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正电子发射断层成像(Positron Emission Tomography,PET)可以实现对重离子束辐照剂量分布与定位的监测,在PET中引入飞行时间信息(Time of Flight,TOF)可以减少图像重建时的数据处理时间,改善影像质量。在研制应用于重离子治癌监测的TOF-PET系统时,传统的分立式的电子学读出系统因规模庞大、电路复杂、功耗高、测量精度低以及可靠性差等问题,无法满足TOF-PET系统的需求。因此,需要设计开发新的低成本,高集成度的读出电子学系统。基于这一需求,我们与核电子学研究组合作开发了以基于SCA(Switched Capacitor Array)的DRS4芯片(Dumino Ring Sampler version 4)为核心的数字化波形采样系统,在级联工作模式下可以同时对16路信号进行采样,具有On-Board符合测量的功能,可以实现TOF信息的测量以及能量的测量。本文通过对基于LaBr3晶体的TOF-PET定时校准系统输出脉冲进行数字化波形采样以及数据采集,开展了基于DRS4芯片的数字化波形采样系统的应用以及后续数据处理方法的研究。实验结果表明,利用DRS4系统以及数字化波形分析算法,TOF-PET定时校准系统获得了很好的符合时间分辨(178 ps)和能量分辨(3.42%@511 keV),优于进行对比测试的CAMAC系统获得的符合时间分辨(250ps)以及能量分辨(4.2%@511 keV)。成功研制了由LaBr3晶体阵列、位置灵敏型的光电倍增管及简化的读出电路组成的TOF-PET单元样机。在国内首次利用DRS4系统对样机进行了On-Board符合测试,使用数字化算法对采样数据进行分析。相比CAMAC系统,使用DRS4系统得到的晶体位置映射图更加清晰且易于分割,信噪比更高。DRS4系统获得了较好的能量分辨(14.9%)位置分辨(0.74mm)和符合时间分辨(750 ps),验证了DRS4系统在TOF-PET中应用的可行性,实现了预期目标。我们在国内首次利用DRS4系统在原子核能级寿命测量以及在束粒子鉴别的实验中进行了应用和研究。在原子核能级寿命测量实验中成功利用快定时法测量了能级寿命,获得的结果与NNDC发布的评估寿命相符合。在束粒子鉴别实验中对不同能量的质子束,α,12C束以及28Si产生的次级束粒子进行了测量,可以对不同的粒子进行鉴别。本文对DRS4数字化波形采样系统以及数字化波形分析算法进行了多种应用研究。实验结果表明DRS4系统以及数字化波形分析算法在能量和时间测量上相比传统的CAMAC系统具有更高的测量精度。同时该系统还具有通道密度高、电路简单,集成度高、体积小、传输噪声小、成本低、易调试以及信息集总分析的优点,满足了我们对TOF-PET读出电子学的设计需求。