碳离子治疗具有独特的物理学和生物学优势,能够在对肿瘤靶区造成足额杀伤剂量的同时,有效保护肿瘤前后位置的正常组织和重要器官。正电子发射断层显像技术（PET）能够实现对碳离子治疗的实时图像监测,对碳离子放射治疗的质量保证和改善治疗效果有重要的作用。本文设计了几种不同结构的自由结构PET探测器原型,包括C型、部分环型、双平板型和直角型,并仿真了完整的in-beam PET成像过程,以探索其用于碳离子治疗在束监测的可行性。所有结构的探测器原型都由32个相同的探测器模块构成,其内切圆直径180 mm,轴向长度为164 mm。每个探测器模块采用20×20的硅酸钇镥晶体阵列耦合硅光电倍增管构成,单个晶体条尺寸为1.5 mm×1.5 mm×10 mm。本文在GATE中仿真了230 Me V/u的碳离子束辐照PMMA靶体,建立了合适的数学模型描述了正电子核素活度分布变化,并讨论了次级粒子对符合探测的影响。结果显示短寿命正电子核素和辐照时的次级粒子会提高束中采集时的计数率,正电子核素贡献的活度占比对图像有较大影响。经OSEM算法重建的图像结果显示,自由结构PET重建图像正确地显示出碳离子生成的正电子活度分布的变化,PET图像一维谱峰位和计算的正电子湮灭分布峰位的差值在所有情况下都不超过2 mm。自由结构in-beam PET重建图像能够正确分辨出4 mm厚的空气层。这些结果表明自由结构in-beam PET有潜力能够应用于碳离子治疗过程的射程监测。本文利用中科院近代物理所的双平板型in-beam PET原型样机进行了监测碳离子辐照靶体成像实验,并进行了相应的GATE仿真计算。该PET样机采用8个探测模块,单边2×2排布,两平板间距为200 mm。探测模块使用22×22的LYSO晶体阵列耦合光电倍增管H8500构成。GATE仿真结果显示,系统的最大绝对灵敏度为2.08%,轴向空间分辨率约为2 mm,径向分辨率大于6 mm。本文对比了三维水箱实测和GATE仿真得到的水中剂量分布,结果显示仿真和实测的Bragg峰最大误差为1.3%。本文对搭建的in-beam PET原型样机进行了晶体区分和能量分辨率的测试,结果显示能够分辨出20×20的晶体阵列,其探测模块的能量分辨率在15.0%～17.0%之间。本文利用该in-beam PET原型样机在武威重离子医院进行了碳离子辐照均匀模体的in-beam PET成像实验。对探测器计数率分析的结果显示,其相邻的计数率峰相差约8秒,正确地反馈了加速器的出束周期。对131.05 Me V/u和190.19 Me V/u的碳离子束辐照的重建结果显示,其在束采集和离束采集的图像一维谱峰值和仿真得到的结果在所有情况下相差不超过1mm,实验与仿真PET图像正确地重建出正电子活度分布的变化和正电子活度峰位的移动。实验与仿真PET图像呈极强线性相关,经插值得到的正电子活度峰值下降20%、50%和80%位置平均相差小于1 mm。基于GATE和正电子活度分布计算数学模型的仿真计算结果与实验测量的结果表现出较好的一致性。