本发明涉及一种粒子治疗装置的三维剂量测量探测系统，包括探测器主体、前端电子学系统、数据采集装置及上位机；探测器主体，用于对粒子束流进行探测；前端电子学系统，用于对探测器本体产生的电离信号进行放大；数据采集装置，用于采集经前端电子学系统放大的信号；上位机内设置有粒子照相系统和三维剂量重建系统；其中：粒子照相系统用于采用靶前和靶后同步采样的数据通过预先训练的机器网络模型得到目标靶的成像结果；三维剂量重建系统根据目标靶成像结果和束流经过不同厚度靶的剂量分布信息，基于预先测量的束流参数剂量曲线模型进行三维剂量重建，得到束流经过目标靶的三维剂量分布。