质量是原子核的基本属性之一。精确的原子核质量是检验和发展核理论模型、研究原子核结构、验证标准模型、模拟天体环境中的核反应过程的基础数据。质子数Z>92的核素被称为超铀核素,这些核素只能通过核反应人工合成。精确地测量它们的质量对研究超重核的壳稳定效应、预言超重核的质量和“超重核稳定岛”在核素图上的位置等科学问题有着重要的意义。由于受测量技术的限制,在目前已经合成的300多种超铀核素中,只有16种核素的质量已用潘宁离子阱或多反射飞行时间(MRTOF)质谱仪直接精确地测量。MRTOF质谱仪是在传统的飞行时间质谱仪的基础上发展起来的一种新型实验仪器,可以将带电粒子约束在一定空间内往返运动,通过延长离子的飞行时间而获得较高的质量分辨本领。这种仪器不仅具有测量精度较高、测量过程较简单且不受杂质干扰、测量质谱范围广等特点,而且具有束线长度短、机械构造相对简单和造价较低等优势。MRTOF质谱仪的核心部分为MRTOF质量分析器。根据不同的实现方式,分为“镜电极开关”和“调能腔”两种不同模式的质量分析器。近代物理研究所正在建造一台用于测量经过充气反冲核分离器选择和分离后的重离子熔合蒸发反应余核的质量的MRTOF质谱仪。本论文主要讲述了其MRTOF质量分析器的研制。它由参考离子源、束流传输器件、质量分析器核心部分、探测器、真空系统和控制与数据获取系统等部分组成。该质量分析器具有两方面的功能:一是用于原子核质量的直接精确测量;二是用作质量选择器,高效、快速地为后续实验设备提供单一的目标核。MRTOF质量分析器的研制过程包括模拟优化、机械设计、机械加工、机械装配和离线调试等步骤。在模拟与优化部分,我们利用下山单纯形算法结合SIMION开发了一套专用软件,在镜电极开关和调能腔两种模式下计算了不同条件下的电压设置组合及最佳质量分辨本领R,优化了最佳漂移管长度L,定量地给出了电源精度的参考范围。结果显示:质量分辨本领R>1× 105,建议漂移管的最佳长度L≈ 400 mm,电源精度和稳定性要求好于50 ppm。以模拟结果为依据,我们完成了 MRTOF的机械设计与建造,搭建了与之配套的真空系统、电子学系统、控制系统、数据获取系统等子系统。在这个系统上完成了初步离线调试,实现了 MRTOF质量分析器对离子的约束。测量结果显示:其约束时间已经达到2.56 ms以上;目前,当离子被约束75圈时的质量分辨本领R≈ 7000。本论文的工作表明:我们已经攻克了研制过程中的各个关键环节,具备了MRTOF质量分析器自主研发的能力。