时间单位“秒”被定义为“海平面上、无干扰的¹³³Cs原子基态超精细能级跃迁9192631770个周期持续的时间”。铯原子喷泉钟是复现上述“秒”定义频率的基准装置,用于对其它原子钟的频率值进行标校。中国科学院国家授时中心承担着产生和保持、发播国家标准时间UTC（NTSC）的任务。研制铯原子喷泉钟可以实时标校本地原子时TA（NTSC）,从而摆脱对国际计量局滞后一个月公布数据的依赖,提高国家标准时间UTC（NTSC）的性能。铯原子喷泉钟的工作介质是冷铯原子,原子互相碰撞使得两个铯原子核外价电子的自旋状态发生交换,造成铯原子超精细能级结构的能级发生移动,从而导致铯原子超精细磁子能级跃迁频率的变化,产生了冷原子碰撞频移。这是限制铯原子喷泉钟频率不确定度提高的主要系统误差之一。本文围绕冷原子碰撞频移开展研究,在理论方面对冷原子碰撞频移的物理机制进行了分析,提出了一种新的减小冷原子碰撞频移的方法;在实验方面采用差分方法测量了冷原子碰撞频移,评估的冷原子碰撞频移B类不确定度为6.5×10^-16。具体研究内容如下:（一）冷原子碰撞频移测量的理论研究。依据量子散射理论分析了冷原子碰撞中的参数与碰撞频移的关系。研究了测量冷原子碰撞频移通常所采用的差分方法,说明了差分法的不完善之处。基于此,本文研究了采用量子绝热跃迁技术实现精确原子密度比的冷原子样品的制备方法。本文还提出了采用射频Feshbach共振技术减小冷原子碰撞频移的方法。（二）为精确测量冷原子碰撞频移而进行的改善和提升铯原子喷泉钟频率稳定度性能研究。铯原子喷泉钟冷原子碰撞频移的精密测量需要在较高的频率稳定度的条件下进行。为了更好地开展冷原子碰撞频移测量的实验,本文进行了两项优化NTSC-F1频率稳定度性能的工作:1)激光功率稳定技术。对探测光实施功率稳定,以减小探测光功率波动所带入的探测噪声。本文在构建探测光功率稳定系统中创新地提出了采用未镀膜石英薄玻璃片作为获取监视光路的新方法,该方法避免了由于光纤传输而造成激光偏振方向的随机波动而转变成为的激光功率波动,使得两束探测光的功率能同时稳定。采用该方法实现的探测光功率稳定系统能使两束探测激光的功率相对波动同时从10^-2量级降到10^-5量级。在NTSC-F1的联调实验所获得的TOF信号表明:所构建的探测光功率稳定系统有效地实现了探测光噪声的减小,提高了NTSC-F1的所采集到的冷原子荧光信号的信噪比。2)冷却激光的光束质量优化。这需要对用于俘获冷原子的光纤扩束准直镜筒进行调校。在调校过程中,根据偏心高斯光束理论创新性地提出了一种对镜筒出射光束的光斑强度分布均匀性进行检测和调校的新方法,即采用CCD图像检测的方法实现镜筒出射光束的高斯光斑强度最大值的位置（高斯中心位置）与镜筒出射光斑的中心位置的同心性的检测。其有效性实验结果表明:该新方法对于由于入射倾斜而造成的光斑强度不均匀性的检测是有效的。本文独立构建了所提出的CCD光斑图像检测系统,完成了光纤扩束准直镜筒的调校工作。分析调校前后俘获的冷原子团的图像,镜筒的调校明显地改善了俘获的冷原子团的形状和密度分布,使俘获到的冷原子团的密度分布近似成为球形的高斯分布。镜筒的调校对NTSC-F1的运行参数的改善也是显著的,使冷原子的温度从10μK降到3μK,俘获到的和探测到的冷原子数较调校前提高了1个数量级。（三）冷原子碰撞频移的差分测量技术研究。在NTSC-F1铯原子喷泉钟进行了各项技术优化的基础上开展了冷原子碰撞频移测量的实验。首先通过分析测量冷原子碰撞频移的差分法的理论确立了冷原子碰撞频移测量的步骤和流程,然后针对冷原子碰撞频移测量的闭环锁定阶段可能采集到粗大误差的数据研究了闭环锁定过程,发现了在跃迁概率差数据中甄别粗大误差的条件,并据此创新地提出用于甄别和剔除粗大误差的闭环锁定算法。在此基础上对碰撞频移测量后的频移及其不确定的计算进行研究。最后,按照确立的测量步骤和流程,闭环锁定测量5天,初步评估了NTSC-F1的冷原子碰撞频移,获得的B类不确定度为6.5×10^-16。