先进的放射治疗癌症方法例如质子重离子医疗与常规的放射治疗相比具有很大优势，被认为是一种理想的放射治疗癌症的方法。与常规的高能光子治疗不同，当在质子重离子医疗中评估辐射对人体组织的损伤作用时，除了从宏观层面考虑射线在组织的吸收剂量沉积外，还需要考虑微观尺度射线与人体组织中如染色体或DNA的随机相互作用，以提供评价其生物效应的权重因子。在对微观尺度的辐射生物效应剂量学研究中先后建立了微剂量学和纳米剂量学的概念，相关组织等效的辐射探测器的发展对于在推进这些概念的到了关键的作用。本文研究了用于质子重离子医疗的两种气体探测器优化的关键问题。即用于粒子医疗微米剂量学特征测量的球形组织正比计数器(TEPC)的小型化问题，以及用于实现粒子径迹结构的纳米剂量级别分辨率测量的新型光学影像室中采用的低速阳离子直接探测的问题。　　球形的组织等效正比计数器由于其对辐射测量各向同性的特性是用于微剂量谱测量的基本探测器，探测器通常充低气压的组织等效气体用于模拟细胞的尺寸。在粒子医疗实际应用中灵敏体积过大，在高束流的中容易造成探测器高计数从而导致脉冲的堆积效应，解决方案之一是研制直径大约为1mm圆柱形迷你组织等效正比计数器(mini-TEPC)。由于在mini-TEPC中构建均匀电场的困难阻碍球形TEPC小型化的实现。　　先前在德国联邦技术物理研究院(PTB)建立的的光学雪崩影像室(OPAC)实现了单次拍照对粒子径迹结构信息的获取，由于电子在时间投影室中漂移时的扩散作用的限制探测器的最小分辨率约为30nm，无法满足纳米级别粒子径迹信息的获取。解决方法之一是采用对低速阳离子转换成次级电子后进行探测，实现阳离子在转换材料上的有效转换，是实现这一纳米级粒子径迹探测技术概念的关键。　　本论文主要研究内容和结论包括:　　(1)针对用于微剂量学探测的球形组织等效正比计数器小型化的问题，用有限元方法完成了Benjamin型正比计数器的内部电场的计算。通过模拟计算对Benjamin型结构进行了优化，计算结果表明将探测器优化至目前尺寸的1/10仍然可以在阳极丝表面维持均匀电场。　　(2)针对传统光学雪崩影像室位置分辨率受到电子扩散作用影响的问题，研制具有纳米级别位置分辨率用于重离子径迹结构测量的影像室。提出了在时间投影室中对低速阳离子直接探测的方法，即通过俄歇中和效应将低能阳离子转换为次级电子的方法进行探测。值得一提的是该方法还有望被应用于无中微子双β衰变探测等领域。　　(3)为研究在时间投影室中通过低速阳离子势能发射引发次级电子的探测方法，在德国PTB实验室成功搭建了一套小型离子加速器系统。在模拟软件SIMION的辅助下实现了能量在20eV到1keV单能Ar+，Ar2+和He+阳离子束的产生和输运。完成了系统微通道板(MCP)和次级电子倍增器(EM)探测器的刻度。　　(4)制作了超纳米结晶金刚石膜(UNCD)，掺氮超纳米结晶金刚石膜((N)UNCD)，氢端基掺氮超纳米结晶金刚石膜((N)UNCD∶H)样品。使用刻度后的系统在离子低能段对材料的次级电子发射性能进行了测量，测量结果显示20eV的Ar+粒子在UNCD，(N)UNCD和(N)UNCD∶H表面引发的Gamma值分别为1.08％，0.53％和0.74％，对样品进行适当加热后相应的Gamma增加至2.08％，2.82％和1.50％。40eV的He+粒子在UNCD和(N)UNCD∶H表面引发的Gamma值分别为20.4％和11.8％，对样品进行适当加热后相应的Gamma增加至30.9％和26.9％。在暴露在真空度约为10-6mbar的真空腔中，Gamma随暴露时间出现递减。　　通过以上研究证明了将Benjamin型正比计数器探测器小型化的可能性，为实现迷你球形组织等效正比计数器奠定了基础。在低速阳离子和三种金刚石样品测量实验中，电离势能较高的低速He+和金刚石样品作用具有较高的发射性能，而低速Ar+和金刚石作用时的Gamma仅有约1％。在实验研究的三种金刚石样品中，存在表面污染的情况下而具备负电子亲和力的(N)UNCD∶H样品并没有如预期表现出较高的发射性能，UNCD在低能阳离子作用下表现出最佳的次级电子发射性能。