原子核质量是原子核最重要的观测量之一。原子核物理中理论模型的发展以及核天体物理中对宇宙演化和元素合成过程的研究都需要精确的原子核质量测量。随着一些先进的放射性束流设备的建造和运行，在世界范围内已先后发展了一些奇特原子核质量的精密测量方法。在德国重离子研究所（GSI），利用碎片分离器（FRS）和实验储存环（ESR）发展的等时性质谱仪（IMS）可以直接测量寿命短到几十微秒的原子核。本论文主要介绍在GSI首次开展的大规模丰中子原子核的质量测量，包括等时性质量测量方法的最新进展、原子核的质量测量实验、新发展的相关数据处理系统等，并就测量结果对原子核结构模型和核天体物理中r-过程的影响进行讨论。在实验中，利用411 A×MeV ²³⁸U主束轰击1.032 g／cm²Be靶，产生高能短寿命的丰中子裂变碎片；裂变产物经FRS引导注入ESR，其旋转周期通过一个特殊设计的时间飞行探测器（TOF）测定。为了精确限定测量离子的磁钢度分散，在FRS中首次应用了磁钢度标记方法。实验中共有超过13000次离子注射，每次注射后在ESR中的测量时间为1毫秒。本工作分析的总数据量超过了1000 Gb。利用发展的数据分析系统，鉴别了71种丰中子原子核，实现的质量分辨本领为2×10⁵（FWHM）。利用36个原子核的已知质量进行定标，确定了35个精度为120 keV的原子核质量。其中，8个原子核(^85,86As，⁸⁹Se，¹²³Ag，¹³⁸Te，^140,141I，¹⁴³Xe)的质量为首次测定。测定的⁸³Ge质量与最新的原子质量评估（AME03）中的外推质量相符，却与利用（d，p）反应间接得到的原子核质量有447（133）keV的差异。同时，还首次确定了¹³³Sb中，半衰期为16微秒的同核异能素的激发能为4564（30）keV。根据测量的结果发现，1)³³Al，¹³⁴Te，¹³⁷Te，¹³⁹I等四个原子核的质量与以前实验值相比有大于1.5个标准偏差的差异；2)N=50的中子壳能隙从Z=39持续减小至Z=33；3)对于未包括进AME03评估的9个丰中子原子核，AME03的外推系统地低估了这些原子核的质量，目前流行的几个原子核质量模型给出的标准偏差也都大于400 keV；4)根据经典快中子俘获过程计算，所测量的质量对低中子密度(n_n=10²⁰ cm^-3)环境下的A=86附近的元素丰度有一定影响。作为首次在FRS-ESR设备上实现的大规模等时性质量测量，发现影响测量精度的主要因素包括TOF探测器的系统误差，FRS与ESR的接口匹配以及实验环的等时性条件，和可靠的定标原子核。这些为GSI的升级设备-FAIR将进行的更丰中子的大规模质量测量以及我国即将开展的CSR的质量测量计划提供了重要的参考。