积分球冷原子钟是一种使用漫反射激光冷却和分离振荡场技术的小型化原子钟。本学位论文的主要内容包括作者在攻读博士学位期间的两项工作:第一项是积分球冷原子钟的性能分析工作，第二项是积分球冷原子钟的性能优化工作。　　在第一项工作中，首先模拟了积分球内的光场分布。建立了积分球的二维模型，将其内表面设置成为服从标准正态分布的随机边界，并利用有限元分析法模拟仿真出了球形积分球和柱形积分球在不同打光方式下内部光场的分布，这对积分球冷原子钟物理系统的设计提供了指导。频率稳定度和频率准确度是原子钟性能的重要指标。根据Dick效应，结合目前钟时序分析了本地振荡器和频率综合器的相位噪声对钟频率稳定度的影响。理论推导出探测光噪声对钟频率稳定度影响的关系式。结合实验测量到的探测光强度噪声和频率噪声，分析出了探测光噪声对钟频率稳定度的影响。基于分析结果，对每一种分析出来的噪声贡献都给出了实验解决方案。除了分析频率稳定度，本文还分析了一些影响频率准确度的因素。　　积分球冷原子钟的性能优化是在性能分析工作的基础上展开的。为了减小反馈噪声和提高反馈电压分辨率，搭建了一套数字电压反馈链路。该链路代替了之前的板卡直接反馈链路。理论研究发现Dick效应是影响积分球冷原子钟频率稳定度的一个重要因素。为了减小Dick效应，我们选用了一个新的超低相噪的5MHz晶振作为本地振荡器。基于该晶振搭建了自制频率综合器，为此Dick效应可降低至是2.5×10-13τ-1/2。闭环锁定新晶振，积分球冷原子钟的频率稳定度被提高到了4.6×10-13τ-1/2。积分球冷原子钟将冷原子的吸收光强作为钟信号，因此冷原子数的涨落会直接影响钟信号的信噪比。为了降低冷原子数的涨落，本文提出了一种积分球冷原子钟中冷原子数稳定的新方法。该方法通过周期性地监测冷原子的吸收信号，反馈控制冷却光声光调制器的衍射效率，改变冷却光功率，实现冷原子数的稳定。稳定后的冷原子数涨落优于1±0.1％（3个小时），其功率谱密度在频率0.001 Hz到0.2 Hz范围内，最大抑制约30 dB。冷原子数稳定之后，由原子数涨落引起的频率稳定度可降低至7×10-14τ-1/2。　　微波腔是积分球冷原子钟的核心部件。在圆柱形波导的基础上，设计了一种可应用于星载原子钟的重入式均匀场微波腔。该腔采用重入式结构和双缝耦合的微波注入方式，具有中心轴线区域微波场均匀范围大的特点，可提高钟信号的信噪比和钟的频率稳定度。