113 關務特考三等 輻射安全技術工程(選試英文) 可發生游離輻射設備 考古題詳解

核心觀念

本題考查醫用質子束的產生與治療原理，以及質子在人體組織中的深度劑量分布。作答須說明：加速器如何產生並加速質子、質子如何在組織中沉積能量，以及布拉格尖峰如何使劑量集中於腫瘤深度。

質子帶正電，進入人體後主要透過與組織原子中的電子發生庫侖作用而逐漸損失動能。其質量遠大於電子，因此在組織中的散射方向改變相對較小，主要沿原入射方向前進。質子停止前的射程與初始能量相關；調整射束能量，就能控制其在組織中的穿透深度。

解題方法：從加速器到病人體內

醫用質子束通常由迴旋加速器（cyclotron）或同步加速器（synchrotron）產生。基本流程如下：

1. **產生質子：**以離子源提供氫離子，再將其送入加速器；若離子源產生的是負氫離子，經剝離電子後形成質子。
2. **加速質子：**利用加速電場提高質子的動能，並以磁場控制其運動軌跡，形成具有治療能量的質子束。
3. **傳輸與調整射束：**利用傳輸磁鐵與射束輸送系統將質子束導向治療室，並依腫瘤位置及深度設定能量與射束方向。迴旋加速器通常先產生固定或接近固定的高能量，再以能量選擇系統調整；同步加速器則可藉由改變加速條件提供不同能量。
4. **照射腫瘤：**質子進入病人體內後，前段緩慢沉積能量；接近射程終點時，單位路徑的能量損失增加，形成布拉格尖峰。藉由選擇合適能量，使尖峰落在腫瘤所在深度。

質子的能量沉積可用線性能量轉移（LET）或質量阻止本領描述。概念上，粒子每單位路徑的能量損失為：

當質子速度隨前進而降低時，其能量損失率通常上升，因此在停止前短距離內沉積較多能量；質子停下後，直接質子劑量迅速下降至近零。

布拉格尖峰與劑量特性

**布拉格尖峰（Bragg Peak）**是指單一能量、近似單能質子束沿深度方向照射時，在射程終點附近形成的狹窄高劑量峰。其深度劑量曲線具有以下特徵：

• **入口區：**質子尚有較高能量，沿途能量沉積較少，入口劑量相對低。
• **尖峰區：**質子接近射程終點、速度降低，能量沉積率上升，劑量在狹窄深度範圍達到最大。
• **遠端區：**超過質子射程後，直接質子劑量迅速下降；理想化曲線中可視為接近零。

核心觀念

本題考查輻射防護的基本原則，以及不同輻射因穿透能力、與物質作用方式不同，所需採取的屏蔽方式。

以命題當年（民國 113 年）法規為準，《游離輻射防護法》及《游離輻射防護安全標準》所依循的防護精神，可整理為：

1. 正當化：輻射作業應有足以抵銷其輻射危害的利益。
2. 最適化：在考量經濟與社會因素後，使個人劑量及受曝人數合理抑低，亦即符合 ALARA 原則。
3. 劑量限制：個人接受的劑量不得超過法規所定限度。

現場操作常以「時間、距離、屏蔽」降低外部曝露；若有放射性物質污染風險，還須防止吸入、食入或經傷口進入體內，並採取污染控制與適當個人防護。

解題方法

依序回答兩部分：先列出適用於各類輻射防護的共同原則，再依各種輻射的穿透力與主要危害，說明適合的屏蔽材料與防護方式。判斷關鍵是：

• 穿透力較弱的帶電粒子，通常容易以薄層材料阻擋，但要注意內部污染或皮膚、眼睛曝露。
• 穿透力強的光子，須使用足夠厚度及高密度材料。
• 中子不帶電，屏蔽時須先減速，再吸收；捕獲中子可能產生次級 γ 射線，還須再屏蔽。

輻射防護共同要點

1. 縮短曝露時間：劑量與曝露時間成正比，可預先演練作業步驟、減少停留時間。
2. 增加與輻射源的距離：對可視為點源的 γ 或 X 射線，在幾何條件適用時，強度近似遵循反平方定律： $I \propto \frac{1}{r^2}$ 距離增加為原來的兩倍，強度約降為四分之一。
3. 設置適當屏蔽：依輻射種類、能量與強度選擇材料及厚度；屏蔽外仍應以監測確認防護效果。
4. 防止放射性物質進入體內：以密閉、通風、表面去污、手套與呼吸防護等方式控制污染。一般衣物或防護衣可協助防止污染，不能取代高穿透性輻射所需的屏蔽。
5. 監測與管理：依作業風險實施個人劑量及作業環境監測，遵守安全作業程序與輻射防護計畫。

各類輻射的穿透特性與個別防護

核心觀念

本題考查三件事：輻射偵檢的分類、游離腔的基本構造與工作原理，以及游離腔量測不同能量光子時的設計差異。解題時可依「偵檢器如何產生訊號」分類，再說明游離腔如何收集電離電荷，最後從輻射穿透能力和腔壁影響比較低能量與高能量輻射的設計。

本題沒有指定特定法條，也沒有計算；核心是輻射偵測原理與儀器設計。

輻射偵檢方式

輻射偵檢可依訊號產生或讀取方式整理如下：

1. 氣體游離式偵檢 輻射進入氣體後造成游離，產生正、負電荷；外加電場使電荷移動，形成可測訊號。依外加電壓及作用區域，可分為游離腔、比例計數管與蓋革－穆勒計數管。游離腔主要收集初級游離電荷，不以氣體倍增為訊號來源，適合量測輻射劑量率或曝露率。

2. 閃爍式偵檢 輻射在閃爍體中沉積能量，產生光子，再由光電倍增管或光電元件轉換為電訊號。靈敏度高，常用於低強度輻射的偵測與能譜量測。

3. 半導體式偵檢 輻射在半導體中產生電子－電洞對，外加電場收集電荷形成訊號。體積可小，且能量解析能力佳，常用於光子能譜分析。

4. 底片與熱發光等被動式偵檢 底片受照後產生可顯影的黑化；熱發光劑量計受照後將能量儲存於陷阱，受熱時放出光訊號。這些方式通常先累積輻射效應，再於事後讀出，不是即時顯示。

游離腔偵檢儀的結構與原理

游離腔偵檢儀的基本組成包括：

• 腔體與腔壁：形成氣體腔室，腔壁讓輻射進入，也可能提供次級電子。
• 腔內氣體：常用空氣；輻射與氣體作用後產生正離子與電子。
• 收集電極與高壓電極：兩電極間施加電位差，建立電場，使正、負電荷朝相反方向移動並被收集。
• 絕緣體與訊號引線：支撐電極並避免漏電。
• 電流計或靜電計：量測極微弱的游離電流，再由刻度或電路顯示劑量率、曝露率等量。

在游離腔操作電壓範圍內，電場主要負責收集初級游離電荷，避免電荷大量復合；此區不發生顯著氣體倍增。收集電荷形成的電流與腔內游離量相關，因此可用來推估輻射場強度。

未密封、與外界連通的空氣游離腔，其氣體密度會隨氣壓與溫度改變，精確量測時須考慮溫度、氣壓修正；密封式游離腔則可減少此類環境影響。

高、低能量輻射的設計差異

此處的高、低能量主要指光子能量。設計重點在於讓光子能適當穿透腔壁，並使腔壁與腔內介質的能量吸收特性相配合。

核心觀念

手持式 X 光螢光光譜儀（handheld XRF）是以一次 X 射線激發樣品，再測量樣品放出的特徵 X 射線，據以判定元素種類與含量的能量散射式分析儀器。題目主要考查三部分：儀器如何產生及量測 X 射線螢光、如何由螢光能量辨識元素，以及如何避免操作人員遭受主射束或散射輻射照射。

市售手持式儀器通常以小型 X 光管作為激發源；部分便攜式 XRF 設計則可使用放射性同位素源。以下以常見的小型 X 光管式手持儀器說明。

組成元件與檢測系統

主要元件可分為激發、樣品定位、螢光偵測、訊號處理及安全輔助系統：

1. 激發源：小型 X 光管及高壓電源。電子經高電壓加速後撞擊陽極，產生連續制動輻射及陽極材料的特徵 X 射線。
2. 濾片與準直器：濾片調整一次 X 射線的能譜，準直器限制照射方向及光束範圍。
3. 測量窗口與樣品：儀器前端貼近樣品，讓一次 X 射線照射樣品；樣品原子受激後放出特徵 X 射線。
4. 偵檢器：常見為矽漂移偵檢器（SDD），將入射光子轉換成與光子能量相關的電訊號。
5. 前置放大器及多頻道分析器：放大並整形脈衝，再依脈衝高度（對應光子能量）分類、累積成能譜。
6. 微處理器、軟體及顯示器：辨識特徵峰、執行背景及基質修正，輸出元素種類與濃度。
7. 電源及控制系統：通常包含電池、觸發開關、狀態顯示及測量控制功能。

X 射線螢光的光譜分析原理

一次 X 射線光子能量若高於樣品原子內層電子的束縛能，可將內層電子游離，形成電子空缺。較外層電子躍遷填補空缺時，原子會放出能量等於兩能階差的特徵 X 射線：

例如 K 層空缺由 L 層電子填補，產生 $K_{\alpha}$ 線；由 M 層電子填補，產生 $K_{\beta}$ 線。不同元素的能階差具有特定值，因此可由螢光能譜的峰位辨識元素；峰的淨強度則在適當校正後用於估算元素含量。

手持式 XRF 多採能量散射式分析：偵檢器量測每個光子的能量，電子系統依能量分箱形成能譜。特徵峰的能量用來判定元素，峰強度用來估算濃度。定量時須考慮樣品組成造成的吸收、增強等基質效應，並以校正標準或儀器內建模型修正。

輻射防護方式

手持式 XRF 的主射束由儀器前端射出，操作時應採工程控制、正確操作及個人防護管理：

• 儀器安全功能：使用具備防誤觸觸發、失效安全設計、樣品接觸或距離感測、照射警示燈及聯鎖功能的儀器；不得拆除、短接或規避安全裝置。
• 束流控制：測量時使儀器前端緊貼樣品，讓主射束射向樣品；