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时间单位“秒”长是指大地水准面上无干扰的铯133原子两个超精细能级之间的跃迁所辐射电磁波振荡9192631770次所持续的时间。铯原子喷泉钟是复现“秒”定义的装置，作为基准频率装置用于标校其它原子钟的频率，在守时系统中校准着国际原子时TAI的准确度。中国科学院国家授时中心是参与TAI计算的重要单位，守时水平居国际先进。国家标准时间UTC(NTSC)的校准依赖于滞后近一个月的全世界守时实验室之间的比对计算结果。利用铯原子喷泉钟可以独立自主的驾驭商品原子钟，提高UTC(NTSC)的自主性。世界上主要的守时时间实验室的钟组配置中均有铯原子喷泉钟，国家授时中心研制的铯原子喷泉钟尚未参与到现有的守时系统和国际原子时TAI的校准。如果铯原子喷泉钟参与校准和守时，同时与现有的守时系统构成一个完整的标准时间产生体系，可进一步提高现有时间尺度的独立性和准确度。 针对影响铯原子喷泉钟频率稳定度和频率不确定度性能的物理问题开展研究，对影响频率稳定度的噪声源的物理机制进行了分析，发展了光生微波源应用方法，实现了光生微波源在铯原子喷泉钟的应用，提高了NTSC-F1的短期频率稳定度;同时，开展了铯原子喷泉钟NTSC-F1微波泄漏频移的评定，利用射频干涉开关消除相位瞬态效应，测量了泄漏场微波引起的频移及频率不确定度;研制了铯原子喷泉钟的控制系统，在高精度同步信号控制下，保障了铯原子喷泉钟的运行，分析解决了时序同步、触发采集、实时计算频率稳定度和频移的自动评定等多项关键性问题。实现了铯原子喷泉钟的频率锁定和频移的自动评定。开发了各项频移测量的软件，实现了喷泉钟的运行，获得了被测氢钟与秒定义频率的偏差及其不确定度。具体的研究内容如下: 1.研制可靠、功能齐全的控制系统，分为时序控制系统、数据采集系统、微波频率综合器控制系统和伺服控制系统。按照铯原子喷泉钟运行周期，实现铯原子粘团的装载冷却、上抛、偏振梯度冷却、选态、微波激励、检测等步骤，完成一次Ramsey跃迁。两次上抛后获得鉴频用的误差信号，反馈微波频率，完成一次测量周期。 1)研制高精度同步的喷泉钟运行时序控制系统。为保证铯原子喷泉钟在特定的阶段进行各项操作，需要准确可靠的时序控制。分析控制系统参数和铯原子喷泉钟频率稳定度的关系选择硬件平台，利用基于PCI总线的3块板卡同步输出18路时序信号，实现对物理系统和光学系统的控制。分析研究激光频率、功率等参数对钟性能的影响，针对各参量的时间延迟等各种因素提出解决方法并优化了系统的时序参数。研究多板卡之间的同步方法，设计同步方案，同步精度达到10μs。在时序控制系统联调下获得了不同上抛高度上的高信噪比的飞行时间(TOF)信号。 2)研制喷泉钟频率伺服控制系统。数据采集系统配置为硬件可重触发方式保证采集数据与整个时序严格对应，在功能上计算相关的参数如原子数、跃迁几率等。发展了喷泉钟频率稳定度分析方法，确认了各种噪声源对铯原子喷泉钟频率稳定度的关系，为研究提高频率稳定度提供参考。结合微波频率综合器控制系统实现了铯原子喷泉钟的标志性信号Ramsey条纹。实现将微波频率综合器的频率锁定在Ramsey中心条纹的中心频率上。实时计算显示频率稳定度及对应的置信度。 2.研究频率稳定度提高的技术。分析并确定了影响铯原子喷泉钟频率稳定度的主要因素，从缩短喷泉运行周期、提高原子数目两方面进行改进。通过增大激光功率有效提高了原子的装载速率，缩短原子装载时间。分析测试偏振梯度冷却的参数和原子团温度的关系选择最佳参数，原子团温度降到2.8μK。研究铯原子喷泉钟频率稳定度提高的主要受限因素为本地晶振的相位噪声，实现将低相噪的光生微波源应用到铯原子喷泉钟NTSC-F1上，秒稳由2.2×10-13改善到5.6×10-14。 3.铯原子喷泉钟各项频移的评定方法的实现研究。为了得到铯原子喷泉钟输出信号的频率值和“秒”定义之间的偏差，铯原子喷泉钟需扣除自身的各项频移。各项频移的评定需要结合控制系统，改变不同的参量，交替运行在不同的模式下。研制频移评定系统，解决评定过程中不同时序之间无缝切换的难题，实现了各项频移值及相应的不确定度的计算。重点讨论了二阶塞曼频移和冷原子碰撞频移测量方法的实现。二阶塞曼频移测量中提出自动追踪原子跃迁谱线|3，1＞→|4，1＞中心条纹的算法，结果表明这种算法可以有效的找到中心条纹位置，提高二阶塞曼频移的测量速度。研究绝热跃迁原子数精密测控技术并应用于冷原子碰撞频移测量中。结合上述研究，设计频移自动评定软件，研究二阶塞曼频移、冷原子碰撞频移、引力红移和黑体辐射频的运行周期和运行方式，实现实时计算并扣除这四项频移。频移自动评定技术的研究为铯原子喷泉钟参与守时奠定了基础。 4.研究降低和精确评估微波泄漏频移技术。微波泄漏频移是最难测量的频移之一。原子出激励腔时采用微波开关关闭微波场是减小甚至消除此项频移的有效方法。而商用的微波开关会引起相位突变和不连续性的问题，研制射频干涉开关，关断比为57dB。为了测试干涉开关引入的相位波动，而相位波动隐藏在噪声中很难测量。搭建可重触发相位波动测量系统，测量分辨率可达到10微弧度。理论研究了激励腔之间和激励腔之后的微波泄漏频移。将射频干涉开关应用于铯原子喷泉钟测量泄漏频移，结果和理论相符。