为了提高大空间γ辐射场全局计算效率，开展了全局减方差（Global Variance Reduction，GVR）方法在大空间γ辐射场计算中的应用研究。针对计数栅元/网格体积差异造成的过度分裂问题，引入体积修正因子修改全空间权窗参数。体积修正后的基于通量的GVR方法计算的全局品质因子（FOM_G）比直接模拟提高约39倍。针对非计数区计算耗时问题，提出了非计数区修正方法，使得FOM_G因子进一步提高40%。在引入体积和非计数区修正的基础上，在大空间γ辐射场计算中与基于粒子误差、权重、径迹、数目、能量、碰撞和通量的7种GVR方法进行对比。结果表明：7种GVR方法计算的FOM_G因子比直接模拟提高2~3个量级，基于误差的标准差σ降低2~3个量级；而基于权重的GVR方法计算的FOM_G因子比直接模拟提高2 304倍，在所有GVR方法中减方差效果最好。在基于通量的GVR方法中引入光滑因子SI后，模拟计算的权窗下限随SI增加而减小，FOM_G因子随SI的增加先增加后减小。当SI=0.8时，该方法计算的FOM_G因子最大，比直接模拟提高3 246倍。

生物组织光学参数的无创在体测量是近红外光谱学（NIRS）研究的基础课题之一。在已发展的NIRS方案中，时间分辨测量具备优良的同时反演吸收系数和散射系数的能力，而且近年来该技术的性价比显著提高，获得了更多关注，但其针对分层组织的参数反演在准确性、稳定性和反演速度等方面尚存在一定的局限性。为此，本文提出了一种时域蒙特卡罗模型支持的Nelder-Mead单纯形算法，该算法利用双源探距下的时间分辨漫反射光信号，以循环迭代方式设置不同的基向量，经线性变换后无须求导便可启发式搜索目标函数的最优值，从而实现了高信效度的分层光学参数反演。模拟实验与仿体实验均表明：在组织光学参数反演方面，所提算法的精度优于传统算法，而且该算法具有良好的噪声鲁棒性和临床适应性，为生物组织光学参数的在体测量提供了新方法。

采用蒙特卡罗模拟技术对血管组织在可见光波段的多光谱成像进行建模仿真，通过分析不同血氧饱和度下血液后向散射功率的绝对值、相对值、绝对差值和对比度，并考虑可能的干扰因素，优选出适合内窥环境下使用的450 nm、525 nm、630 nm和660 nm 4个成像波段。基于4个优选的成像波段展开了血氧饱和度检测的实验验证。在血管仿体组织上的实验结果表明，在95%的置信水平下，血氧饱和度的检测偏差为1.24%。研究结果验证了利用四波段进行内窥组织血氧饱和度检测的可行性。

延期时间的优选对于矿山爆破振动的控制以及爆破技术经济效果的保障都至关重要。改进的线性叠加法可用于研究爆破振动质点峰值振速(PPV)与不同延期时间的关系。首先, 利用傅里叶级数来表示实测单孔爆破振动波形; 其次, 在傅立叶级数展开式的系数和相位中加入随机变量生成指定数量的单孔爆破振动波形; 再次, 利用蒙特卡洛模拟计算0 ms到250 ms之间每个延期时间对应的PPV均值, 得到PPV随延期时间变化曲线。实例分析结果表明: 若以距离爆源531 m处的民房为保护目标, 以0.45 cm/s为峰值质点振速控制标准, 7 ms以上的延期时间均可选择, 并且当延期时间增大, PPV呈减小趋势。结合矿山岩石破碎效果试验, 大块量随米延期时间增大呈先减小后增大的抛物线变化规律, 其最小值出现在米延期为7 ms/m处。若以爆破振动监测所在矿山的6 m孔距算, 其岩石破碎最优延期时间约为40 ms。综合爆破振动蒙特卡洛模拟结果和矿山岩石破碎效果试验结果, 得到该矿山爆破最优延期时间可选择为40 ms。

在基于近红外光谱法的无创血糖测量领域, 受人体皮肤状态波动的影响, 血糖预测模型无法长时间使用, 极大地限制了该方法在临床上的应用。 皮肤血流灌注是与人体生理状态密切相关的参数, 直接影响着皮肤中水分的流动, 它还难以像温度、 压力那样借助外部手段进行控制。 在皮肤光谱的测量中, 血流灌注会通过水分的迁移间接影响真皮层的厚度, 并使得光谱产生较大变化。 借助蒙特卡洛模拟方法仿真了在1 000~1 700 nm波段真皮层厚度变化±30 μm时三层皮肤的漫反射光强、 光子穿透深度与平均光程, 研究了真皮层厚度变化后的光谱变化规律。 对两个光源-探测器距离下的衰减度进行差分, 用于消除真皮层厚度变化的影响, 对1 000~1 700 nm的波长均给出了适宜的差分测量距离。 发现1 200 nm波长附近, 当真皮层厚度变化时, 漫反射衰减度在每个测量距离下的变化都非常小, 因此是较适宜的测量波长。 而对于水的吸收峰1 450 nm附近的波长而言, 漫反射衰减度随着光源-探测器距离的增加而变大, 且在一定范围内急剧变化; 因此, 应避免选择这些光源-探测器距离。 对于常用的血糖测量波长1 200、 1 300及1 600 nm波长而言, 光源-探测器距离可选在小于0.1 cm或大于0.4 cm的范围, 此处漫反射衰减度变化随着光源-探测器距离变化较缓慢, 采用差分处理可较好地消除真皮层厚度变化对光谱的影响。 考虑到不同光源-探测器距离下对应的真皮层光子百分比不同, 可选择主要对应于真皮层的光源-探测器距离, 该工作采取80 %真皮光子百分比为界限。 综上, 综合现有仪器能达到的测量精度水平, 对于1 200、 1 300和1 600 nm波长, 可选择0.03~0.1 cm范围内的两个光源-探测器距离进行差分测量, 可以较好地抑制真皮层厚度变化的影响, 从而有效减小皮肤血流灌注变动的影响。

针对空间滤波测速（SFV）中的速度解算算法和系统设计参数优化问题, 使用计算机仿真的方法研究了基于对数加权平均的速度解算新算法, 设计了计算机仿真计算实验, 得到线列图像传感器采集的特征目标的图像和速度解算精度。在运动物体的速度范围为0.1~100m/s内, 设计的SFV均可以解算出物体的运动速度, 解算速度相对误差的均值偏差为-0.250%, 相对误差的标准差为0.623%。使用Monte Carlo仿真的方法研究了基于对数加权平均的速度解算算法中功率阈值对速度测量精度的影响, 以物体运动速度100m/s为例, 解算得到的运动速度的误差由功率阈值为0dB时的1.065m/s降低至功率阈值为-5dB时的0.381m/s, 即相对误差由1.065%降低至0.381%。

为了更精确方便地分析测量样品的放射性含量，本文提出了利用蒙特卡罗应用软件工具（Geant4）获取高纯度锗（HPGe）探测器的全能峰效率曲线，进行放射性样品测量中全能峰效率的模拟及修正。测量距离高纯锗探头25 cm处探测器对点源中不同特征能量γ射线的实验探测效率，与模拟探测效率进行对比，采用Geant4模拟方式研究了高纯锗晶体表面死层对探测器效率的影响。通过修正上、下死层厚度依次分段对模型探测效率进行校正，优化探测器蒙特卡罗几何模型参数。将优化模型的模拟计算效率与点源的实测效率进行比较，得到了高纯锗探测器在59.54~1406 keV范围内的全能峰效率曲线。实验结果表明，蒙特卡罗模拟结果与实验测量结果有很好的一致性，相对误差在5%之内，并证实高纯锗晶体表面死层厚度随探测器的老化而发生变化，在7年后死层厚度从0.5 mm增加到约为1.40 mm±0.05 mm。

带有防离子反馈膜的微通道板是第三代微光像增强器件中的核心部件。文章阐述了防离子反馈膜的电子透过、离子阻止特性,利用Monte-Carlo模拟方法计算了氧化铍和三氧化二铝防离子反馈膜电子透过率和离子阻止率在不同条件下的变化曲线。模拟结果表明,氧化铍薄膜比三氧化二铝薄膜的电子透过特性好,而三氧化二铝薄膜比氧化铍薄膜的离子阻止本领好,证实了氧化铍作为防离子反馈膜的可行性。