正电子湮没谱学是一种研究材料内部缺陷的非破坏性表征方法,可以在原子尺度上研究材料性质,尤其对空位型缺陷具有极高的灵敏度。随着粒子探测技术和理论计算的发展,正电子湮没谱学已经广泛应用于材料科学、医学诊断等领域。正电子湮没探测技术作为开展谱学实验的重要手段和测量方法,发展先进的正电子湮没探测技术一直是正电子湮没谱学中的热点课题。正电子湮没谱学通常采用光电倍增管（Photomultiplier Tube,PMT）搭建谱仪,硅光电倍增器（Silicon Photomultiplier,SiPM）的增益大、光子探测效率高、单光子分辨灵敏和结构紧凑等优势,使其在正电子湮没参数测量系统中有着取代和超越PMT的巨大潜力,基于SiPM的读出方式也无法照搬传统基于PMT的谱仪结构。本文在对探测技术及实验方法深入研究的基础上,围绕基于SiPM探测器、多阈甄别读出电子学、SiPM阵列及探测系统展开了一系列研究,完成了正电子湮没过程中γ射线在探测器中沉积的时间、能量、位置信息获取,实现了正电子在材料中湮没寿命参数的准确测量,取得成果如下:1.实现了首个基于SiPM的正电子湮没寿命谱仪,时间分辨率可达～136 ps,大大优于使用电子学插件和PMT搭建的常规谱仪（～210 ps）。通过分析闪烁发光、光子传输、光电转换和电子学读出等过程,完成了闪烁晶体和光电转换器件选型且定量研究了 SiPM偏置电压（30-34 V）、前沿定时阈值（4-12 mV）和闪烁晶体长度（5.0、9.5、13.8和20.0 mm）与SiPM探测器符合时间分辨的关系,由此确定了谱仪的最佳工作条件。使用不同闪烁晶体（材料和长度）的基于SiPM的正电子湮没寿命谱仪都准确测量了正电子在GaN样品中的湮没寿命,有效符合计数率为15-45 cps（源活度:1.85 MBq）,验证了使用SiPM研制正电子湮没寿命谱仪的可行性,促进了 SiPM在高性能正电子谱学表征技术中的应用,也为正电子湮没探测系统提供了 SiPM探测器基础。2.开发了基于多阈ToT（Time over Threshold）的脉冲面积估计方法和读出电子学,并用于SiPM探测器的时间信息和能量信息同时读出。研制的多阈ToT电路定时路径抖动为22.7 ps,对百皮秒以上符合时间分辨率的SiPM探测器贡献微小。与幅度相比,SiPM探测器脉冲面积更能准确表达能量信息,由此设计了基于多阈ToT（双阈和三阈）的脉冲面积估计方法并作了性能对比。结合SiPM探测器,采用三阈ToT方法得到的能量分辨率、能量响应和脉冲面积积分非线性都优于双阈ToT,其脉冲面积积分非线性度在511-1333 keV能量范围内优于4.21%,比双阈ToT至少提高了 25%。设计的多阈ToT电路对提高能量线性和动态范围是有效且方便的,可以大大简化正电子湮没谱学设备的读出电子学并替代复杂定时和多道设备,也为正电子湮没探测系统提供了多阈值甄别技术。3.研制了基于SiPM阵列的正电子湮没探测系统,系统通过4个SiPM阵列探测器模块（共16个SiPM和16个闪烁晶体）一次采集实现了 64个湮没事例符合时间谱和128个正电子湮没寿命谱测量,并同时记录了正电子湮没过程中1275 keV瞬发和511 keV湮没γ射线在探测器中沉积的时间、能量、位置信息。开发了基于小闪烁晶体多阵列方式和电阻链读出的高性能SiPM阵列探测器模块和基于多阈值甄别技术的高效率触发逻辑模块。探测器阵列对γ射线的位置响应清晰可见,平均能量分辨率为11.2%,平均时间分辨率可达211 ps。开发了一种基于湮没符合时间的多路寿命谱合成方法。该方法通过符合时间谱的时间差偏移量来修正寿命谱的偏移,有效的将128个寿命谱合成一个正确的寿命谱,寿命测量有效符合计数率可达～223 cps（源活度:0.9 MBq）,有效提高了数据触发利用率。通过测量单晶硅样品得到的正确正电子湮没寿命参数验证了合谱方法准确性和探测系统的可靠性。该系统为正电子湮没辐射角关联测量、慢正电子束流装置的湮没参数测量提供了系统方案。