通過測量粒子飛過給定飛行距離的時間來決定粒子速度的方法。在非相對論情況下，粒子的品質M、能量E和它飛過距離l所需的時間t有如下關係：
，
其中M、E、t和l分別以MeV、ns和m作單位。從上式看到，對於確定質量的粒子，通過測量它飛行距離l所需要的飛行時間t，就可以得到它的能量。用飛行時間法測量中子能譜就是這種應用的一個典型例子。在這種應用中，所測能量的精度主要取決於飛行時間的測量精度。對於一個具體的實驗，在確定的飛行時間測量精度（稱分辨時間）的前提下，可以通過增加飛行距離l（l可長達幾百米）來改善時間分辨率（分辨時間與飛行時間之比）。所以，通常用單位飛行距離的分辨時間來描述飛行時間測量系統的性能。
另一方面，如果同時測定粒子的能量E和飛過距離l的時間t，則可以確定粒子的質量，這是飛行時間技術在鑒別粒子方面的重要應用（見核物理實驗中的粒子鑒別技術）。總之，飛行時間測量無論應用於粒子的能譜測量還是應用於鑒別粒子的質量都要求整個測量系統具有盡可能小的分辨時間。目前已經可以達到幾百皮秒（ 1皮秒＝10-12秒）或更小。
為瞭測得粒子的飛行時間，首先必須獲得標志粒子“起飛”的零時信號和到達終點的終止信號，並經過對這些信號作“定時”處理，得到相應的定時信號，然後，測量這兩個定時信號的時間間隔。目前測量時間間隔的常用方法是將這兩個定時信號輸進“時間－幅度轉換器”，把時間間隔轉換成輸出脈沖幅度，分析這些脈沖的幅度，就可得到關於粒子飛行時間的信息。因此整個測量系統的時間分辨率決定於零時和終止信號的時間晃動，以及在對它們定時和進行時間間隔測量過程中產生的誤差。由於快電子學的迅速發展，特別是各種性能優異的定時線路的出現，後者的影響是比較小的，因而零時和終止信號本身的時間晃動則成為主要的因素。
終止信號是用具有快時間響應的探測器得到的，例如快響應的閃爍計數器、半導體探測器或氣體雪崩型探測器（不能測粒子能量）。在需要同時測量粒子的能量的情況下，還要求這些探測器具有好的能量分辨率。響應很快的塑料閃爍體，配合快光電倍增管，在具有良好的光收集的條件下，其固有分辨時間可做到200～300ps，金矽面壘型探測器的時間性能同探測粒子種類和能量有關，其固有分辨時間可達1×10-10s左右，氣體雪崩型探測器的分辨時間也可優於2×10-10s。
零時信號的獲得主要有下列幾種方法：直接從粒子穿過零時探測器的時間信號來得到。目前，在鑒定重離子核反應產物時，廣泛使用瞭零時探測器，當被測量的粒子穿過它時，它即能給出粒子穿過的時間信息，又幾乎不改變粒子的飛行速度。例如將塑料閃爍體制成幾微米厚的閃爍薄膜，配合快光電倍增管就可作為零時探測器。此外還有一種固有分辨時間小至幾個皮秒的微通道板探測器，它主要用於比α粒子重的帶電粒子。其原理是當重帶電粒子穿過 5～10μg/cm2的碳箔時，會產生許多低能電子，用電或磁場將這些低能電子加速並聚集到微通道板上。微通道板一旦接收到電子就會輸出一個上升時間非常短的電脈沖，對此信號作定時處理就可得到重帶電粒子穿過碳箔時的定時信號，平行板雪崩探測器也是較好的零時探測器。零時信號也可以利用探測與測量粒子同時發生的伴隨粒子或γ光子來得到。例如通過探測T(d，n)α反應中的α粒子和(d，nγ)反應中的γ光子都可得到測量中子飛行時間的零時信號。
對於脈沖化束流，零時信號可以從加速器本身的束流偏轉脈沖振蕩器得到，也可以從脈沖束流在靶上產生的電信號得到。這時，零時信號的時間晃動主要取決於束流脈沖的寬度。目前已經能夠將束流脈沖寬度減少到2×10-10s以下。在利用反應堆中子源的測量中，可用機械斬波器（由高速轉動的帶有狹縫的轉子，和固定的帶有狹縫的準直器組成，在兩狹縫重合時，中子才能直接通過）將連續的中子束脈沖化，從機械斬波器可測到脈沖束的零時信號，其分辨時間一般在10-4～-6s。
由於飛行時間測量精度提高，飛行時間方法也逐漸從原子核物理范圍擴展到其他領域，例如原子物理、化學、生物學和醫學方面。利用飛行時間質譜計已經測定瞭像阿托品（C17H23O3N，分子量M=289）、膽甾醇(C27H46O，M=386)等分子的質量，同通常的化學方法比較，飛行時間方法不僅所需時間短，而且可以節省樣品。
參考書目
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