8 |% d9 m9 t

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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
    ( U9 a8 ]1 v7 K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。5 e6 [. c: }6 [% n7 @/ u
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...

    ' x8 [( a/ I4 s- n, ?2 H可能高端的铯钟做的更好一些吧; {0 s4 L* j0 R0 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( x, ]/ b% b* c" }8 w, O' A1 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 03:012 t) w" `* ]& }: y
    安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部

    * c6 e' c& H( O( |6 Z) T' y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
    % Q2 ?9 M! {$ Z( s. T7 C可能高端的铯钟做的更好一些吧+ \9 d/ J$ N8 G: R6 D* ^$ Q
    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+ Z7 y4 f( H: g
    时间基准据说 ...

    ) d. S' c; T2 C9 k, J" e1 t5 K) G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 o9 }$ G  v& K, `请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    3 I6 ]/ d  ?; m5 j3 W+ H' Q3 B9 f2 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3 M$ x% S0 t1 t9 @7 m

    ! P1 F; j8 E! z$ W' l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
    2 E% k' z! A+ D; `  h% I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 ...

    ! Z, d* c# S3 d+ z0 K, t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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