桶状抽样型电磁量能器（Electromagnetic Calorimeter，Ecal）是俄罗斯在建的重离子超导同步加速器（Nuclotron-based Ion Collider faсility，NICA）中多功能探测谱仪（Multi-Purpose Detector，MPD）上的一个重要探测器，主要用于探测10 MeV至几个GeV能域内电子和光子的能量、时间、位置信息。基于Geant4软件，使用单能电子研究了入射位置及闪烁体层数对探测器模块（module）能量分辨率的影响，闪烁体层数和电子能量对探测器单元（tower）时间分辨率和Ecal位置分辨率的影响。模拟结果表明：随着电子入射位置由module边缘向中心移动，闪烁体内能量沉积由718 MeV增加至758 MeV；在tower长度为415.5 mm条件下，随着闪烁体层数增加，module能量分辨率变差，tower时间分辨率变好，Ecal位置分辨率变差。在兼顾量能器的各项性能后，tower中闪烁体最佳层数为211层，Ecal能量分辨率好于4.35%，时间分辨率小于112 ps，位置分辨率好于2 mm；在相同条件下，电子能量越高电磁量能器的时间分辨率和位置分辨率越好。

为进一步发展基于蒙特卡罗模拟方法的α粒子能谱探测参数优化技术，利用PyQt5设计一款调用蒙特卡罗模拟程序包Geant4进行α粒子能谱模拟研究的软件。一方面，建立了测量α粒子的钝化离子注入平面硅探测器（Passivated Implanted Planar Silicon）物理模型，根据实际α粒子测量条件对模拟的物理过程、模型材料及粒子源几何形状、成分等参数进行校正，结合PyQt5界面开发平台将粒子源参数、探测器参数修改等功能可视化。在多个探源距和不同真空压强条件下进行模拟实验，得到该模型的探测效率，并将获取的能量沉积成谱后，通过EMG-Landau响应函数模型展宽。另一方面，为验证该探测器模型的准确性，将模拟结果与实测结果的探测效率进行对比，实验结果表明，两者探测效率误差均在5%之内，且EMG-Landau响应函数模型展宽效果良好。本文研究结果验证了该Geant4模拟软件在α粒子能谱研究方面的可靠性，该软件可直观修改α粒子能谱测量条件，简化了模拟步骤，提高了模拟效率，为基于蒙特卡罗模拟方法的α粒子能谱探测参数优化技术提供了有力工具。

开展基于塑料闪烁光纤的宇宙线缪子测量研究时，对闪烁光纤输出光脉冲的光子数定量分析，是读出电子学设计的前提。在无单光子源等弱光标定时，对缪子入射事件在光纤中产生光脉冲的光子数进行定量分析是本文的主要目标。首先利用硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier Tube，SiPM）固有的非光生载流子特性标定光脉冲的测量值，获得缪子在直径1 mm和2 mm光纤中产生微弱光脉冲包含的光子数；然后结合Geant4软件模拟计算缪子在光纤中理论光子产额，并与实验结果对比验证。结果显示，在直径1 mm和2 mm光纤中光脉冲光子期望值分别为44个和85个，与模拟结果偏差分别为4.55%和10.59%，表明该低光子数测量方法可以在无额外标定设备时，实现对缪子入射光纤产生光子数的准确测量，并可以应用在其他弱光脉冲光子数测量场景中。

为进一步明确月球表面湮灭辐射的主要来源和影响机理，构建了轨道γ能谱仪中湮灭辐射特征峰定量分析模型，采用GEANT4模拟不同能量质子轰击月岩诱发γ射线微分能谱，并以“嫦娥一号”高能粒子探测器（Chang'e-1 High-energy Particle Detector，CE1-HPD）数据作为输入项，计算了宇宙射线中4~400 MeV质子在月表5种典型岩石中诱发湮灭辐射的特征峰信息。在对“嫦娥一号”γ能谱仪（Chang'e-1 Gamma-ray Spectrometer，CE1-GRS）获取的0.511 MeV特征峰进行本底扣除和天然放射性核素影响剥离后，与4~400 MeV质子诱发湮灭辐射结果进行比较。研究结果表明：级联簇射产生湮灭辐射的概率与入射质子能量呈正相关，在4~400 MeV能量范围内，典型月岩的成分差异对诱发湮灭辐射的影响不明显。虽然该能量段质子的注量率较高，但由于其能量较低，无法有效地通过级联簇射形成正电子，最终导致湮灭辐射贡献率较低，仅为（1.97±0.66）×10^-4。

通过传统能量色散X射线荧光分析(EDXRF)对Cd元素进行痕量分析时, X光管发出的原级轫致辐射连续谱对Cd元素的分析具有严重的影响。 为了减弱原级X射线对测量结果的影响, 通过Geant4程序包模拟不同几何尺寸下偏振激发X射线荧光分析(P-EDXRF)中荧光靶的结构, 研究其在减弱测量过程中原级X射线轫致辐射连续谱的影响。 为了提高模拟效率, 本文分三步进行模拟。 第一步模拟不同管电压下电子打靶过程, 得到不同管压下的X光管原级能谱。 第二步针对Cd元素的痕量分析设置不同种类、 不同几何条件的Te及BaSO₄作为荧光靶材料进行模拟。 结果表明在使用K_α1能量(27.468 keV)与Cd元素吸收限26.711 keV最为接近的Te作为荧光靶材料时, 随着Te靶厚度增加Te元素的特征峰强度在100 μm前快速增长, 在150 μm后趋于稳定。 而其信噪比(SNR)在80 μm到达最大值21.434。 继续增加厚度由于荧光靶材料的自吸收作用SNR开始有些许下降, 达到饱和吸收厚度后稳定。 在不同应用场景时荧光靶选材应有不同, 对于测量时间没有限制的条件下, 应选择荧光强度更大的荧光靶厚度。 而对于测量时间相对较短的条件下, 则应该选择SNR更大的荧光靶厚度。 第三步模拟通过荧光靶后的出射能谱激发含0.01%Cd的样品, 经过Te靶后的出射能谱激发样品, 得到Cd元素K_α1峰背比为8.28。 相较于直接通过原级谱激发样品, Cd元素K_α1峰背比为2.29, 其峰背比明显提高但Te元素的散射峰对Cd元素K_α1峰仍然有所影响。 选用特征X射线能量与Cd元素K_α1相距更远的BaSO₄作为荧光靶材料, 可减弱由于样品中的基体轻元素的散射作用而引起目标元素的峰背比降低情况, 可将Cd元素K_α1峰背比提高至14.179。 通过增大X光管管电压可进一步提高激发效果, 在管电压为70 kV时对于Cd元素有最佳激发效果, 峰背比为21.431。

近年来，卤化铅钙钛矿闪烁体在X射线成像领域受到广泛关注。20~120 keV硬X射线医学成像使用闪烁体探测器，其灵敏度和成像空间分辨率是重要指标。利用Geant4模拟卤化铅钙钛矿量子点/聚合物复合闪烁体的X射线相对探测效率和成像空间分辨率，并利用次级电子运动解释能量与钙钛矿量子点占比对分辨率的影响。结果表明：增大复合闪烁体厚度和钙钛矿量子点占比可提高相对探测效率；降低厚度和增加钙钛矿量子点占比都可以提高空间分辨率；当吸收效率达到99.5%时计算得到20 keV X射线激发下钙钛矿闪烁体空间分辨率可与商用CsI闪烁体相媲美，而50 keV X射线激发下空间分辨率则有所下降。表明卤化铅钙钛矿在20 keV低能X射线医疗成像中具有一定应用潜力。