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。

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。

肺部疾病的诊断和治疗很重要，目前实现肺部疾病的无创监测具有一定困难。笔者采用近红外光子传输技术，定量研究了人体肺部的结构。以可视中国人数据集（VCH）为实验对象，利用蒙特卡罗（MC）模拟对其进行了仿真。对肺部血流动力学非侵入式测量的可行性进行了理论探讨，并对光子在肺部传输时的最佳光源位置进行了研究，同时还对光源‐检测器距离进行了优化。光通量强度显示，光子在人体肺部可以穿透6~8.4 mm，光源到检测器的最佳距离是2.8~3.6 cm。在此基础上，对13名志愿者进行了近红外漫反射实验，实验数据与仿真结果基本一致。实验结果表明，本研究在肺部血流动力学无创监测方面具有广阔的应用前景，同时也为生物医学光学技术在人体上的应用提供了参考。

生物表面组织是多层介质，目前只有光在单层介质中传输的P3方程，本文给出了光在两层平板介质中传播的P3方程的时域解，编写蒙特卡罗模拟进行验证。结果表明P3时域方程与蒙特卡罗模拟符合很好，说明双层平板介质的P3方程正确地反映了光子在介质中的迁移。与扩散时域方程相比，在峰值位置附近，P3时域方程测量的反射率和透射率更加准确，在远离峰值时，P3方程与扩散方程结果一致。双层平板介质的P3时域方程扩展了P3方程的应用范围，可以替代扩散方程，也可以代替单层平板介质的P3方程，可以更好地研究光在生物组织中的传播过程。

利用蒙特卡罗模拟和光密度算法评估线扫描成像系统对被测样品内部缺陷的检测性能。首先，引入三维体素分割方法，实现对内部缺陷不规则组织边界的精细划分，以改善传统蒙特卡罗方法难以准确模拟复杂组织的光学传输问题；分析了仪器参数对光子在组织内部的穿透深度、探测器的探测深度和表面漫反射率的影响，确定了最佳的参数配置；最后，利用光密度算法评估了系统对不同大小和深度缺陷的检测性能。仿真结果表明，在光源入射角为15°、光源-探测器距离为1 mm的条件下，线扫描成像检测系统能够兼顾光子探测深度和表面反射率；对于大（a=2 mm，b=3 mm，c=1 mm）、中（a=2 mm，b=2 mm，c=1 mm）、小（a=2 mm，b=1.5 mm，c=1 mm）三种尺度的椭球体缺陷，系统的缺陷深度检测限分别为3.5 mm、3 mm、2.7 mm。本研究结果为面向水果等农产品内部缺陷检测的线扫描成像系统的参数优化和性能评估提供了理论依据。

光学气体传感器性能受气室结构影响较大，但是关于通过改进气室结构提高光学气体传感器的研究较少，提高芯片的利用率对缓解全球半导体芯片供应不足及低碳环保等具有重要意义。为了提高芯片利用率与满足多组分气体传感器高性能检测需求，设计了一种使用非分光红外技术的可同时检测CO₂、SO₂和CO这3种气体的三椭球型气室结构光学传感器，并对气室的光学性能进行研究。通过光路仿真、有限元模拟、蒙特卡罗模拟等可知：23%的接收面上集中了91%的能量，克服了直射式结构气室光程短和光敏面上光通量低的问题（光程长度增加了25%，光通量增加了40倍），同时克服了多反射式结构光通量过低的问题（约增加了117倍），信噪比分布是多反射式和直射式的10~100倍。因此，所提三椭球气室结构对于高端多组分组合式气体传感器的实现有着重要的意义。