Главной частью К. с. ч. с пучком атомов Cs является атомнолучевая трубка, в которой поддерживается высокий вакуум. В одном конце трубки расположен источник пучка атомов Cs — полость, в которой находится небольшое количество жидкого Cs (рис. 1). Полость соединена с остальной трубкой узким каналом или набором параллельных каналов. Источник поддерживается при температуре около 100 °С, когда Cs находится в жидком состоянии (температура плавления Cs 29,5 °С), по давление его паров ещё мало, и атомы Cs, вылетая из источника, пролетают через каналы достаточно редко, не сталкиваясь друг с другом. В результате этого в трубке формируется слабо расходящийся пучок атомов Cs.
В противоположном конце трубки расположен чрезвычайно чувствительный приёмник (детектор) атомов Cs, способный зарегистрировать ничтожные изменения в интенсивности пучка атомов. Детектор состоит из раскалённой вольфрамовой проволочки 5 и коллектора 6, между которыми включен источник напряжения (положительный полюс присоединён к проволочке, а отрицательный — к коллектору). Как только атом Cs касается раскалённой вольфрамовой проволочки, он отдаёт ей свой внешний электрон (энергия ионизации Cs равна 3,27 эв, а работа выхода электрона из вольфрама составляет 4,5 эв; см. Поверхностная ионизация). Ион Cs притягивается к коллектору. Если на раскалённый вольфрам попадает достаточно много атомов Cs, то в цепи между коллектором и вольфрамовой проволочкой возникает электрический ток, измеряя который, можно судить об интенсивности цезиевого пучка, попавшего на детектор.
По пути от источника к детектору пучок атомов Cs проходит между полюсными наконечниками двух сильных магнитов. Неоднородное магнитное поле H1 первого магнита расщепляет пучок атомов Cs на несколько пучков, в которых летят атомы, обладающие различными энергиями (находящиеся на разных энергетических уровнях). Второй магнит (поле H2) направляет (фокусирует) на детектор только атомы, принадлежащие к одной паре энергетических уровней E1 и E2, отклоняя в стороны остальные.
В промежутке между магнитами атомы пролетают через объёмный резонатор 3 — полость с проводящими стенками, — в котором возбуждаются (с помощью стабильного кварцевого генератора) электромагнитные колебания определённой частоты. Если под влиянием этих колебаний атом Cs с энергией E1 перейдёт в энергетическое состояние E2, то поле второго магнита отбросит его от детектора, т.к. для атома, перешедшего в состояние E2. поле второго магнита уже не будет фокусирующим и этот атом минует детектор. Т. о., ток через детектор окажется уменьшенным на величину, пропорциональную числу атомов, совершивших энергетические переходы под влиянием электромагнитного резонатора. Таким же образом будут зафиксированы переходы атомов Cs из состояния E2 в состояние E1.
Число атомов, совершающих вынужденный переход в единицу времени под действием электромагнитного поля, максимально, если частота действующего на атом электромагнитного поля точно совпадает с резонансной частотой n = (E2 - E1)/h. По мере увеличения несовпадения (расстройки) этих частот число таких атомов уменьшается. Поэтому, плавно меняя частоту поля вблизи n и откладывая по горизонтальной оси частоту n, а по вертикали изменение тока детектора, получим контур спектральной линия, соответствующий переходу E1 ® E2 и обратно E2 ® E1 (рис. 2, а).
Частота n, соответствующая вершине спектральной линии, и является опорной точкой (репером) на шкале частот, а соответствующий ей период колебаний принят равным 1/9 192 631,0 сек.
Точность определения частоты, соответствующей вершине спектральной линии, как правило, составляет несколько процентов, а в лучшем случае — доли процента от ширины линии. Она тем выше, чем уже спектральная линия. Этим объясняется стремление устранить или по крайней мере ослабить все причины, приводящие к уширению используемых спектральных линий.
В цезиевых стандартах уширение спектральной линии (рис. 2, а) обусловлено временем взаимодействия атомов с электромагнитным полем резонатора: чем меньше это время, тем шире линия (см. Неопределённостей соотношение). Время взаимодействия совпадает со временем пролёта атома через резонатор. Оно пропорционально длине резонатора и обратно пропорционально скорости атомов. Но длина резонатора не может быть сделана очень большой (увеличивается рассеяние атомного пучка). Существенно уменьшить скорость атомов, понижая температуру, также невозможно, т.к. при этом падает интенсивность пучка. Увеличение размеров резонатора затруднено и тем, что он должен располагаться в весьма однородном по величине и направлению магнитном поле Н. Последнее необходимо потому, что используемые энергетические переходы в атомах Cs обусловлены изменением ориентации магнитного момента ядра атома Cs относительно магнитного момента его электронной оболочки (см. Электронный парамагнитный резонанс). Переходы такого типа не могут наблюдаться вне магнитного поля, причём частота, соответствующая таким переходам, зависит (хотя и слабо) от величины этого поля. Создавать такое поле в большом объёме затруднительно.
Получение узкой спектральной линии достигается применением резонатора П-образной формы (рис. 3). В этом резонаторе пучок пролетает через отверстие вблизи его концов и только там взаимодействует с высокочастотным электромагнитным полем. Поэтому только в двух этих небольших областях необходимы однородность и стабильность магнитного поля Н. При этом перед вторым влетом в резонатор атомы «сохраняют» результат первого взаимодействия с полем. В случае П-образного резонатора спектральная линия приобретает более сложную форму (рис. 2, б), отражающую и время пролёта в электромагнитном поле внутри резонатора (широкий пьедестал), и полное время пролёта между обоими концами резонатора (узкий центральный пик). Именно узкий центральный пик служит для фиксации частоты.
В К. с. ч. с пучком атомов Cs погрешность в значении частоты n имеет место лишь в 13-м знаке для уникальных устройств (эталонов частоты) и в 12-м знаке для серийных приборов высокой точности (вторичных эталонов или стандартов частоты).
В состав К. с. ч. с пучком атомов Cs наряду с атомнолучевой трубкой и кварцевым генератором входят специальные радиосхемы, позволяющие с высокой точностью сравнивать измеряемую частоту внешних генераторов с частотой, определяемой К. с. ч. Кроме того, обычно цезиевый стандарт дополняют устройствами, вырабатывающими набор «целых» стандартных частот, стабильность которых равна стабильности эталона. Иногда эти системы вырабатывают и сигналы точного времени. В таких случаях К. с. ч. превращается в квантовые часы.
Уникальные лабораторные образцы К. с. ч. на пучках атомов Cs, входящие в состав национальных эталонов частоты и времени, обеспечивают воспроизведение длительности секунды, а следовательно всей системы измерения частоты и времени с относительной погрешностью, меньшей чем 10–11. Эта относительная погрешность практически не превышает 10–12, но для фиксации этого значения международным соглашением необходимо проведение длительных наблюдений. Существенным преимуществом К. с. ч. на пучках атомов цезия является то, что их промышленные конструкции обеспечивают воспроизведение номинального значения частоты (времени) с погрешностью 10–11, т. е. не уступают по точности эталону. Даже малогабаритные приборы этого типа, пригодные для применения в условиях обычных лабораторий и на подвижных объектах, работают с погрешностью не более 10–10, а некоторые образцы и 10–11.