Регистрация ионизирующих излучений

Допущено
Министерством образования
Республики Беларусь
в качестве учебного пособия 
для студентов
учреждений высшего образования 
по специальности
«Ядерные физика и технологии»

Минск
      «Вышэйшая школа»
2021

И.Р. Гулаков

Регистрация
ионизирующих
излучений

УДК 539.1.074(075.8)
ББК 31.42я73
 
Г95

Р е ц е н з е н т ы: кафедра физики Белорусского национального технического университета 
(кандидат физико-математических наук, доцент П.Г. Кужир, заведующий кафедрой – доктор физико-ма тематических наук А.К. Есман); директор НПУП «Атомтех» кандидат технических наук 
В.А. Кожемякин

Гулаков, И. Р.
Г95 
Регистрация ионизирующих излучений : учебное пособие / И.Р. Гула 
ков. – Минск : Вышэйшая школа, 2021. – 287 с. : ил.
ISBN 978-985-06-3309-5.

Рассмотрены процессы преобразования энергии ионизирующего излучения в веществе, 
приводящие к образованию сигналов в газовых ионизационных, твердотельных (полупроводниковых и сцинтилляционных) детекторах. Изложены физические основы методов регистрации излучений, физические принципы действия наиболее известных детекторов ионизирующих 
излучений, их характеристики, специфика практического использования в современном ядерно-физическом эксперименте и актуальные методики детектирования радиоактивных материалов. Особое внимание уделено методам и приборам детектирования с использованием газовых, 
полупроводниковых и сцинтилляционных детекторов ионизирующих излучений.
Для студентов учреждений высшего образования по специальности «Ядерные физика и 
технологии». Будет полезно инженерам и научным сотрудникам, разрабатывающим или эксплуатирующим аппаратуру физической защиты, учета и контроля ядерных материалов, а также 
физической ядерной безопасности.

УДК 539.1.074(075.8)
ББК 31.42я73

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части не может 
быть осуществлено без разрешения издательства.

ISBN 978-985-06-3309-5 
© Гулаков И.Р., 2021
 
© Оформление. УП «Издательство
 
“Вышэйшая школа”», 2021

Предисловие

Методы и приборы регистрации ионизирующих излучений являются самостоятельной научно-практической областью, на достижениях которой основываются успехи в других сферах научной и производственной деятельности. 
В частности, развитие ядерной энергетики, применение источников ионизирующих излучений в различных исследованиях, медицине и промышленности, 
обеспечение гарантий нераспространения ядерных и радиоактивных материалов требуют постоянного совершенствования аппаратуры и методов исследования полей ионизирующих излучений, методов качественного и количественного анализа и изучения радиационных характеристик источников 
излучения. При использовании ядерной энергетики необходим тщательный 
контроль радиационной безопасности персонала, обслуживающего АЭС и 
другие сооружения и установки, где используются источники ионизирующих 
излучений, а также радиационный мониторинг окружающей среды и населения, проживающего в районах их расположения.  
Использование любых ядерно-физических технологий требует специальных знаний, технических средств для наблюдения и измерения параметров 
ионизирующих излучений. Известно достаточно много методов регистрации 
ионизирующих излучений, однако любые приборы и устройства, работа которых основывается на таких методах, имеют свою ограниченную область 
применения и позволяют получать информацию только о конкретном наборе 
характеристик излучений. Для успешной деятельности в отмеченных выше 
областях применения ионизирующих излучений необходимо хорошо знать 
возможности приборов и особенности их использования с целью получения 
нужной информации. 
Целью учебного пособия «Регистрация ионизирующих излучений», предназначенного для студентов, обучающихся по специальности «Ядерные физика 
и технологии», является изучение физических принципов работы, конструкции 
и функционирования основных типов устройств, используемых при регистрации и измерении характеристик ионизирующих излучений.
Подбор материала пособия обеспечивает обучающихся необходимыми 
базовыми знаниями, а также информацией, имеющей максимальное прикладное значение. Изложение материала доступно для аудитории, специальная 
подготовка которой в ядерной области минимальна и ограничивается общим 
курсом «Ядерная физика». В то же время из-за отсутствия белорусских изданий, посвященных рассмотрению методов и приборов для регистрации ионизирующих излучений, в пособии дается информация монографического характера, представляющая интерес для инженеров и научных сотрудников, 
разрабатывающих или эксплуатирующих аппаратуру физической защиты, 
учета и контроля ядерных материалов, а также физической ядерной 
безопасности.

В первой главе рассматриваются физические процессы взаимодействия 
ионизирующих излучений с рабочим веществом детекторов, сведения о которых необходимы для понимания принципов работы и особенностей различных 
детекторов.
Во второй и третьей главах излагаются физические принципы действия, а 
также конструктивные особенности и характеристики газовых и полупроводниковых детекторов ионизирующих излучений, знание которых представляется важным для инженеров-физиков и работников многих других специальностей, связанных с радиоактивными излучениями.
Сцинтилляционный метод регистрации излучений является одним из 
наиболее используемых в различных отраслях науки, технике и медицине. 
Поскольку эксплуатационные характеристики сцинтилляционных детекторов 
во многом определяются сцинтиллятором и используемым фотоприемником, 
регистрирующим сцинтилляции, в четвертой главе рассматриваются физические процессы, происходящие в неорганических, органических, пластмассовых и наносцинтилляторах при поглощении излучения, приводится обзор 
основных свойств как традиционных, так и новых сцинтилляционных 
материалов.
Фотоэлектрические явления, происходящие в различных типах вакуумных 
и твердотельных фотоприемников при регистрации ионизирующих излучений 
и определяющие их характеристики, а также влияние на них внешних воздействующих факторов, излагаются в пятой главе.
В шестой главе раскрываются особенности использования сцинтилляционных детекторов для дозиметрии, радиометрии, спектрометрии и временных 
измерений, приводятся их характеристики, анализируются способы их улучшения и стабилизации параметров измерительных трактов, дается информация 
об особенностях применения в различных условиях. 
Трековые и другие детекторы рассматриваются в седьмой главе, а применение детекторов для целей дозиметрии, радиометрии, спектрометрии различных видов ионизирующего излучения – в восьмой главе.
Автор выражает благодарность заведующему кафедрой ядерной физики 
Белорусского государственного университета кандидату физико-математических наук, доценту А.И. Тимощенко, инициировавшему написание этого пособия, и кандидату физико-математических наук, доценту М.Д. Дежурко, 
любезно согласившемуся прочитать рукопись пособия и сделавшему ряд ценных замечаний. Автор выражает также благодарность рецензентам: кандидату 
физико-математических наук, доценту П.Г. Кужиру и кандидату технических 
наук В.А. Кожемякину за полезные замечания и советы.

Глава 1. Физические принципы регистрации 
ионизирующих излучений

1.1. Виды излучений

Ионизирующим излучением называется поток частиц или квантов электромагнитного излучения, взаимодействие которых с веществом приводит к 
ионизации атомов. Такие излучения возникают в атомных и ядерных процессах – самопроизвольных или вынужденных превращениях электронных оболочек или ядер атомов. Кроме того, они могут быть получены с помощью 
ускорителей или присутствовать в космических лучах.
Данные излучения в зависимости от массы и заряда можно подразделить 
на четыре группы:
 • тяжелые заряженные частицы; 
 • легкие заряженные частицы;
 • фотонное излучение: рентгеновское и гамма-излучения;
 • нейтронное излучение.
Для специалистов по разработке и эксплуатации дозиметрической аппаратуры наибольший практический интерес представляет интервал энергий 
излучений от нескольких килоэлектронвольт до 10–20 МэВ. Исключением 
будут нейтроны, энергия которых может уменьшаться до тепловых значений 
порядка сотых долей электронвольта, однако энерговыделение при взаимодействии таких нейтронов с ядрами вещества попадает в указанный диапазон 
энергий. Этот диапазон можно условно назвать «ядерным», поскольку основные процессы ядерных превращений соответствуют именно этому интервалу 
энергий.
Конечно, существуют излучения и меньших, и больших энергий. Методы 
и устройства их регистрации могут отличаться весьма существенно. 
В первую группу в основном входят альфа-частицы, а также протоны, многозарядные ионы и осколки деления. Основным механизмом взаимодействия 
с веществом таких частиц являются ионизационные потери энергии. В «ядерном» диапазоне энергий эти частицы будут нерелятивистскими, что обусловливает высокую плотность ионизационных потерь и, соответственно, малые 
значения пробегов таких частиц в веществе. К первой группе также можно 
отнести нерелятивистские мюоны и заряженные пи-мезоны вторичных космических лучей, однако для большинства практических измерений такие частицы существенной роли не играют.
Ко второй группе относятся только электроны и позитроны, в том числе и 
бета-частицы радионуклидов. Основным механизмом взаимодействия с веществом в указанном диапазоне энергий для них являются ионизационные 
потери, однако радиационные потери растут с увеличением энергии и могут 
играть существенную роль. Поскольку в «ядерном» диапазоне энергий эти 
частицы могут быть релятивистскими, плотность их ионизационных потерь 
уменьшается, а пробеги в веществе увеличиваются. В отличие от частиц первой 

5

группы в случае легких заряженных частиц кулоновское рассеяние оказывает 
сильное влияние на направление их движения. Для позитронов, как для 
античастиц, имеется особый вариант взаимодействия – аннигиляция, приводящая к исчезновению позитронов и появлению аннигиляционного 
гамма-излучения.
Первые две группы частиц представляют непосредственное ионизирующее 
излучение, так как непосредственно ионизируют атомы среды при столкновениях, если их кинетическая энергия достаточна для ионизации. Они выбивают 
орбитальные электроны из атомов при кулоновском взаимо действии.
К третьей группе – фотонному ионизирующему излучению – относятся 
рентгеновское и гамма-излучения различной природы: 1) гамма-излучение, 
коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны λ < 10–10 м, 
ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми 
свойствами, представляющее собой поток частиц – гамма-квантов (фотонов) 
с энергией εγ = hν (ν – частота излучения, h – постоянная Планка), большей 
100 кэВ, возникающее при изменении энергетического состояния атомных 
ядер, при ядерных превращениях или при аннигиляции частиц; 2) тормозное 
излучение, возникающее при торможении высокоэнергетических заряженных 
частиц в кулоновском поле ядер в веществе, характеризуемое сплошным энергетическим спектром, с максимальной энергией εγ, равной энергии заряженной 
частицы; 3) характеристическое излучение с дискретным энергетическим 
спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома; 4) рентгеновское излучение, состоящее из тормозного и/или характеристического излучения.
Рентгеновское излучение – электромагнитные волны, занимающие спектральную область между гамма- и ультрафиолетовым излучениями, что соответствует длинам волн от 10–12 до 10–7 м, энергия кванта от 10 эВ до десятка 
мегаэлектронвольт. Энергетические диапазоны рентгеновского и гамма-излучений перекрываются в широкой области энергий. Четкая граница между 
гамма- и рентгеновским излучениями не определена. Оба типа излучения 
имеют электромагнитную природу и при одинаковой энергии квантов эквивалентны, поэтому такое разделение условно. Терминологическое различие 
заключается только в способе возникновения: рентгеновское излучение образуется при участии свободных электронов или электронов в атомах, а гаммаизлучение испускается в результате переходов ядер из возбужденных состояний, при протекании ядерных реакций.
Основными механизмами взаимодействия в «ядерном» диапазоне энергий 
фотонного излучения являются фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование электрон-позитронных пар. На вероятностный выбор варианта 
взаимодействия определяющее влияние оказывают как энергия квантов, так 
и порядковый номер атомов вещества, с которым происходит взаимодействие. 
Смысл понятия «пробег» для частиц третьей группы меняется и означает 
среднее расстояние, проходимое квантом до очередного однократного акта 
взаимодействия. Во всех актах взаимодействия появляются частицы, отнесенные к второй группе.

Четвертую группу частиц представляют нейтроны различных энергий. 
В отличие от первых трех групп излучений основное взаимодействие с веществом для них происходит не электромагнитным способом, а посредством 
особого ядерного взаимодействия. Однократные акты взаимодействия нейтронов с ядрами атомов вещества приводят к двум вариантам: рассеянию 
нейтрона или же ядерному процессу с вылетом различных частиц, отнесенных 
к первой, третьей или даже к четвертой группе. Понятие «пробег» для нейтронов аналогично пробегу для взаимодействия гамма-квантов и сильно зависит 
от их энергии и нуклонов, входящих в состав атомов вещества.
Регистрацию других элементарных частиц рассматривать не будем по двум 
причинам: они либо имеют очень малое время жизни и в результате распада 
превращаются в частицы уже перечисленных четырех групп, либо являются 
стабильными (например, нейтрино), но очень слабо взаимодействуют с веществом и поэтому не находят практического применения.
Косвенное ионизирующее излучение состоит из нейтральных частиц с нулевым электрическим зарядом – нейтронов, нейтральных мезонов или квантов 
рентгеновского и гамма-излучений, создающих непосредственно ионизирующее излучение и/или вызывающих ядерные превращения. Энергия этих 
частиц в результате взаимодействия со средой передается вначале заряженной 
частице (электрону, протону, альфа-частице, ядру отдачи и др.), а затем эти 
вторичные частицы уже производят ионизацию атомов и/или вызывают ядерные реакции. 
К корпускулярному излучению относится ионизирующее излучение, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля, т.е. альфа- и бета-частицы, 
нейтроны, протоны, мезоны и др.
Под первичным ионизирующим излучением понимается излучение, которое 
в рассматриваемом процессе взаимодействия со средой является исходным 
или принимается за исходное. Вторичное ионизирующее излучение возникает 
в результате взаимодействия первичного излучения с данным веществом.
Энергия, потерянная излучением в веществе и отнесенная к единице пути 
в граммах на 1 см2, практически не зависит от агрегатного состояния вещества 
(газ, жидкость или твердое тело). Поглощение энергии любого вида излучений 
в веществе приводит к ряду явлений, которые используются для регистрации 
излучений.

1.2. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

Механизм взаимодействия излучения с поглощающим веществом состоит 
в том, что частицы, пролетая сквозь вещество, взаимодействуют с атомами, из 
которых оно состоит, т.е. электронами и атомными ядрами (или нуклонами 
ядер). Характер взаимодействия излучения зависит от его вида, энергии, плотности потока, а также от физических и химических свойств самого вещества. 
Ядерные реакции с веществом происходят при взаимодействии с нейтронным 
излучением. Заметное протекание ядерных реакций на ядрах атомов вещества 
возможно лишь при значительных потоках частиц больших энергий (более 

1,02 МэВ) и при наличии в веществе ядер с большими сечениями ядерных 
реакций. В большинстве же случаев заряженные частицы взаимодействуют с 
электронными оболочками всех атомов вещества, за счет чего передают веществу свою энергию. Энергия излучения, переданная веществу, это разность 
между суммарной энергией всех заряженных и незаряженных частиц (без учета 
энергии покоя), входящих в данный объем вещества, и суммарной энергией 
всех частиц, выходящих из этого объема, плюс изменение энергий, связанное 
с массой покоя частиц при ядерных превращениях, происходящих в объеме. 
При этом рассматриваются три основных механизма потери энергии заряженной частицей: ионизация, возбуждение и торможение.
Ионизация атомов представляет собой процесс превращения нейтральных 
атомов среды под действием ионизирующего излучения в заряженные частицы – электроны и ионы, т.е. образование пары ионов. В этом процессе из 
нейтрального атома выбиваются электроны, и он становится ионом. Энергия, 
необходимая для отрыва электрона, называется энергией ионизации. Комбинация выбитого электрона и ионизированного атома называется ионной парой. 
В различных материалах на образование ионной пары необходима энергия 
30–40 эВ. Эта энергия называется энергией образования пары ионов. Часть этой 
энергии идет на ионизацию молекулы, а остальная – на возбуждение и упругие 
столкновения. Ионизации также могут подвергаться положительные ионы, 
что приводит к увеличению кратности их заряда. Нейтральные атомы и молекулы в особых случаях также могут присоединять электроны, образуя отрицательные ионы.
Для количественной оценки ионизации атомов вводят понятия полной 
ионизации и линейной плотности ионизации.
Полная ионизация Nп – это количество пар ионов, образованных ионизирующим излучением на всем пути в веществе:

 
Nп = Е/ε, 
(1.1)

где Е – энергия ионизирующего излучения; ε – энергия образования пары 
ионов.
Линейная плотность ионизации NL (удельная ионизация) – это количество 
пар ионов, образованных ионизирующим излучением на единице пути:

 
NL = Nп /R = Е/εR, 
(1.2)

где Nп – полная ионизация пар ионов; R – линейный пробег.
Удельная ионизация, создаваемая, например, гамма-излучением, приблизительно в 5·104 раз меньше удельной ионизации от альфа-частиц и в 50 раз 
меньше удельной ионизации от бета-частиц такой же энергии.
Возбуждение атомов – это механизм потери энергии, являющийся следствием кулоновского взаимодействия между заряженной частицей и электронами атома. Если при ионизации удаление электронов с орбиты происходит 
путем их выбивания из нейтрального атома, то при возбуждении электро

ну передается энергия, недостаточная для его выбивания, в результате чего 
электрон переходит на более высокий энергетический уровень, при этом он 
удерживается атомом и нейтральность атома не нарушается. Этот процесс не 
ведет к образованию ионных пар и к появлению свободных зарядов в веществе. 
При переходе электрона на прежнюю орбиту испускается характеристическое 
излучение. На каждую образованную пару ионов при ионизации атома приходится примерно два-три возбужденных атома. Потери энергии при ионизации и возбуждении атомов называются ионизационными потерями.
Заряженные частицы, пролетая вблизи ядра атомов поглотителя, тормозятся в поле ядра, меняют направление своего движения и теряют часть своей 
энергии, испуская тормозное излучение. Тормозное излучение имеет непрерывный спектр, энергетический диапазон которого входит в диапазон 
рентгенов ских лучей. Анализ процесса потери энергии на тормозное излучение 
показывает, что эти потери прямо пропорциональны энергии заряженной 
частицы и квадрату атомного номера поглотителя и обратно пропорциональны 
квадрату массы заряженной частицы. 
Тормозная способность – это средняя энергия, теряемая заряженной частицей на единице своего пути; показывает скорость потерь энергии заряженной частицей в поглотителе (S = dE/dl), зависит от заряда и атомного номера Z 
и плотности ρ вещества поглотителя (S = S(Z, ρ)).
Линейная передача энергии заряженных частиц в поглощающем веществе – отношение средней энергии dЕ, переданной поглощающему веществу 
движущейся заряженной частицей вследствие столкновений при перемещении 
ее на расстояние dl, к этому расстоянию:

 
L = dЕ/dl. 
(1.3)

В общем случае при столкновении заряженной частицы массой та и зарядом Zа с атомом среды она может испытывать упругое и неупругое рассеяние. 
Упругое рассеяние частиц – процесс столкновения частиц, в результате которого 
меняются только их импульсы, происходит без изменения внутреннего состояния сталкивающихся частиц. Неупругое рассеяние частиц сопровождается 
изменением их внутреннего состояния (ионизацией и возбуждением атомов), 
превращением в другие частицы или дополнительным рождением новых частиц. За счет процессов упругого и неупругого рассеяния в веществе энергия 
частицы уменьшается и ее движение замедляется. 
Таким образом, ионы, выбитые электроны и возбужденные молекулы – это 
то, что в первый момент оставляют заряженные частицы на своем пути в веществе. Время жизни этих первичных продуктов действия ионизирующего 
излучения на вещество крайне мало – 10–12–10–6 с и лишь в некоторых случаях 
несколько больше, однако их существование надежно доказано, а поведение 
может быть изучено экспериментально.
Чтобы понять разницу в характере взаимодействия и потерь энергии между 
тяжелыми и легкими заряженными частицами, необходимо рассмотреть процесс упругого рассеяния частицы массой та, зарядом Zа и кинетической энергией Е0 

на покоящейся частице массой тА и зарядом ZА и оценить величину передаваемой при упругом столкновении энергии в зависимости от масс сталкивающихся частиц и энергии налетающей частицы. Из законов сохранения 
энергии и импульса следует, что максимальная энергия, переданная падающей 
частицей, равна 

 
ЕАмакс = 2mac2E0(E0 + 2mАс2) / (тАс2 +тас2) + 2Е0тас2, 
(1.4)

где Еi = Ei
п – mi c2 – кинетическая энергия i-й частицы; Ei
п – полная энергия 
i-й частицы; тi с2 – энергия покоя i-й частицы; Е0 – кинетическая энергия 
падающей частицы до рассеяния; Еа – кинетическая энергия рассеянной частицы; ЕA – кинетическая энергия отдачи.
Это значит, что при одном столкновении падающая частица может передать покоящейся энергию от 0 до EАмакс. Рассмотрим несколько важных 
случаев.
1. Сталкиваются частицы сравнимых масс, пусть та = тА, например два 
электрона. В этом случае, согласно формуле (1.4), ЕАмакс = Е0 независимо от 
энергии налетающей частицы, т.е. при одинаковых массах взаимодействующих 
частиц налетающая частица может потерять при однократном упругом столкновении любую энергию от нуля до всей своей кинетической энергии.
2. Сталкиваются частицы, массы которых сильно различаются, причем не 
имеет значения, та >> тА или, наоборот, та << тА. Анализ формулы (1.4) показывает, что в этом случае максимально возможная передача энергии существенно зависит от энергии налетающей частицы. В нерелятивистском случае 
(Е0 много меньше энергии покоя частицы) из формулы (1.4) следует

ЕАмакс ~ 4 таЕ0/(та + тА)2

и при та << тА
 
ЕАмакс ~ 4 таЕ0/тА << Е0 . 
(1.5)

Если налетающая частица, например, протон, а покоящаяся – электрон, 
т.е. та = тр и тА = те, то та >> тА и Еδмакс > ЕР /500; для альфа-частицы 
Еδмакс > Еα/2000.
Электроны с энергией Еδмакс большей, чем энергия, необходимая для 
ионизации среды, – это дельта-электроны. Они, распространяясь в веществе, 
в свою очередь ионизируют атомы.
Итак, в нерелятивистском случае при столкновении частиц сравнимых 
масс возможна любая потеря энергии, вплоть до всей, при однократном соударении, но при взаимодействии частиц с существенно различными массами 
потеря энергии при столкновении происходит только малыми порциями, т.е. 
процесс замедления тяжелой частицы при взаимодействии с легкими происходит почти непрерывно. 
Рассеяние частицы на электронах атома приводит к неупругим потерям 
энергии на возбуждение и ионизацию атома, однако направление движения 
частицы при этом остается практически неизменным.