粒子探测技术经过不断地发展，当今不仅应用于粒子物理与原子核物理等基础学科，而且也广泛地应用于空间科学、天文观测、军事、清洁能源、环境保护、地质勘探、违禁品检测、农业等众多领域。粒子探测技术在核医学领域中也有着重要的应用，不仅应用于医学成像，而且应用于肿瘤的放射治疗。在粒子探测中，能谱的测量是重要的测量之一。随着探测精度的不断提高，使得探测器和能谱测量系统规模不断增大，电子学通道数不断增多。对于数字能谱测量系统所需要的高速模数转换(Analog to Digital Converter，ADC)器件数量也不断增加。大量高速ADC的运用会带来系统的成本、数据量、功耗、散热、系统复杂性的问题。
　　本文针对重离子治癌装置中的在束正电子发射断层扫描(Positron Emission Tomography，PET)成像数字测量系统对能量信号处理的需求，重点开展了能量提取算法的研究，以便在获得较高的能量分辨率的前提下，尽可能降低ADC采样率，进而减少数据量。本文重点研究了直接提取脉冲峰值算法、多项式曲线拟合算法、双指数函数曲线拟合算法以及计算脉冲面积算法。通过示波器获取探测器输出波形并在MATLAB中设计分析模块，基于这几种算法对6种不同的较低采样率得到的数据进行分析处理，并分别与高采样率直接提取脉冲峰值算法和计算脉冲面积算法的结果进行比较。通过对相对误差的讨论和能量分辨率的计算，验证了算法的有效性。在此基础上，设计实现了能量提取算法的FPGA(Field Programmable Gata Array)固件模块。
　　为了验证能量提取算法在在束PET数字能谱测量系统中的可行性和适用性，在FPGA中对ADC采样的数据进行在线处理。根据仿真结果并结合实验条件和需求，在重离子治癌装置在束PET原理样机中，选用50MSps采样率的ADC，应用直接提取脉冲峰值算法和计算脉冲面积算法，针对不同探测器进行能谱测量。能谱统计和Flood Map统计的结果与仿真结果一致，均体现出计算脉冲面积算法具有精度高、稳定性好、易于实施等优势。
　　论文在算法研究中重点考虑了基线漂移和堆积畸变对能量分辨率影响。在算法仿真阶段和实验应用阶段，均采用平均法对采样波形的基线值进行估计，并且从脉冲幅值中扣除基线，达到基线恢复的目的。采用脉冲微分法丢弃了发生尾堆积的波形数据改善了能量分辨，达到预期目标。并且在实验应用阶段使用控制变量法，对“在固定采样率下，分析计算脉冲面积算法中累加求和点数的选择对于探测器的能量分辨率的重要影响”进行深入测试与讨论。测试结果表明，适当求和点数的设置对于探测器能量分辨率的提高至关重要。
　　此外，论文对弱信号的前端读取方法与电路进行了简要的分析与探讨。从放大器的选型、前置放大器电路的结构、电路中反馈电阻电容的选择以及电路板上保护环的设计等方面，分析和考量了前段读取电路对微弱信号提取的影响，为之后能谱测量系统的硬件设计与器件选型提供了参考。