核心觀念 本題考查《游離輻射防護法》第 29 條授權訂定之《放射性物質與可發生游離輻射設備及其輻射作業管理辦法》第 2 條法規名詞定義（本題解題依據以命題當年民國 111 年法規為準）。 主要考核之法定專有名詞與核心定義包含：

1. 櫃型（Cabinet Type）：防護結構之獨立性以及與建築物結構之區隔。
2. 改裝（Modification）：設施或設備變更且影響輻射安全之法定界定範疇。
3. 高強度輻射設施（High-Intensity Radiation Facility）：依粒子加速器之加速電壓（$\text{MV}$）、粒子能量（$\text{MeV}$）與密封放射性物質活度（$\text{TBq}$）所設立之高風險設施法定劃分門檻。

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解題方法 本題為標準關務特考三等輻射防護法規與技術之申論題，答題時應具備「法條精準度」與「結構化條列」：

1. 第一子題：直接引述法規對「櫃型」之文字定義，並以明確肯定之句式回答「非屬建築物之一部分」。
2. 第二子題：先說明「改裝」之總體核心定義（變更且影響輻射安全），再依法條規定分項條列出包含的三大具體情形。
3. 第三子題：針對「高強度輻射設施」，分別從「可發生游離輻射設備（粒子加速器）」之加速電壓值與粒子能量大小，以及「密封放射性物質」之活度大小給出精確數值門檻與單位。

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選項分析

(一) 何謂「櫃型」？是否為建築物的一部分？

1. 法定定義：依《放射性物質與可發生游離輻射設備及其輻射作業管理辦法》第 2 條第 4 款規定，所謂「櫃型」，指密封放射性物質或可發生游離輻射設備設置於具有適當屏蔽及安全連鎖裝置之結構內，且該結構非為建築物之一部分者。
2. 屬性判定：否，櫃型之結構具備獨立屏蔽與安全設備，非為建築物之一部分。

(二) 何謂「改裝」？包含哪些情形？

1. 法定定義：依同辦法第 2 條第 5 款規定，所謂「改裝」，指放射性物質、可發生游離輻射設備或其設施之變更，且影響輻射安全者。
2. 包含情形：具體包含下列三種情形之一：

• 放射性物質或可發生游離輻射設備之結構、組件或安全性能之變更，影響輻射安全者。
• 高強度輻射設施之屏蔽、安全連鎖或警報系統等之變更，影響輻射安全者。
• 使用之密封放射性物質活度增加至原許可活度以上或變更核種者。

核心觀念

本題旨在考驗考生對**熱發光劑量計（Thermoluminescent Dosimetry, TLD）**在人員劑量監測應用上的完整理解，涵蓋「微觀能態物理」與「巨觀劑量評估應用」。核心考點包含：

1. 固態能帶理論（Energy Band Theory of Solids）：電離輻射引發之價帶（Valence Band）電子激發、禁帶（Forbidden Band）中雜質陷阱（Traps）的載子捕捉，以及受熱激發與發光中心（Luminescence Center）復合釋放光子的機制。
2. TLD 人員劑量佩章之實務操作與特性：使用前/後退火處理（Annealing）、環境效應（光衰退與熱衰退 Fading）、佩戴規範，以及 TLD 相較於其他劑量計（如底片劑量計 Film Badge、膠體/膠片、OSLD）之優缺點比較。
3. 輝光曲線（Glow Curve）之物理本質與劑量學意義：光輸出強度與溫度/時間的函數關係、陷阱深度（Trap Energy Depth）分佈、主劑量峰（Dosimetric Peak）區域積分與吸收劑量（Absorbed Dose）之比例關係，以及品管（Quality Control, QC）應用。

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解題方法

申論題答題應結構嚴謹、條理分明，並輔以物理機制與專業術語說明。本題兩大小題切入點如下：

1. 第一小題（15 分）：

• 作用原理：依「照射階段（吸收與捕捉）」與「測讀階段（加熱與發光）」兩階段分點敘述能帶過程。
• 注意事項：從「避光防潮（衰退控制）」、「退火程序」、「佩戴位置與方式」、「校正與背景扣除」四大實務面答題。
• 優缺點：分別標題列舉優點（如組織等效性高、靈敏度高、可重複使用）與缺點（如訊號破壞性讀出、無即時警報、需複雜校正）。

2. 第二小題（10 分）：

• 關係函數：明確說明輝光曲線的橫軸與縱軸變數（熱發光光輸出強度 $I$ 與加熱溫度 $T$ 或時間 $t$ 之關係函數 $I(T)$ 或 $I(t)$）。
• 物理意義：從「電子陷阱深度與能階分佈」、「累積吸收劑量評估（積分面積）」及「測讀品質管制與偽訊號判別」三個物理層面深入闡述。

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擬答配分與架構分析

小題	評分重點 / 答題核心	配分建議
(一) 原理與實務	1. 能帶理論物理機制（價帶、導帶、陷阱、復合發光）<br>2. 使用與維護注意事項（退火、衰退、佩戴、背景）<br>3. 優缺點比較（組織等效、破壞性讀出等）	5 分<br>5 分<br>5 分
(二) 輝光曲線分析	1. 函數定義（光輸出強度 vs 溫度/時間）<br>2. 物理意義（陷阱深度、劑量積分面積、品管 QC）	3 分<br>7 分

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解題技巧與高分關鍵

1. 機制繪圖化／文字精確化：說明物理原理時，精確使用「價帶」、「導帶」、「禁帶陷阱（Traps）」、「發光中心（Luminescence Center）」等關鍵字，可大幅提高專業度。
2. 比較法展現深度：在說明優缺點時，若能將 TLD 與「底片佩章（Film Badge）」或「光激發發光劑量計（OSLD）」進行比較（例如：TLD 測讀後訊號被抹除，具破壞性；而 OSLD 可重複測讀），能向閱卷老師展示全盤觀念。
3. Glow Curve 物理量釐清：輝光曲線的橫軸可為溫度或時間（在恆定加熱速率下兩者等價），縱軸為光強度（PMT 陽極電流或計數）。明確強調「主峰（Dosimetric Peak）」與「低溫/高溫峰」的差別，是拿滿 10 分的關鍵。

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【答案】

民國 111 年關務特考三等（輻射安全技術工程）《密封放射性物質》第二題擬答

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(一) 熱發光劑量計（TLD）之基本作用原理、使用注意事項及優缺點

1. 基本作用原理

熱發光劑量計（Thermoluminescent Dosimetry, TLD）之發光機制基於固體能帶理論（Energy Band Theory），可分為「輻射照射吸收」與「加熱測讀發光」兩個階段：

• 照射吸收階段（能量儲存）： 當 TLD 晶體（如 $\text{LiF:Mg,Ti}$）受到電離輻射照射時，輻射能量將價帶（Valence Band）中的電子激發躍遷至導帶（Conduction Band），同時在價帶留下電洞。導帶中的自由電子與價帶中的電洞在晶體中移動時，部分載子會被晶體內部缺陷或摻雜雜質於禁帶（Forbidden Band）中所形成的亞穩態「電子陷阱（Electron Traps）」與「電洞陷阱」所捕捉。在室溫下，被足夠深的陷阱捕捉之載子可長期停留，將輻射能量以亞穩態形式儲存於晶體中。
• 加熱測讀階段（能量釋放與發光）： 測讀時，將晶體放在測讀儀中依設定之加熱程序（Temperature Ramp）受熱。吸收熱能後，受捕捉的電子獲得足夠動能從陷阱中逃逸重新躍遷回導帶，隨後與電洞復合或轉移至「發光中心（Luminescence Center）」。當電子從激發態退激落回基態時，會將先前儲存的能量以可見光光子（波長約在 400 nm 左右）形式釋放。光電倍增管（Photomultiplier Tube, PMT）收集此熱發光訊號並轉換為電訊號，其總發光量與晶體吸收之電離輻射劑量成正比。

2. 使用時應注意事項

• 退火處理（Annealing）： 佩戴前與測讀後必須執行嚴格的熱退火程序（例如：高溫退火 $400^\circ\text{C}$ 保持 1 小時以消滅殘留熱發光訊號並恢復晶格缺陷狀態；低溫退火 $100^\circ\text{C}$ 保持 2 小時以消除微弱且不穩定的低溫陷阱），以確保靈敏度一致性與背景歸零。
• 環境防護（防潮與避光）： TLD 佩章應防止高溫、高濕及強烈紫外線（UV）或陽光照射，避免引發「熱衰退（Thermal Fading）」與「光致褪光（Photofading）」，導致儲存的劑量訊息流失；亦需防止摩擦產生的摩擦發光（Triboluminescence）及化學發光干擾。
• 佩戴位置與規範：

核心觀念

本題考驗**無機閃爍偵檢器（NaI(Tl)）**對單能階 $\gamma$ 射源（$^{99m}\mathrm{Tc}$，全能峰能量 $E_\gamma = 140\text{ keV}$）進行能譜分析時之作用機制與能譜特徵。涉及之核心觀念與公式包括：

1. 康普吞散射機制（Compton Scattering）：

• 能量守恆與動量守恆推導出之散射光子能量公式： $E' = \frac{E_\gamma}{1 + \frac{E_\gamma}{m_e c^2}(1 - \cos\theta)}$ 其中 $m_e c^2 \approx 511\text{ keV}$ 為電子靜止能量，$\theta$ 為光子散射角。
• 反衝電子動能（即沉積於晶體內之能量）： $E_e = E_\gamma - E'$

2. 邊界逃逸效應（Escape Peak Effect）：

• 光電效應發生於晶體邊緣時，次級放射線（如特性 X 射線）逃離晶體未被沉積，形成逃逸峰 $E_{\text{escape}} = E_\gamma - E_{\text{characteristic}}$。

3. 周圍屏蔽之二次輻射（Shielding Interactions）：

• 射源光子與外部鉛 shielding 作用產生之鉛特性 X 射線進入晶體形成之能峰。

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解題方法與分析

(一) 康普吞能峰 Compton peak / 康普吞邊緣 Compton edge 之定義

• 解題分析： 光子在 NaI(Tl) 晶體內發生單次康普吞散射時，轉移給反衝電子的能量隨著散射角 $\theta$ 而異。當散射角 $\theta = 180^\circ$（極端反彈/Backscattering）時，光子轉移給電子的能量達到理論最大值。 反衝電子在晶體內完全沉積其能量，使能譜在該最大動能處呈現一個陡峭下降的邊緣，稱為康普吞邊緣（Compton edge）。在無機閃爍偵檢器（如 NaI(Tl)）中，由於系統能量解析度有限及展寬效應（Gaussian broadening），該邊緣附近常形成一個凸起區段，亦被稱為康普吞能峰（Compton peak）。

(二) 康普吞高原 Compton plateau 之定義

• 解題分析： 散射角 $\theta$ 在物理上為連續變化（介於 $0^\circ$ 至 $180^\circ$ 之間）。因此，反衝電子所獲得的動能 $E_e$ 也呈連續分佈，能量範圍從 $0$（$\theta = 0^\circ$ 前向散射）連續延伸至 $E_c$（$\theta = 180^\circ$ 後向散射）。 這段由 $0\text{ keV}$ 連續延伸至康普吞邊緣、呈現相對平坦的連續能譜區區段，即稱為康普吞高原（Compton plateau）。

(三) $^{99m}\mathrm{Tc}$ 之 Compton edge 能量計算

• 關鍵推導與步驟：

1. 帶入康普吞散射極限條件：當 $\theta = 180^\circ$ 時，$\cos 180^\circ = -1$，散射後光子能量 $E'$ 為最小： $E' = \frac{E_\gamma}{1 + \frac{2E_\gamma}{m_e c^2}}$
2. 康普吞邊緣能量 $E_c$ 為反衝電子的最大動能： $E_c = E_\gamma - E' = E_\gamma \left( 1 - \frac{1}{1 + \frac{2E_\gamma}{m_e c^2}} \right) = \frac{E_\gamma}{\frac{m_e c^2}{2E_\gamma} + 1} = \frac{2 E_\gamma^2}{m_e c^2 + 2E_\gamma}$
3. 代入數值：已知 $E_\gamma = 140\text{ keV}$，電子靜態質量能量 $m_e c^2 = 511\text{ keV}$。 $E_c = \frac{2 \times (140)^2}{511 + 2 \times 140} = \frac{2 \times 19600}{511 + 280} = \frac{39200}{791} \approx 49.56\text{ keV}$

(四) 碘逃逸能峰 Iodine escape peak 之成因與能量

• 發生原因： 入射 $140\text{ keV}$ 光子與 NaI(Tl) 晶體中的碘原子（Iodine, $Z=53$）發生光電效應時，會打出碘原子的 K 殼層電子。

核心觀念

本題區分兩類放射性射源：

1. 密封射源：放射性物質封裝於密閉、耐久之外殼內，使用時不使核種進入環境。其應用重點是量測射線通過物質後的吸收、穿透、散射或反向散射變化。
2. 非密封射源：放射性物質可分散、溶解或進入待測系統中，利用核種隨物質流動、混合、沉積或代謝的特性，追蹤其在系統中的分布與變化，亦即放射示蹤技術。

常用的射線衰減關係為：

$$I=I_0e^{-\mu x}$$

其中 $I_0$ 為入射強度、$I$ 為穿透後強度、$\mu$ 為線性衰減係數、$x$ 為物質厚度。若以質量厚度表示，則可寫為：

$$I=I_0e^{-(\mu/\rho)\rho x}$$

因此，射線強度的變化可反推出厚度、密度、液位或材料組成等物理量。

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（一）密封放射性同位素之主要用途及應用

解題方法

答題時以「量測對象」分類最清楚，至少寫出三類，並對每類交代：

• 使用何種射線及其特性；
• 射線與物質的作用方式；
• 偵測器量到的物理量；
• 如何換算成實際製程參數；
• 適用的代表性核種。

1. 厚度、面密度與鍍層厚度量測

應用原理

將密封射源置於材料一側，偵測器置於另一側，利用射線穿透材料後的強度衰減量測厚度。

對均勻材料而言：

$$x=-\frac{1}{\mu}\ln\left(\frac{I}{I_0}\right)$$

材料越厚，穿透射線強度越低；材料越薄，穿透射線強度越高。實際儀器通常先以標準試片建立「射線強度—厚度」校正曲線，再進行連續製程控制。

典型應用

• 鋼板、鋁板、橡膠片、塑膠薄膜、紙張及玻璃厚度控制；
• 電鍍層、塗膜及鍍鋅層厚度量測；
• 造紙、軋鋼、塑膠薄膜生產線之線上厚度控制。

代表性核種

• $^{137}\mathrm{Cs}$、$^{60}\mathrm{Co}$：適合較厚或密度較高材料的穿透量測；
• $^{147}\mathrm{Pm}$：低能量 $\beta$ 射線，適合紙張、薄膜等薄材料；
• $^{85}\mathrm{Kr}$：亦可用於薄膜或薄片厚度量測。

補充說明

厚度量測的關鍵不是單純比較放射性強弱，而是比較射線通過材料前後的相對強度。材料密度、組成及表面狀態也會影響結果，因此必須維持校正條件。

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2. 液位、界面與容器內物料位置量測

應用原理

將射源與偵測器安裝於槽體兩側，利用液體或粉粒體對射線的吸收差異判斷液位。

當液面低於量測位置時，射線主要通過氣體空間；當液面高於量測位置時，射線須通過液體或固體物料，偵測強度因而降低。

液位控制可採取：

• 固定點式量測：判斷液位是否到達某一高度；
• 連續式量測：沿槽體垂直方向掃描或配置多組偵測點，推算液位高度；
• 界面量測：判斷兩種密度不同之液體的分界面。

典型應用

• 高溫、高壓、腐蝕性或密閉槽體之液位控制；
• 熔融金屬、化學液體、石油產品之液位量測；
• 水泥、礦砂、煤粉等粉粒體料位量測；
• 不適合使用浮球、壓力計或接觸式探頭之製程。

代表性核種

• $^{137}\mathrm{Cs}$：常用於一般工業液位與料位量測；
• $^{60}\mathrm{Co}$：穿透力較強，適合較厚槽壁或高密度物料；
• $^{192}\mathrm{Ir}$：可用於特定幾何條件之工業量測。

答題重點

此類儀器通常不必穿透整個槽體判斷完整液面，也可在液位上、下方設置固定式射源與偵測器，藉由「有物料」與「無物料」的強度差異完成控制。

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3. 密度、濕度與組成分析

（1）密度量測

密封射源發出 $\gamma$ 射線穿過待測物，材料密度越大，衰減越強。若材料厚度固定，穿透強度可反映密度：

$$I=I_0e^{-\mu_m\rho x}$$

其中 $\mu_m=\mu/\rho$ 為質量衰減係數，$\rho$ 為材料密度。

典型應用

• 混凝土、瀝青及土壤密度量測；
• 礦石、煤炭及礦漿濃度分析；
• 管線中液體或懸浮液濃度控制；
• 路基及道路工程現場密度檢測。

代表性核種

• $^{137}\mathrm{Cs}$：常作為密度量測之 $\gamma$ 射源；
• $^{60}\mathrm{Co}$：用於較厚或較高密度材料。

（2）濕度量測

以中子射源照射材料，氫原子對快中子具有良好的減速作用。材料中的水分越多，氫含量通常越高，熱中子數量及其被偵測的強度會隨之變化，因此可反推出含水量。

典型應用

• 土壤含水量及路基施工品質控制；
• 混凝土、砂石及建材濕度量測；
• 穀物、木材及粉體物料含水率控制。

代表性核種

• $^{252}\mathrm{Cf}$：可作為中子射源，適合中子濕度及密度量測；
• 某些中子儀器亦會搭配 $\gamma$ 射源進行密度與濕度的雙重量測。

（3）散射式量測

射線與物質作用後會產生康普頓散射、光電效應或中子散射。偵測散射射線的數量或能譜，可分析物質密度、厚度、表面塗層及組成。

例如，背向散射式厚度計不必將偵測器置於材料背面，而是量測射線由材料表面及內部散射回來的強度，適合大型物體或只能接觸單側的製程。

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4. 非破壞檢測與工業射線照相

應用原理

利用高穿透力 $\gamma$ 射線通過工件。工件內部若有裂縫、氣孔、夾渣、未熔合或厚度不均，局部吸收量不同，會在底片或數位偵測器上形成影像差異。

典型應用

• 壓力容器、鍋爐及管線焊道檢查；
• 鑄件、鍛件及金屬結構之內部缺陷檢查；
• 航空、船舶及石化設備之非破壞檢測；
• 無法拆解或不宜破壞取樣的大型設備檢查。

代表性核種