115 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

本題考查不同能量 X 光在物質中的交互作用，以及交互作用的能量與原子序依賴性如何影響穿透能力和影像對比。

光子束穿過物質時，強度依 Beer–Lambert 定律衰減：

其中 $I_0$、$I$ 分別為入射與穿透光子強度，$\mu$ 為線性衰減係數，$x$ 為物質厚度。質量衰減係數 $\mu/\rho$ 可視為光電效應、康普頓散射與成對產生等貢獻的總和。

解題方法

依序比較各交互作用的能量範圍及原子序依賴性，再推論物體間衰減差異如何形成影像對比，最後從穿透、對比與劑量說明設備用途。

（一）MeV 與 keV X 光的主要交互作用差異

**光電效應：**光子將全部能量交給束縛電子，電子逸出後形成光電子。其發生機率在低能區較高，並強烈依賴原子序；近似可寫為 $\tau\propto Z^n/E^3$，其中 $n$ 約為 3 至 4，實際指數會隨能量與吸收邊而變。故臨床診斷常見的 keV 能區，尤其在高原子序材料中，光電效應能造成顯著衰減差異。

**康普頓散射：**光子與近似自由電子碰撞，將部分能量傳給反沖電子，並以較低能量、不同方向繼續傳播。其機率主要隨電子密度而變，對原子序的依賴較弱；在診斷 X 光的中高能區及 MeV 能區，通常是重要交互作用。散射光子若進入偵測器，會形成影像霧化並降低對比。

**成對產生：**光子在原子核庫侖場中轉變為電子與正電子，必須滿足至少 $1.022\ \text{MeV}$ 的能量閾值。能量高於閾值後，此作用的重要性隨光子能量及原子核電荷增加而上升；正電子最後與電子湮滅，通常產生兩個 $511\ \text{keV}$ 光子。一般診斷 keV X 光低於閾值，不能發生成對產生；MeV 貨櫃掃描系統則可能涉及此作用，但其相對重要性仍取決於光子能譜及材料。

**整體比較：**keV 能區常由光電效應（低能端、高 $Z$ 材料尤其明顯）與康普頓散射共同主導；MeV 能區主要由康普頓散射主導，能量更高時成對產生的貢獻增加。各機制的占比會隨光子能量、材料原子序與密度而改變。

（二）交互作用差異對影像對比的影響

影像對比取決於不同物質的衰減係數差異。對相同厚度的兩種材料，穿透強度分別為 $I_1=I_0e^{-\mu_1x}$、$I_2=I_0e^{-\mu_2x}$；$\mu_1$ 與 $\mu_2$ 差距越大，偵測到的強度差異通常越明顯，影像對比也越高。

核心觀念

本題考查帶電粒子與光子在物質中的能量沉積方式，以及兩者造成的治療劑量分布和屏蔽需求差異。

質子是帶電重粒子，主要透過庫侖作用與介質中的原子電子交互作用，沿途逐漸損失能量；光子則是不帶電的間接游離輻射，透過光電效應、康普頓散射及成對產生等作用，將能量傳給次級電子，再由次級電子造成游離與激發。

屏蔽設計的關鍵，是分清楚兩類問題：治療束流本身在人體內的劑量分布，以及設備與束流在治療室內產生的次級輻射。質子治療的治療束為質子，但其設備與束流可能產生次級中子及伽馬射線；光子治療則須考量主光子束、散射光子，以及高能機種可能產生的光中子。

解題方法

作答可依序比較三層：先說明能量損失機制與深度劑量特性，再連結腫瘤及正常組織劑量，最後由治療室內的輻射來源推導屏蔽和迷宮設計。屏蔽不能只由治療束名稱判斷，還要考慮設備種類、最大束流能量、束流損失位置、使用量、幾何配置及屏蔽外的占用情形。

（一）質子與光子的能量沉積差異（10 分）

1. 質子：stopping power、LET 與 Bragg peak

質子帶正電，在介質中主要藉由與電子的庫侖交互作用產生游離及激發，並逐步損失動能。單位路徑長的平均能量損失稱為線性阻止本領（stopping power），可寫為

其中 $E$ 為質子能量，$x$ 為其在介質中的行進距離。質子接近停止時速度降低，單位路徑的能量損失通常增加，因此在射程末端形成明顯的劑量高峰，稱為布拉格峰（Bragg peak）；峰後質子迅速停止，劑量陡降。質子射程主要受其初始能量及通過物質的厚度影響。

LET（linear energy transfer，線性能量轉移）描述帶電粒子每單位路徑長在局部介質中轉移的能量，常用單位為 keV/μm。它與 stopping power 有關，但定義並非在所有情況下完全相同，因為 LET 對能否計入離開局部的次級電子能量有特定慣例。一般而言，質子在接近射程末端時 LET 上升，游離分布更為集中。

臨床治療時，腫瘤通常具有一定厚度，須把不同射程的質子束疊加，形成展寬布拉格峰（spread-out Bragg peak, SOBP），以在腫瘤深度範圍內提供所需劑量。

2. 光子：穿透與指數衰減

光子不帶電，不會像質子那樣沿一條路徑連續沉積能量，而是以一定機率在物質中發生交互作用。未交互作用的光子通量常以指數衰減近似表示：

其中 $I_0$ 為入射光子強度，$\mu$ 為線性衰減係數，$x$ 為穿透厚度。光子在人體內可穿透至較深處，並在路徑上持續產生次級電子及沉積劑量；即使光子束穿出腫瘤，仍會在腫瘤後方正常組織造成出口劑量。臨床光子束的實際深度劑量分布亦受表面建成區、能量、照野及散射等因素影響，不能單以光子通量衰減公式等同於完整的吸收劑量曲線。

（二）對治療劑量分布及正常組織保護的影響（5 分）

質子束可藉由設定射程，使主要高劑量區落在腫瘤深度，並在射程末端快速降劑量，因此能減少部分腫瘤後方正常組織的出口劑量。對鄰近重要器官、且腫瘤後方有需保護組織的情境，這種劑量分布特性可能具有臨床優勢。

核心觀念

本題考查三種不同的輻射監測目的：

1. 游離腔：測量輻射場造成的游離電荷，常用於劑量率及輻射束劑量測量。
2. 體外劑量監測：量測工作人員身上佩戴的個人劑量計，用來評估外來輻射曝露。
3. 體內劑量監測：直接測量體內核種，或分析體液、排泄物中的放射性，評估核種攝入及內照射劑量。
4. 表面污染監測：找出工作場所或物品表面的放射性物質，降低污染擴散及人員攝入的風險。

解題方法

依各小題的關鍵詞配對監測對象與方法：游離腔說明「氣體游離、電荷收集」及兩種醫療用途；體外、體內各舉一種代表性方法，說明測量對象與用途；表面污染監測則回答其防止污染擴散及內照射的目的。

（一）游離腔的偵測原理與應用

偵測原理

游離腔內充有氣體，通常設有兩個電極並施加電壓。輻射進入腔體後，會使氣體分子游離，產生正離子與電子；兩者在電場作用下分別移向陰、陽電極，形成可測量的電荷或電流。

在適當的工作電壓下，收集到的電荷量或電流與腔內氣體所受的游離量相關，因此可用來推估輻射場的劑量或劑量率。若以電流模式測量，電流可表示單位時間內收集的電荷：

游離腔通常具有良好的劑量率測量能力，且在適當校正與使用條件下，可用於定量劑量測量。

在醫療輻射監測中的兩種應用

1. 輻射防護巡測：以游離腔式輻射巡測儀測量診斷 X 光室、直線加速器治療室周圍的輻射劑量率，例如屏蔽牆外、控制區邊界或設備周邊的漏射線與散射線。測量結果可用來評估工作場所輻射場及屏蔽防護狀況。

2. 醫療輻射束劑量測量與校正：以游離腔及電荷計量測 X 光機或直線加速器的輻射輸出，例如在參考幾何條件下測量空氣克馬或吸收劑量，作為治療束輸出校正及品質管制的依據。

（二）體外與體內劑量監測

體外監測：個人熱發光劑量計（TLD）

**基本原理：**TLD 晶體受輻射照射後，電子會被捕捉在材料內的陷阱位置。讀取時加熱晶體，受捕捉的電子釋放並重新結合，放出光。測量發光量，經校正後可推估個人所受劑量。

核心觀念

本題考查核子反應爐的基本原理、主要系統功能，以及反應爐輻射防護與安全管理的必要性。作答時掌握三個層次：核裂變如何釋放能量與中子、反應爐如何維持並控制連鎖反應、以及放射性物質如何形成長期輻射危害。

解題方法

（一）主要核反應與基本過程

反應爐產生能量與輻射的主要核反應是核裂變。以鈾-235 吸收一個中子後發生裂變為例，可寫成：

鈾-235 吸收中子後，形成激發態的鈾-236 複合核，接著分裂成兩個較輕的裂變產物，並釋出數個中子與能量。裂變產物的組合並非固定，上式是符合質量數與電荷數守恆的典型例子。

裂變釋出的中子可再被其他鈾-235 原子核吸收，引發新的裂變，形成連鎖反應。反應爐藉由控制中子數量來維持所需的反應程度。裂變能量主要以裂變碎片的動能等形式釋出，經燃料與冷卻系統傳遞後可用於發電；反應同時伴隨中子、伽馬射線及放射性裂變產物。

（二）四個主要模組或系統及功能

1. 核燃料系統 燃料含有可裂變核種，例如鈾-235。燃料在其中進行裂變，釋出熱能、中子及裂變產物。

2. 中子慢化與反應度控制系統 慢化劑使快中子減速，以提高特定反應爐中子被燃料吸收並引發裂變的機會。控制棒含有吸收中子的材料，可插入或抽出以調節反應度；緊急停爐時可快速插入，使連鎖反應受到抑制。

3. 冷卻與熱傳輸系統 冷卻劑帶走燃料產生的熱，將熱量傳至蒸汽產生或其他能量轉換設備。此系統也須在停爐後移除衰變熱，避免燃料過熱。

4. 屏蔽與圍阻系統 屏蔽材料降低中子與伽馬射線對人員及周遭環境的照射。圍阻結構則用來限制放射性物質外逸，並降低事故時污染擴散的風險。

（三）輻射防護與安全管理嚴格的原因