具备高时间分辨率的粒子飞行时间探测器在高能物理和医学物理的应用中越来越重要。粒子飞行时间探测器中闪烁体、光电探测器和读出电路是影响其时间分辨率的主要因素。传统粒子飞行时间探测器设计中,通常采用传统光电倍增管或光伏探测器作为传感器。然而,传统光电倍增管时间分辨率较差且难以在强磁场条件下应用,光伏探测器则受其时间分辨率、辐射损伤、温度效应和暗计数率等因素的限制。为了满足高时间分辨率且适应于强磁场环境的要求,本文采用超快光电倍增管作为粒子飞行时间探测器的光电探测元件。本文研究了超快光电倍增管的时间特性,提出了基于超快光电倍增管和闪烁体耦合成粒子飞行时间探测器的设计思路。为了实现粒子飞行时间探测器高时间分辨率的目标以及其在强磁场下的应用,本文的主要研究内容包括:粒子飞行时间探测器探测原理与数据获取方法研究。本文分别对闪烁体的发光特性、超快光电倍增管的探测原理和读出电路展开了研究,分析了粒子与闪烁体的相互作用以及光在闪烁体中的传播过程,叙述了读出电路中高精度时间测量技术,包括定时和时间数字转换技术,其中恒比定时技术可以消除幅度时间游动的影响。在此基础上,开展了波形数字化技术及其数据处理的方法研究,为本文在探测器性能测试中提取电荷和时间信息打下了基础。超快光电倍增管的时间特性研究。建立了超快光电倍增管模型,并基于蒙特卡罗方法以及有限积分技术分析超快光电倍增管内部电子运动轨迹,探索影响其时间性能的因素。在此基础上,优化了超快光电倍增管结构参数。搭建实验平台,对设计并制备的超快光电倍增管进行测试研究。通过对比分析超快光电倍增管时间分辨率的测试方法,最终采用波形数字化和恒比定时的测试方法获得了超快光电倍增管的时间分辨率,超快光电倍增管样管的本征时间分辨率可达56.64 ps。粒子飞行时间探测器在强磁场下的性能研究。本文通过分析求解超快光电倍增管内部电子在均匀电磁场环境下的运动微分方程组,以获得电子的运动轨迹。通过蒙特卡罗方法和有限积分技术分析了超快光电倍增管磁场抗扰度的影响因素,并进行结构优化设计。提出了基于超快光电倍增管线性动态范围测试磁场抗扰度的方法,并设计完成了实验测试平台。实验结果表明,超快光电倍增管具有良好的磁场抗扰度,样管在轴向磁场和横向磁场方向的磁场容限分别为4.6 T和2.8 T。同时,进一步研究测试证明超快光电倍增管的极限时间分辨率不依赖于磁场。粒子飞行时间探测器的时间分辨率性能研究。研究闪烁光脉冲的特征,并基于此分析闪烁体的时间分辨率,确定影响闪烁体时间分辨率的影响因素。测试研究影响铈掺杂的钆镓铝石榴石闪烁体时间分辨率的性能参数。分析粒子飞行时间探测器符合时间分辨机理,搭建了基于超快光电倍增管与3×3×5 mm~3镥基闪烁体的粒子飞行时间探测器实验平台,测试其符合时间分辨率为93.77±0.94 ps,并与前人测量结果做对比,以此说明超快光电倍增管适用于粒子飞行时间探测器。基于铈掺杂的钆镓铝石榴石闪烁体以及超快光电倍增管的先验性能参数,并利用蒙特卡罗方法模拟飞行时间探测器的符合时间分辨率。采用4×4×22 mm~3铈掺杂的钆镓铝石榴石闪烁体时间分辨率模拟结果为204.61±2.63 ps,通过与现有的飞行时间探测器对比分析,验证了基于铈掺杂的钆镓铝石榴石闪烁体耦合超快光电倍增管组成粒子飞行时间探测器用于医疗器械的合理性。