109 關務特考三等 輻射安全技術工程 可發生游離輻射設備 考古題詳解

核心觀念

本題分成兩個相關但不同的觀念：

1. 高能中子放射治療：以加速器產生高能帶電粒子，撞擊靶材後，透過核反應產生快中子束。
2. 硼中子捕獲治療（BNCT）：先使腫瘤組織攝取含硼-10（$^{10}\mathrm{B}$）藥物，再以適當能量的中子照射，利用硼中子反應產生短射程、高線性能量傳遞（LET）的帶電粒子，達到相對選擇性的腫瘤細胞殺傷。

依《游離輻射防護法》第 2 條，「可發生游離輻射設備」是指核子反應器設施以外，利用電磁場、原子核反應等方法產生游離輻射的設備。以下涉及法規的說明，以命題當年（民國 109 年）法規為準。

解題方法

先按「中子如何產生」分類設備，再說明 BNCT 的治療流程與核反應。要特別區分：一般快中子放射治療使用快中子直接照射腫瘤；BNCT 則是先把硼-10帶進腫瘤，再由中子觸發硼俘獲反應。

可產生放射治療用高能中子束的設備

主要是粒子加速器，利用高能質子或氘核轟擊靶材，經核反應產生中子。臨床快中子治療常用的方式包括：

• 迴旋加速器：加速質子或氘核，常以鈹（Be）為靶材，藉由核反應產生快中子；例如以氘核轟擊鈹靶。
• 其他帶電粒子加速器：如靜電加速器，可加速氘核轟擊適當靶材產生中子。實際中子能量與產額取決於入射粒子、能量及靶材。
• 電子直線加速器或 betatron：高能電子可先產生制動輻射，光子再與靶材原子核作用產生光中子（photoneutrons）。這類設備能產生中子，但一般醫療直線加速器的治療主束仍是電子束或光子束；答題時應與以加速質子、氘核產生治療中子束的方式區分。

概括而言，典型快中子治療設備的產生鏈為：

臨床 BNCT 原理

核心觀念

本題考查典型醫用直線加速器（medical linear accelerator, LINAC）的束流產生、加速、引出與治療射束形成流程，以及使設備穩定、安全運轉的輔助系統。

電子槍產生電子，微波功率源提供高頻微波；電子在加速管內受微波電場加速，再經束流傳輸與偏轉系統送往治療頭。治療頭依治療模式將電子束直接整形，或將電子束打在靶上產生 X 光，再整形為所需射束。整體運作由控制、劑量監測、冷卻與安全連鎖等系統支援。

本題為設備原理題，無須援引特定法條或公式。

解題方法

作答時依照「電子如何產生 → 如何加速 → 如何送到治療頭 → 如何形成治療射束 → 哪些系統確保運作」的順序繪圖，再逐一說明各元件功能。圖中標出主要能量與束流路徑，並區分核心射束設備與輔助系統，即能完整呈現設備架構。

典型架構圖

 ┌──────────────控制系統──────────────┐
 │ 設定能量、劑量、射野；監控與連鎖 │
 └──────┬───────────┬────────────────┘
 │ │
市電／電源系統 → 脈衝調變器 ────────┘ └→ 劑量監測與回授
 │
 ┌─────────┴─────────┐
 │ │
 電子槍高壓脈衝 微波功率源
 │ （磁控管／速調管）
 ▼ │
 電子槍 微波傳輸波導
 │ │
 └────────┬──────────┘
 ▼
 加速管
 （真空中以微波電場加速電子）
 │
 聚焦／束流控制
 │
 偏轉磁鐵／束流輸送
 ▼
 治療頭
 ┌─────────────┴─────────────┐
 │ │
 電子治療模式 X 光治療模式
 散射箔或掃描磁鐵 電子束撞擊靶產生 X 光
 │ 初級準直器、均整器
 └─────────────┬─────────────┘
 ▼
 電離室劑量監測、次級準直器
 ▼
 患者／治療床

輔助支援：真空系統、冷卻水與溫控系統、機架與治療床、
 影像定位系統、安全連鎖與屏蔽設施

主要元件及功能

1. 電子槍 通常由加熱陰極發射電子，並將電子束注入加速管。電子束的脈衝、電流與注入時序由電子槍及其供電控制。

2. 脈衝調變器 將電源能量轉換為高壓脈衝，供電子槍與微波功率源使用，使加速器以脈衝方式產生電子束及微波功率。

3. 微波功率源 以磁控管或速調管產生加速所需的高功率微波。磁控管本身產生微波；速調管則常用於放大微波訊號。

4. 微波傳輸系統 透過波導將微波功率源輸出的微波送入加速管。系統可包含隔離器、微波監測器、移相器與吸收負載等，用來傳輸、調整或監測微波功率，並降低反射微波對功率源的影響。

5. 加速管 電子在加速管內與微波電場作用而獲得能量。加速管須維持真空，使電子能順利通過，減少與氣體分子碰撞造成的散射或能量損失。

核心觀念

本題考查 X 光管的發射能譜如何受曝光條件與管球結構影響。能譜由兩部分組成：

• 制動輻射連續譜：高速電子在陽極靶內減速而放出，光子能量連續分布；最高光子能量由管電壓決定。
• 特性 X 光線：陽極靶原子內層電子被撞出後，外層電子躍遷填補空缺而放出，能量由靶材的原子能階決定，呈現離散譜線。

能譜圖以光子能量 $E$ 為橫軸、光子數或相對強度為縱軸。連續譜的截止能量為：

若管電壓以 kVp 表示，最高光子能量的數值相當於 kVp 的 keV 值，例如 100 kVp 的最高能量為 100 keV。實際能譜中，各能量光子數不相同，且低能光子較多。

解題方法

分別改變管電流、管電壓、外加濾片與陽極靶材，依序判斷它們影響的是能譜的數量、能量分布、低能光子比例，或特性線位置。繪圖時先畫出制動輻射連續譜，再依題目條件標示截止能量與特性峰的變化。

各參數對能譜的影響

一、管電流（mA）

在管電壓、曝光時間、靶材及濾片固定時，提高管電流會增加單位時間內撞擊陽極的電子數，因此 X 光光子數增加，能譜整體強度近似按比例上升；降低管電流則相反。

管電流不改變電子的最高動能，因此：

• 制動輻射截止能量不變。
• 特性 X 光峰的位置不變。
• 連續譜與特性峰的光子數均隨管電流增加而增加。

若管電流提高為原來的兩倍，其他條件不變時，光子輸出約增加為兩倍。

二、管電壓（kVp）

提高管電壓會提高電子撞擊陽極前的最大動能，故制動輻射連續譜的截止能量向高能端移動：

同時，電子能量提高，產生 X 光的效率與總輸出增加；能譜平均能量也提高，稱為射束變硬。若管電壓降低，截止能量、平均能量與輸出均降低。

特性 X 光峰的能量位置由靶材原子的能階差決定，管電壓本身不改變其位置；但管電壓須高於形成相應內層空缺所需的激發門檻，特性線才會出現。管電壓提高後，特性峰的強度可能增加。

三、外加濾片

濾片會選擇性吸收 X 光，低能光子較容易被吸收，因此主要削減能譜低能端：

核心觀念

本題考查充氣式偵檢器的特性曲線：在氣體種類、壓力、電極幾何及輻射場固定時，逐步提高兩電極間的電壓，觀察每個入射粒子在氣體中產生的電離電荷如何被收集，以及是否引發氣體倍增。

縱軸通常表示每個入射粒子所收集的電荷量 $Q$，也可用輸出脈衝大小表示；橫軸表示加在陽極與陰極間的電壓 $V$。曲線由低電壓至高電壓，依序經過復合區、電離室區、比例區、有限比例區、蓋革－穆勒區及連續放電區。

解題方法

作圖時，以電壓為橫軸、收集電荷量為縱軸，標出各區域及相鄰區域的轉折。說明各區域時，依序交代三件事：初級離子是否完全收集、是否發生氣體倍增，以及輸出訊號能否反映入射輻射的能量或數量。

收集電荷量 Q
 ↑
 │ ／ 連續放電區
 │ ┌───────────────
 │ │ 蓋革－穆勒區
 │ ／──────────┘
 │ ／ 有限比例區
 │ ／──── 比例區
 │ ──── 電離室區
 │ ／
 │復合區
 └────────────────────────────────────────→ 電壓 V

曲線示意圖；各區寬度與斜率會隨氣體、壓力、電極幾何及輻射種類而改變。

主要區域的輻射偵測特性

1. 復合區

電壓低，電場不足以快速收集離子。氣體中生成的部分電子與正離子在到達電極前復合，故收集電荷量隨電壓上升而增加。此區收集不完全，不適合作為穩定的偵測工作區。

2. 電離室區（飽和區）

電壓足以將初級電離所產生的電子與正離子幾乎全部收集，但尚未引發氣體倍增。再提高電壓，收集電荷量大致維持不變。

輸出電荷與初級電離量成正比，因此可用於量測輻射強度或劑量率。若入射粒子能量全部沉積於氣體中，脈衝大小也可反映能量沉積；但單一事件的訊號通常小於比例計數管與蓋革－穆勒計數管。

3. 比例區