时间单位“秒”的定义为:“秒,符号为s,是国际单位制中表示时间的单位。其定义为取铯-133原子在无干扰时基态超精细能级跃迁频率,即铯频率ΔνCs,为固定值9192631770 Hz,其单位Hz等于s-1。”铯原子喷泉钟直接用于复现“秒”定义,应用激光冷却技术将铯原子囚禁在磁光阱中心位置,通过改变激光失谐实现原子的上抛,原子团上升、下落两次通过激励腔,完成一次Ramsey跃迁,激光探测原子的跃迁概率,通过扫描馈入激励腔的微波频率,同时记录原子的跃迁概率可以获得归一化的Ramsey跃迁条纹,计算机控制、调整微波频率,使微波频率始终处于原子跃迁最大概率点,那么此时的微波频率就完全等于铯原子的基态跃迁频率,此时微波信号的输出就是标准的钟跃迁信号。铯原子喷泉钟输出信号的频率并不等于秒定义的频率,因为秒定义中的铯原子是无干扰的状态,而现实环境中的铯原子由于受到环境物理效应和自身运动状态的影响,原子的跃迁频率相对于无干扰的情况会发生变化,这就是我们所说的频移。比如磁场会产生二阶塞曼频移,原子之间的碰撞会产生冷原子碰撞频移,环境温度会产生黑体辐射频移。为了更准确的复现秒定义,实验上需要测出每一项频移,并给出频移测量的不确定度,喷泉钟总的频移是由各项频移求和得到,而钟的频率不确定度也是由各项频移不确定度归算获得,所以单项频移的不确定度越小,钟的总的频率不确定度也就越小,钟的性能也就越高。在每个喷泉周期内,磁场都发挥着重要的作用,包括原子的冷却、选态、自由演化、以及Ramsey跃迁等阶段。磁场的引入会产生与磁场相关的频移——二阶塞曼频移、马约拉纳跃迁频移、Ramsey和Rabi频率牵引频移,是限制铯原子喷泉钟性能提升的重要频移项。本文围绕二阶塞曼频移和马约拉纳跃迁频移的评定展开工作,研究内容分为三部分。首先根据喷泉钟对磁场的要求,系统地设计一套磁场系统。然后基于该磁场系统对二阶塞曼频移和马约拉纳跃迁频移分别进行深入研究与评定。具体研究内容如下:1、喷泉钟磁场系统的设计与测量。结合喷泉钟不同作用区对磁场的要求,应用经典电磁场理论,采用有限元分析法设计磁场系统。基于国际通用的磁场补偿方法,在磁光阱区设计了位置可调的补偿线圈,通过精密调节线圈位置获得了均匀的近零磁场,削弱了对上方选态C场和磁屏蔽入口磁场的影响,同时原子在该磁场作用下的偏振梯度冷却效果满足了喷泉钟要求。选态区通过设计非均匀补偿磁场获得了均匀的选态C场,提高了原子的选态效率。磁屏蔽入口区域通过绕制一组小尺寸的轴向磁场补偿线圈,实现了小电流、局部磁场的补偿,避免了大梯度近零场的出现,遏制了原子马约拉纳跃迁的发生。原子激励区和自由飞行区被四层高性能磁屏蔽筒包围,用来屏蔽地磁场和外界电磁场的干扰。双线绕制的C场螺线管紧邻磁屏蔽最内层放置,选用高精度电流源为其供电。获得了稳定、均匀的静磁场——C场,为减小二阶塞曼频移不确定度做了保障。在喷泉钟真空系统封装前使用单轴磁强计对原子飞行路径上的磁场进行了测量优化,最终测量结果表明磁场强度和梯度在磁光阱中心为17 n T和70 n T/cm,选态区为24000 n T和100 n T/cm,磁屏蔽入口为大于56 n T和10 n T/cm,C场强度在激励腔上方42cm范围内起伏小于1 n T。每个作用区磁场以较高指标满足喷泉钟的实验要求。2、刀口法测量冷原子温度技术的研究。为了衡量原子在优化后的磁场系统下偏振梯度冷却的效果,采用两种方法对冷原子团温度进行了测量。首先采用一种新型方法——刀口法测量冷原子温度,该方法是依据冷原子团尺寸随温度变化的关系建模,实现温度的测量。实验上设计、搭建了测温装置,在原子飞行路径的不同高度上各设置了一束水平激光。通过控制上方过饱和共振激光作用于冷原子团的尺寸,下方探测光探测剩余原子数目,拟合计算得到冷原子团温度为（7.5±0.49）μK。然后又采用传统的飞行时间法对冷原子温度进行了测量,两种方法的测温结果吻合较好。验证了刀口法的准确性,且磁场性能满足喷泉钟对冷原子团温度的要求。3、二阶塞曼频移的理论研究与测量评定。根据布雷特—拉比公式,描述了二阶塞曼频移的产生机理,分析讨论了C场空间均匀性、时间稳定性和计算误差对二阶塞曼频移不确定度的影响。实验上首先以原子为探针,分别采用低频跃迁和磁敏Ramsey跃迁两种方法,测量了激励腔上方原子飞行路径上的C场。C场平均值为167.85 n T,在30 cm范围内变化小于0.5 n T。根据二阶塞曼频移公式计算了二阶塞曼频移为131.03×10-15,评定了由计算误差引入的二阶塞曼频移不确定度为1.0×10-19。然后在NTSC-F2常态运行期间,将喷泉钟连续十天锁定在磁敏Ramsey跃迁中心谱线上,监测中心频率随时间的变化。得到由C场空间均匀性和时间稳定性引起的二阶塞曼频移不确定度为0.07×10-15,由C场稳定性引起的钟跃迁频率的稳定度小于2.6×10-17。完成了NTSC-F2二阶塞曼频移的评定,该项频移不确定度相对于NTSC-F1缩小了3/4,进一步验证了前期设计的C场空间均匀性和时间稳定性的提高。4、马约拉纳跃迁频移的深入研究与评定。首先讨论了原子的绝热跃迁条件,分析磁场梯度和强度对原子绝热跃迁的影响。通过构建低频场物理模型,使用量子力学的方法,计算分析了原子态经低频场作用马约拉纳跃迁后的变化情况,推导了马约拉纳跃迁频移的计算公式。然后根据NTSC-F2磁场系统的结构参数和电流参数,采用有限元分析法模拟了磁屏蔽入口区域径向和轴向磁场分布。结合磁场模拟结果,采用蒙特卡罗法模拟了冷原子团的位置和温度分布,计算研究了马约拉纳跃迁频移与磁屏蔽入口区域磁场及初态原子布居的关系。实验上首次通过双频选态方法,制备了非对称布居初态原子,实现了马约拉纳跃迁频移的直接测量。获得了马约拉纳跃迁频移与磁屏蔽入口处磁场的关系,测量结果与前期的模拟计算相吻合。最后根据仿真和测量的结果,选定了喷泉钟常态运行时磁屏蔽入口区域磁场补偿线圈电流为220μA,评定得到了马约拉纳跃迁频移不确定度为4.57×10-18。