115 關務特考三等 輻射安全技術工程(選試英文) 放射物理與輻射安全 考古題詳解

（一）迴旋加速器的基本構造、作用原理與輻射安全防護

核心觀念

迴旋加速器利用磁場使帶電粒子作圓周運動，並以交變電場在每次通過電極間隙時加速粒子。粒子能量逐步增加、軌道半徑逐步變大，最後由引出系統導出，轟擊靶材並經核反應製備放射性核種。

基本構造

1. 磁鐵與磁極：提供垂直於粒子運動平面的磁場，使帶電粒子彎曲運動。
2. 真空腔與 D 形電極（Dees）：D 形電極置於真空腔中，兩電極間留有加速間隙。
3. 高頻振盪器：在兩電極間提供高頻交變電壓，使粒子每次通過間隙時受到加速。
4. 離子源：通常設在加速器中心，提供質子、氘核或負氫離子等粒子。
5. 粒子引出系統：將達到所需能量的粒子束引出；常見方式包括靜電偏轉器，以及負氫離子經剝離箔去除電子後引出。
6. 靶室與靶材：粒子束轟擊靶材，透過核反應生成放射性核種。

作用原理與公式

帶電粒子在磁場中受到洛倫茲力作用，非相對論條件下，迴旋角頻率與週期為：

其中 $q$ 為粒子電荷量、$B$ 為磁場強度、$m$ 為粒子質量。當粒子每半圈到達兩個 D 形電極間的加速間隙時，交變電場的相位須配合粒子運動方向，使粒子持續加速。粒子動能增加後，圓軌道半徑也隨之增加：

因此，粒子在電極內部沿近似螺旋路徑向外運動；抵達外側後由引出系統導出，再轟擊靶材。實際設備若粒子能量已進入相對論範圍，粒子質量與速度的關係會使上述非相對論頻率條件偏離，須以設備設計的頻率調變或其他補償方式處理。

核反應可概括寫為：

例如以質子轟擊富集氧-18水，可利用 $^{18}\mathrm{O}(p,n){}^{18}\mathrm{F}$ 製備氟-18。

輻射安全防護

迴旋加速器運轉時，除了帶電粒子束外，靶反應也會產生中子與光子；中子可能使設備零件、靶室周邊及建築材料活化。靶材、管線與製備流程中也可能有高活度放射性物質，因此應從設施、作業及監測三方面防護。

• 屏蔽設計：加速器室以足夠厚度的屏蔽體降低外部劑量；中子屏蔽常利用含氫材料慢化，再以含硼材料吸收，並兼顧中子捕獲後產生的光子。牆體穿孔、管線及通風管道應避免形成直通輻射路徑。
• 門禁與連鎖：設置門禁、警示燈、聲響警示及安全連鎖，使人員進入或防護門異常開啟時，能禁止啟動或立即停止粒子束。啟動前應執行室內巡檢與清場程序。
• 個人防護與劑量監測：工作人員依作業風險佩戴個人劑量計；有中子曝露風險時應使用適當的中子劑量監測。進入管制區、靶室或進行維修前，應確認束流已停止，並以適當儀器測量劑量率。
• 殘留輻射與活化管理：束流停止後，設備仍可能因活化而有殘留輻射；維修、拆卸及靶件更換前，應評估活化情況、執行輻射測量並採取時間、距離、屏蔽措施。

核心觀念

閃爍計數器測得的是每分鐘計數率（$C$，單位 cpm），樣品的放射活度則以每分鐘蛻變數（$A$，單位 dpm）表示。偵測效率 $\varepsilon$ 定義為

加入已知活度的甲苯後，計數率增加量來自甲苯，可用來求出計數器效率；再以原樣品計數率除以效率，即可求樣品活度。

解題方法

加入甲苯體積為 $100\ \mu\mathrm{L}=0.100\ \mathrm{mL}$。甲苯的活度為

加入甲苯前後的計數率差為

以計數率增加量除以已知甲苯活度，求偵測效率：

（一）游離腔電子信號的表示方式

核心觀念

游離腔內的輻射使氣體分子游離，產生離子對。在外加電場作用下，正、負電荷向相反方向移動，形成可測量的電信號。信號的表示方式取決於讀出電路設計，常見的有：

• 電流模式：量測單位時間內收集到的電荷量，亦即游離電流 $I=dQ/dt$。適合連續或較高強度的輻射場。
• 電荷模式：量測一段時間內累積的總電荷 $Q$。在電荷積分電路中，電荷量與該段時間內產生的離子對數成正比。
• 脈衝模式：將每次輻射事件產生的電荷收集成一個脈衝，量測脈衝數或脈衝高度；脈衝高度與單次事件所產生的電荷量相關。

解題技巧

作答時可按「連續量測」與「逐事件量測」分類：連續讀出是電流或累積電荷；逐事件讀出是脈衝。不要把「電流」與「總電荷」混為一談，兩者分別對應 $dQ/dt$ 與 $Q$。

（二）利用 Bragg–Gray 原理求腔壁吸收劑量

核心觀念

Bragg–Gray 腔體原理以腔內氣體作為小型空腔，假設腔體不明顯擾動周圍介質中的帶電粒子場。由腔內氣體的吸收劑量，可透過介質與氣體的質量碰撞阻擋本領比，換算周圍介質的吸收劑量：

氣體吸收劑量由單位氣體質量所吸收的能量求得。每形成一對離子所需的平均能量記為 $W$；空氣常用 $W/e\approx 33.97\ \mathrm{J/C}$。

解題方法

題目給定 $10{,}000$ 個離子對，因此腔內空氣所吸收的能量為

（一）中子與物質的主要作用模式

核心觀念

中子不帶電，不能像帶電粒子一樣直接以庫侖力使原子游離；它主要與原子核作用。中子與物質作用後，常藉由反沖核、核反應產物或伴隨放出的 γ 射線，間接造成游離與能量沉積。

主要作用模式

1. 散射

• 彈性散射：中子與原子核碰撞，核反應前後仍是相同核種，動能在中子與反沖核之間分配。以氫核為例，質量與中子相近，單次碰撞可有效降低中子能量，因此含氫物質是快中子良好的減速材料。
• 非彈性散射：中子使原子核進入激發態，核種不變但核內能階改變；原子核通常會放出 γ 射線回到較低能態。此作用需有足夠的中子能量才能發生，常見於較高能中子。

2. 吸收與核反應

• 輻射捕獲：原子核吸收中子後形成複合核，並放出 γ 射線，例如 $^{1}\mathrm{H}(n,\gamma)^{2}\mathrm{H}$。
• 帶電粒子放出反應：中子引發反應並放出質子或 α 粒子，例如 $^{10}\mathrm{B}(n,\alpha)^{7}\mathrm{Li}$。帶電粒子在物質內迅速沉積能量。
• 裂變：某些重核吸收中子後發生裂變，產生裂變碎片、γ 射線及更多中子。
• 非彈性吸收反應：也可能發生 $(n,p)$、$(n,\alpha)$ 等反應，並伴隨核種轉變或活化。

中子作用的機率以微觀截面描述；在均勻介質中，宏觀截面為 $\Sigma=N\sigma$，其中 $N$ 為原子核數密度、$\sigma$ 為微觀截面。不同反應的截面隨中子能量及核種而異。

（二）中子輻射源的屏蔽及防護原理

核心觀念與解題方法

中子屏蔽須依序考慮「快中子減速、慢中子吸收、次級 γ 射線屏蔽」。只用高原子序材料擋中子並不充分，因中子不帶電，主要依靠核作用；而中子散射、捕獲又可能產生次級 γ 射線。因此需按源的中子能譜與反應產物，採用適當材料組合。

屏蔽原理與材料配置