精准探测碳离子束流剂量-深度分布是碳离子治癌中精确将束流剂量投放至病灶的重要依据。目前,束流剂量-深度测量:的方法主要有正电子发射断层扫描（PET）和瞬发光子探测,采用的探测器为闪烁体加光电倍增管或雪崩光电二极管结构,但存在几何死区和空间分辨率低的缺陷。半导体碲锌镉像素阵列探测器由于具备高的空间分辨率和探测精度,以及体积小等优势而成为当前研究热点。Topmetal是具有自主知识产权的能直接接收电荷的像素阵列读出芯片,其最大的优势就是具有低噪声和高的接收灵敏度。本文从闪烁体探测器出发研究基于Topmetal的高空间分辨率碲锌镉像素阵列探测器,进而着重探讨束流剂量-深度分布测量方法,旨在提高测量精度和灵敏度。主要研究内容包括:1.提出并设计了用于探测碳离子束流剂量-深度分布的闪烁体准直式瞬发光子探测器。通过模拟碳离子束打入水箱的物理过程,在分析产生次级光子和中子的出射位置、方向、能量等特性基础上,设计了准直器（铅层、石蜡、碳化硼）,并优化了其结构参数,借助优化探测器斜角,来减少中子对测量结果的影响。仿真结果显示该结构的探测器能探测到碳离子的深度-剂量分布关系,且与理论值相符。按此结构设计的实验装置,在兰州外靶实验终端的300MeV/u氩离子束流下进行了初步测试。在因场地限制未进行中子屏蔽的条件下,探测结果显示计数峰值较理论值后移,这一结论与仿真结果一致。2.提出了利用新型Topmetal-Ila与碲锌镉组成像素阵列的探测技术来提升碳离子束流剂量-深度分布探测精度的测量方法。探测器精度取决于电极尺寸,传统的光电倍增管和雪崩光电二极管都在厘米量级,而Topmetal-Ila像素间距仅为40μm,可见该方法可以获得极高的空间分辨。另外为了保证各测量像素单元的一致性,对芯片内部各像素CSA复位电压进行了优化设计,增加了独立调节功能,以实现各像素放电时间的一致性。测试表明,复位电压的优化能使像素阵列放电时间偏差从8.8ms提升至2.3ms,一致性的提升也提升了探测器空间分辨率。经测试,该方案的测量精度能达到23.45μm的亚像素间距空间分辨。3.提出了像素内部采用交流稱合模式来解决碲锌镉漏电流导致Topmetal像素阵列读出芯片输出信号饱和问题的方法,该方法简化了内部电路结构、降低了电路噪声、也提高了探测灵敏度。目前碲锌镉像素探测器常采用直流耦合模式,并通过反馈电路来减小碲锌镉漏电流对输出信号的影响,这样一来势必增加电路噪声,其典型等效噪声电荷（ENC）约为100e-。新型Topmetal-Ila中采用交流耦合来消除直流漏电流的影响,电路简单且噪声也低（典型ENC为12.4e-）。采用有限元方法仿真了交流耦合的电荷接收效率,仿真结果表明其效率约为直流耦合的45%。可见该方法能提高信噪比,从而提高探测灵敏度。新型的Topmetal-Ⅱa碲锌镉像素阵列探测器具有高的空间分辨率和灵敏度,可用于Compton-CZT的PET和瞬发光子探测器中,对提升碳离子治癌束流投放精度起到积极作用。