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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 9 W( g: ~4 Z% T5 V+ \
    9 |" b$ l2 z7 J6 l& R- 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。! W0 g1 _, V: x; w/ A
    : B9 I& h4 t. g) 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。
    6 o2 n* F1 r7 W7 X' s: f% K( a
    + n" I: Z, U; ]$ p" |1 t* h个头、模样大致如此,二十六公斤。, w6 j) p9 w6 o

    8 @2 L( ]% B: x% R+ ~  m$ h: Q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。
    8 A( k/ z1 I7 v1 \! @
    * H: \* J% U. d' U. C. w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。  U( n% Z; z6 Z4 ?  o7 J
    # y$ J2 C, U* }. A1 u8 h# m( Z9 S" I" p
    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?3 I. K- o' l9 s: E! {  \; x6 C1 I
    7 K; L% z, Z% S+ Y) a
    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。0 K" |0 e* Z: @! m, m; k7 z- j
    " l9 D* ^, Q3 L
    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!! o) P+ u/ [* W" O- @7 K2 l

    2 r2 F& j# C# Q- |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。
    8 Q9 F; z( b- L) L; f: U6 S% A: ~! |8 U4 ]
    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。
    ( F4 M8 G/ J6 ?; w" q  a2 ]+ b
    ; ]4 t$ ?- H$ ]+ R说些个大家可能百度不到的。
    4 E' O9 Z2 U$ ?  }6 i1 P
    2 p2 |% V; K( ?===前方高能===
    ) T7 N1 }: l: f: z9 ]3 Q9 h9 z1 ~$ p( r; i; E
    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- Z% p1 ~2 i* ?) ]! v" r

    . O- P8 h, m- K' }+ l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。
    4 _9 H+ h3 ^- Y3 D( h. C7 ~: D- ^
    ) G/ p- w4 u' Z+ c* [8 A4 \) W& N6 e# v6 D! v, S
    惠普当年的铯钟,吊打全世界。+ q! {& P- j0 J% e+ y! \
    # g; Y* N" c7 m" u8 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!3 m7 ^4 ~& Q8 n. s4 U1 {+ ~6 Q
    / x1 m% e' [& S3 r, Q
    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。
    9 d: c- g2 G% W, g& U
    1 d* e* I/ p: N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。0 H, w. W1 }: y- y( ^

    6 n2 d$ W( t8 b9 F# i) v7 q1981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。
    ) P. l% y4 k8 G* h
    , f, c' B" D$ [( t5 W1986年,十的负十四次方。, A. P1 H( X1 {3 m( D! I

    4 t3 t6 d2 O9 ~" X5 ~2003年,十的负十五次方。+ s5 X0 W) Y. E% I' C

    8 o- u5 d: O6 W: k* n, Z: q* V" x- I2017年,十的负十六次方。0 r* \7 P- g! a8 S6 }  Y

    0 Q2 V% L8 k  M6 _7 L6 u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* ?9 t6 {" F
    4 U% I+ V  k0 M8 H2 x; N- o, o
    。。。" i3 {1 L$ h6 t* b
    1 Y8 z5 G, q$ n0 c

    ! e7 [. Q4 c6 G- `+ z2 k$ J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。
    ( y; T- y( t% L- O, s" m, K9 C- @' c2 ?9 h' v; J5 E

    : u4 ]! y3 c$ @1 u- ^8 }8 j
    ' u+ Y9 Z, {2 g  [7 @

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  • TA的每日心情
    开心
    前天 00:02
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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。
    5 w% M0 {$ v% v9 b3 f# ^3 N! r* n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
    1 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
  • 签到天数: 687 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
    : @; l) G& u! F
    4 `* Z9 _) b7 P% ]9 \群山兄的文字,总是让人觉得朴实和亲切(大爱车旅系列);
    4 n" v: Q- U7 z: l) u9 |看到最后很感动“香菇”,为自己是中国人感到自豪。, V% z4 R& t4 Q) h
    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: 3839 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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    开心
    前天 00:02
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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% }$ ?/ H' Q" a+ e, {, e! 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
    8 T7 |+ L8 E# R
    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。
    ; K5 m7 r* i9 a0 I0 ^3 j他家的铯钟在基站上很常见。

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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
    % S% ]7 j7 z* h1 k6 U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。  B2 [4 z: }6 \; c/ _1 n6 `
    他 ...
    / Z1 v6 Q3 @7 j
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好: s( T! y- L$ a& h; t1 ~4 u1 T
    5071A好像这两年不好买了
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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# q' S' ^- G; a9 p, {& d6 M
    短稳是氢钟最好,长稳是铯钟最好0 ~; J; V; R) ]* F& O+ l
    5071A好像这两年不好买了
    ( w4 I: {* V: X4 X. o6 ?
    这个短稳长稳有出处嘛?+ j; z7 Q3 f1 U
    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~~
    7 `) s* t% g! I% z2 b3 t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
    $ r4 g& V6 S1 [$ J, r" i这个短稳长稳有出处嘛?
    1 D8 j$ s/ H6 X$ w5 s, G4 {! o* p, e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 ...
    ! `1 [2 K- K9 C7 ~! A. \/ L

    ! V7 R' i8 d5 t! x. p( b/ |/ I0 u+ g0 g/ u, B: A7 j
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    % X2 D+ {1 L  o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
    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
    7 H4 V, p3 a0 Q& u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。
    $ K$ z$ i% R9 ?  G4 {他 ...
    7 U& A* h, N! P" z# D
    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
    前天 00:02
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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  q9 h+ f; a; m2 T. x9 I
    没找到合适的文献,偷懒找到一个 stackexchange 上的图
    ! s6 @4 s8 Q# g& d- H这个图把意思表达出来了,在天的量级上,氢钟的 ...
    # @9 F  Z! u7 o0 ]9 k3 v
    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 g- e  H. Y1 e+ k  _& N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。: X8 q. f. ]( m$ U, Q. V2 P" m

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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 03:357 a% G/ \' F( f' {: 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。/ r# S8 |9 \/ M% v, \6 ^" H
    冷原子喷泉钟唯一的缺陷就是太大 ...
    & t5 B4 @" l1 ~- F, ^7 l( r0 d
    可能高端的铯钟做的更好一些吧. A% _1 A1 a7 v
    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 n* H3 Z4 o/ o6 d, d0 T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
    % B+ Q! R' j" U% W% Z安捷伦是惠普分出来的,原来的惠普电子测试和测量部
    7 @; i2 j- y# h( K/ 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
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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 11:33
    0 V4 U, {9 @4 R# T可能高端的铯钟做的更好一些吧
    " l  y, d1 n- P0 h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 O% c0 b0 |% t时间基准据说 ...

    9 w: U5 a' j( A9 N  j2 P1 D" k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 00:568 s5 Q0 C" [# ^' W7 T# h1 l
    请教一个问题,原子钟之间如何保持时间同步?

    5 W1 k( A! O! r% _# v. Q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# o( ]' a6 ^3 J5 @5 z! R
    / g5 V2 O9 u3 _* g& @
    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
    1 S1 r) j8 p" Z8 _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 ...
    ( a* G5 K8 s1 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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