正电子发射计算机断层扫描（Positron Emission Tomography,PET）是一种高灵敏度核医学成像技术,能在分子水平检测器官代谢。PET探测器承担PET系统的核心功能,探测高能粒子并生成用于解码成像的电子信号,其性能改善有助于提高PET系统成像质量。PET探测器主要由闪烁晶体、光传感器、采集电路三部分组成。其中闪烁晶体用于拦截高能粒子并产生闪烁光子。由于PET系统中常用的闪烁晶体通常具有较高的折射率和较大的长宽比,导致闪烁光子的出光率不佳,影响了PET探测器的性能。为改善PET探测器的能量输出、能量提取效率和时间分辨率性能,本论文从以下三方面展开研究:1)设计基于多种反射特性的组合反射层结构并进行探测器能量输出测试;2)构建探测器光学仿真模型并探究组合反射层结构的能量提取效率及时间分辨率性能;3)探究闪烁晶体表面加工工艺及其表面形貌对探测器性能的影响。本论文设计了多种用于闪烁晶体的组合反射层结构,通过在晶体表面合理分区使用镜面反射和漫反射材料,充分利用两种特性的优势,最大化地提高探测器的综合性能表现。实验测试表明,部分组合反射层设计方案能有效提高PET探测器的能量输出。同时,本论文构建了探测器的光学仿真模型,通过追踪闪烁光子的完整传播过程,对组合反射层设计方案的作用原理进行了阐述,并基于该模型,进一步研究组合反射层对PET探测器能量提取效率和时间分辨率的影响,证明组合反射层具有优异的综合性能表现。最后探讨了闪烁晶体的表面加工工艺并进行晶体表面粗糙度对PET探测器能量性能影响的仿真研究。结果表明,不同磨抛工艺能实现不同的表面形貌,进而影响PET探测器能量性能。