时钟同步铯原子频标物理部分由铯炉，态选择器，U型微波谐振腔和原子检测器等部分组成。工作在高真空的环境中。

　　铯炉中存有铯金属，它的熔点很低，当加温到100摄氏度左右时铯蒸气通过户口的准直器喷出，形成铯原子束。

　　铯束中的原子通过由两极磁铁组成的态选择器。在磁铁形成的非均匀磁场下，两种不同能态的原子由磁矩不一样而受到不同的力，低能态原子束形成散射不进入谐振腔，而高能态的原子形成平行束进入U型谐振腔。

　　U型谐振腔又称Ramsey腔。它使原子束两次通过谐振腔的作用区，采用这种结构是为了提高谐振腔的Q值。谐振腔馈入频率等于原子跃迁频率的微波激励信号，它使高能态的原子受激辐射回到低能态。

　　态选择器B放置在谐振腔的出口。已发生谐振的原子束流经它时分离出低能态的原子进入原子检测器。原子检测器用来测量低能态原子束流的大小，因为它反映了微波激励频率与原子跃迁频率的偏离程度。

　　时钟同步铯原子频标物理部分需要能产生调整频率的C场线圈，为了减少杂散磁场对跃迁频率的影响还需要磁屏蔽。电子部分的工作原理和铷原子频率标准相似。