112 高普考高考三級 輻射安全 輻射應用及其防護 考古題詳解

核心觀念

本題評量光子（$\gamma$ 射線）與物質作用的指數衰減規律、微觀原子衰減截面與宏觀衰減係數的轉換，以及複合材料（合金）的加成計算法則。涉及的核心物理觀念與公式如下：

1. 原子衰減係數與質量衰減係數的關係： 原子衰減係數（微觀截面）$\sigma_{\mathrm{a}}$（單位：$\mathrm{cm^2/atom}$）與質量衰減係數 $\frac{\mu}{\rho}$（單位：$\mathrm{cm^2/g}$）之換算關係為： $\frac{\mu}{\rho} = \frac{N_{\mathrm{A}}}{A} \cdot \sigma_{\mathrm{a}}$ 其中 $N_{\mathrm{A}}$ 為亞佛加厥常數（取 $6.022 \times 10^{23}\ \mathrm{atoms/mol}$），$A$ 為元素的原子量（$\mathrm{g/mol}$）。

2. 混合物（合金）的混成法則（Bragg Additivity Rule）： 混合物或合金的質量衰減係數為各組成元素質量衰減係數依其重量分率（$w_i$）加權總和： $\left(\frac{\mu}{\rho}\right)_{\mathrm{alloy}} = \sum_{i} w_i \left(\frac{\mu}{\rho}\right)_i = w_{\mathrm{Cu}}\left(\frac{\mu}{\rho}\right)_{\mathrm{Cu}} + w_{\mathrm{Al}}\left(\frac{\mu}{\rho}\right)_{\mathrm{Al}}$ 再由合金之密度 $\rho_{\mathrm{alloy}}$ 求得直線衰減係數： $\mu_{\mathrm{alloy}} = \rho_{\mathrm{alloy}} \cdot \left(\frac{\mu}{\rho}\right)_{\mathrm{alloy}}$

3. 平均自由行程（Mean Free Path, MFP）： 光子在物質中未發生任何交互作用前平均穿行的距離，定義為直線衰減係數的倒數： $\text{MFP} = \lambda = \frac{1}{\mu}$

4. 狹束衰減與十分之一值層（Tenth-Value Layer, TVL）： 在不考慮增建因素（窄射束條件）下，光子穿透厚度 $x$ 的強度變化遵循比爾—朗伯定律（Beer-Lambert Law）： $I = I_0 \mathrm{e}^{-\mu x}$ 當射線強度衰減至原來的 $\frac{1}{10}$（即 $I = 0.1 I_0$）時，所需之屏蔽厚度即為十分之一值層（$\text{TVL}$）： $\text{TVL} = \frac{\ln 10}{\mu} \approx \frac{2.3026}{\mu}$

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解題方法

(一) 求 $0.4\ \mathrm{MeV}$ 的 $\gamma$ 射線經過此合金的直線衰減係數 $\mu$（$\mathrm{cm^{-1}}$）

步驟 1：計算銅（Cu）與鋁（Al）之質量衰減係數

• 銅（Cu）： $\left(\frac{\mu}{\rho}\right)_{\mathrm{Cu}} = \frac{N_{\mathrm{A}}}{A_{\mathrm{Cu}}} \cdot \sigma_{\mathrm{Cu}} = \frac{6.022 \times 10^{23}\ \mathrm{atoms/mol}}{63.57\ \mathrm{g/mol}} \times 9.91 \times 10^{-24}\ \mathrm{cm^2/atom} \approx 0.09388\ \mathrm{cm^2/g}$

• 鋁（Al）： $\left(\frac{\mu}{\rho}\right)_{\mathrm{Al}} = \frac{N_{\mathrm{A}}}{A_{\mathrm{Al}}} \cdot \sigma_{\mathrm{Al}} = \frac{6.022 \times 10^{23}\ \mathrm{atoms/mol}}{26.98\ \mathrm{g/mol}} \times 4.45 \times 10^{-24}\ \mathrm{cm^2/atom} \approx 0.09933\ \mathrm{cm^2/g}$

步驟 2：利用重量百分比求合金之質量衰減係數 已知 $w_{\mathrm{Cu}} = 0.80$，$w_{\mathrm{Al}} = 0.20$： $\left(\frac{\mu}{\rho}\right)_{\mathrm{alloy}} = 0.80 \times 0.09388 + 0.20 \times 0.09933 = 0.07510 + 0.01987 = 0.09497\ \mathrm{cm^2/g}$

步驟 3：計算合金之直線衰減係數 已知合金密度 $\rho = 7.6\ \mathrm{g/cm^3}$：

核心觀念

1. 核反應器產製放射性同位素之機制： 核反應器主要提供高通量的熱中子（Thermal neutrons）以及部分的快中子（Fast neutrons）。利用中子與物質的相互作用製備同位素，主要途徑包括：

• 輻射捕獲反應：$(n, \gamma)$ 反應。
• 帶電粒子發射反應：$(n, p)$ 或 $(n, \alpha)$ 反應。
• 中子誘發核分裂反應：$(n, f)$ 反應。
• 二次衰變途徑：$(n, \gamma)$ 反應後經 $\beta^-$ 衰變產製異元素核種。

2. 同位素活化產率推導： 產製過程包含「中子活化產生」與「自身放射性衰變」兩個同時進行的競爭速率過程，其微分方程式為： $\frac{dN}{dt} = \text{生成速率} - \text{衰變速率} = N_T \sigma \phi - \lambda N$ 解此一階線性常微分方程可得活度與照射時間、通量率、反應截面之關係式（飽和活度公式）。

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解題方法

(一) 核反應器製備放射性同位素之三種主要反應方式與實例

核反應器製備放射性同位素的三種主要途徑如下：

1. 輻射捕獲反應（Radiative Capture, $(n, \gamma)$ 反應）

• 反應原理：靶核吸收一個熱中子，釋出即發伽馬射線（prompt $\gamma$），形成質量數增加 $1$ 的同位素： $^A_Z X + n \rightarrow {}^{A+1}_Z X + \gamma$
• 特性：產物與靶核屬於同一化學元素，無法以化學分離法純化，產物通常帶有載體（Carrier-added），比活度（Specific Activity）較低。
• 代表核種實例：
• 工業射線照相與遠隔治療源：$^{59}\text{Co}(n, \gamma)^{60}\text{Co}$
• 放射治療與近接治療源：$^{191}\text{Ir}(n, \gamma)^{192}\text{Ir}$
• 核醫造影核種母核：$^{98}\text{Mo}(n, \gamma)^{99}\text{Mo}$

2. 中子誘發帶電粒子反應（$(n, p)$ 或 $(n, \alpha)$ 反應）

• 反應原理：靶核吸收中子後發射帶電粒子（質子 $p$ 或阿伐粒子 $\alpha$），原子序發生改變（$Z \rightarrow Z-1$ 或 $Z \rightarrow Z-2$）： $^A_Z X + n \rightarrow {}^A_{Z-1} Y + p \quad \text{或} \quad ^A_Z X + n \rightarrow {}^{A-3}_{Z-2} Y + \alpha$
• 特性：產物與靶核為不同元素，可利用沉澱、離子交換或溶劑萃取等化學方法分離，獲得**無載體（Carrier-Free / No-Carrier-Added, NCA）**的高比活度放射性同位素。
• 代表核種實例：
• 生物醫學追蹤劑：$^{14}\text{N}(n, p)^{14}\text{C}$（熱中子反應）
• 生物標誌核種：$^{35}\text{Cl}(n, p)^{35}\text{S}$（熱中子反應）
• 骨轉移治療核種：$^{32}\text{S}(n, p)^{32}\text{P}$（快中子反應）
• 聚變反應原料與發光劑：$^{6}\text{Li}(n, \alpha)^{3}\text{H}$（熱中子反應）

3. 中子誘發核分裂反應（Fission, $(n, f)$ 反應）

• 反應原理：可裂變重核（如 $^{235}\text{U}$）吸收熱中子後發生分裂，產生一對中等質量的核分裂產物（Fission Fragments）並伴隨釋放 $2\sim 3$ 個中子： $^{235}_{92}\text{U} + n \rightarrow \text{F.P.}_1 + \text{F.P.}_2 + \nu n + Q$
• 特性：核分裂產物種類豐富且與鈾靶材料化學性質完全不同，經後處理化學分離可萃取得到極高純度與無載體之高比活度核種，為醫療用放射性核種最重要的工業級產製方式。
• 代表核種實例：
• 醫用 $^{99m}\text{Tc}$ 之母核：$^{235}\text{U}(n, f) \rightarrow {}^{99}\text{Mo}$
• 甲狀腺診斷與治療：$^{235}\text{U}(n, f) \rightarrow {}^{131}\text{I}$
• 肺通氣功能造影：$^{235}\text{U}(n, f) \rightarrow {}^{133}\text{Xe}$

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(二) 核反應產生放射性同位素之產率計算

放射性同位素在反應器中產製時，生成速率取決於中子通量與靶核截面，同時生成的放射性核種自身亦隨時間指數衰變。其推導步驟與產率公式如下：

1. 參數定義：

• $N(t)$：照射時間 $t$ 時所積累的放射性核種原子數
• $N_T$：靶核原子總數，計算公式為 $N_T = \frac{m \cdot N_A \cdot f}{M}$ （其中 $m$ 為靶材總質量，$M$ 為靶材莫耳質量，$N_A$ 為亞佛加厥常數，$f$ 為目標同位素之天然豐度）
• $\phi$：中子通量率（Neutron flux, $\text{cm}^{-2}\cdot\text{s}^{-1}$）
• $\sigma$：靶核對該反應之微觀反應截面（Microscopic cross section, $\text{cm}^2$ 或 $\text{barn}$，其中 $1\text{ b} = 10^{-24}\text{ cm}^2$）

核心觀念

1. $\beta^-$ 粒子的物質作用與屏蔽原理（雙層屏蔽設計）：

• $\beta^-$ 粒子為高速帶電粒子，穿過物質時主要經由「游離／激發」損失能量，並在靶物質原子核庫侖場中偏折產生制動輻射（Bremsstrahlung）。
• 制動輻射發生的能量轉化比例 $f$ 約正比於靶物質原子序 $Z$ 與 $\beta^-$ 粒子的最大動能 $E_{\max}$： $f \approx 3.5 \times 10^{-4} \times Z \times E_{\max}\ (\text{或 } 1 \times 10^{-3} \times Z \times E_{\max})$
• 屏蔽考量必須採用「低 $Z$ 內層、高 $Z$ 外層」的雙層結構：內層選用低原子序材料（如塑膠、壓克力、鋁）以最小化制動輻射產生；外層選用高原子序材料（如鉛、鎢、鐵）以有效衰減穿透出的制動輻射（X 光）。

2. 總能量發射率與平均能量 $\bar{E}$：

• 放射源每秒衰變數即為活度 $A$（$1\ \mathrm{Ci} = 3.7 \times 10^{10}\ \mathrm{Bq} = 3.7 \times 10^{10}\ \text{disintegrations/s}$）。
• 純 $\beta^-$ 射源發射連續能量能譜，計算射源所釋出的總粒子動能發射率時，必須採用平均能量 $\bar{E}$，而非最大能量 $E_{\max}$。

3. 點射源等向發射之能量通量率（Energy Fluence Rate, $\psi$）：

• 距離點射源 $r$ 處的能量通量率定義為單位時間內垂直通過單位截面積的總輻射能量： $\psi = \frac{\dot{E}}{4\pi r^2}$ 其中 $\dot{E}$ 為輻射能量發射率（$\mathrm{MeV/s}$ 或 $\mathrm{J/s}$）。

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解題方法

(一) $\beta^-$ 射源的屏蔽考量（5 分）

在輻射防護設計中，針對強 $\beta^-$ 射源的屏蔽需考量以下核心要素：

1. 防止制動輻射過量產生（內層選用低 $Z$ 材料）：

• $\beta^-$ 與高原子序材料作用會產生高穿透力的連續能譜 X 光（制動輻射）。因此，最內層接觸射源的屏蔽體應選用低原子序（低 $Z$）材料，如壓克力（Lucite）、塑膠、水或金屬鋁（$\mathrm{Al}$），以大幅降低能量轉化為 X 光的產額。

2. 內層厚度須大於最大射程（$R_{\max}$）：

• 內層低 $Z$ 材料的厚度必須大於該 $\beta^-$ 粒子最大能量 $E_{\max}$ 對應之最大射程，以確保所有初級 $\beta^-$ 粒子均在內層被完全阻擋，不逸出屏蔽外。

3. 二次輻射的防護（外層選用高 $Z$ 材料）：

• 雖然內層採用低 $Z$ 材料抑制制動輻射，但不可避免仍會產生微量 X 光。為吸收此二次 X 光輻射，可在低 $Z$ 內層外側包覆一層高原子序、高密度（高 $Z$、高 $\rho$）材料（如鉛 $\mathrm{Pb}$、鐵 $\mathrm{Fe}$ 或混凝土）。

4. 伴隨輻射評估：

• 若射源衰變後子核伴隨發射特定能量之 $\gamma$ 射線（非純 $\beta^-$ 射源），外層屏蔽厚度必須同時納入該 $\gamma$ 射線的減弱計算。

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(二) 1 公尺處制動輻射之能量通量率估算（10 分）

步驟一：已知條件與單位整理

• 射源活度：$A = 1\ \mathrm{Ci} = 3.7 \times 10^{10}\ \mathrm{Bq} = 3.7 \times 10^{10}\ \text{particles/s}$（純 $\beta^-$ 衰變，每次發射一個 $\beta^-$）。
• 平均動能：$\bar{E} = 0.94\ \mathrm{MeV} = 0.94 \times 10^6 \times (1.602 \times 10^{-19}\ \mathrm{J}) \approx 1.506 \times 10^{-13}\ \mathrm{J}$。
• 最大動能：$E_{\max} = 2.28\ \mathrm{MeV}$（計算總發射能量不使用此值）。
• X 光能量轉化比率：$f = 10\% = 0.10$。
• 計算距離：$r = 1\ \mathrm{m} = 100\ \mathrm{cm}$。

步驟二：計算制動輻射能量發射率（$\dot{E}_{\mathrm{x}}$）

• $\beta^-$ 粒子每秒釋出的總動能率 $\dot{E}_{\beta}$： $\dot{E}_{\beta} = A \times \bar{E} = (3.7 \times 10^{10}\ \text{s}^{-1}) \times (0.94\ \mathrm{MeV}) = 3.478 \times 10^{10}\ \mathrm{MeV/s}$

核心觀念

本題評量考生對輻射防護法規基本名詞定義的掌握程度，法源依據為《游離輻射防護安全標準》第 2 條（以命題當年民國 112 年法規為準）。 核心考核要點包含：

1. 輻射劑量體系架構：從基本物理量「吸收劑量（Absorbed dose）」出發，結合生物相對效能因數推展至「等價劑量（Equivalent dose）」，進而考量體內內污染代謝時間特性的「約定劑量（Committed dose）」，以及評估大母體群體總風險的「集體劑量（Collective dose）」。
2. 輻射生物效應之分類：掌握「確定效應（Deterministic effects，ICRP 新制稱有害組織反應 Tissue reactions）」與「機率效應（Stochastic effects）」在劑量門檻（低限值）及嚴重程度表現上的本質差異。

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解題方法

申論名詞定義題型的標準拿分策略，應具備「法條標準定義」、「數學計算公式與專用單位」及「防護管制背景說明」三維度架構，切入步驟如下：

1. 法規文義精準化：忠實依據《游離輻射防護安全標準》第 2 條法條內容陳述，掌握關鍵字（如：加權因數之和、50 年與 70 歲、人·西弗、低限劑量）。
2. 補充數學模式與法定單位：為定義輔以國際放射防護委員會（ICRP）與法規認可之數學表達式，加深作答厚度，並清楚標註國際標準單位（SI 單位）。
3. 辨析關鍵概念與題旨瑕疵：本題第 (三) 小題英文標示「Collective equivalent dose」係命題老師之英文筆誤，中文法定名詞為「集體有效劑量（Collective effective dose）」，作答時應以中文法規正式定義為主，並補充說明其劑量意涵。

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各小題申論解析

(一) 等價劑量（Equivalent dose）

1. 法規定義內容： 依《游離輻射防護安全標準》第 2 條第 16 款規定，等價劑量指組織或器官之平均吸收劑量與輻射加權因數乘積之和。
2. 數學公式與物理意義： $H_T = \sum_R w_R \cdot D_{T,R}$

• $D_{T,R}$：輻射射種 $R$ 在組織或器官 $T$ 中所造成之平均吸收劑量（單位：戈雷，$\text{Gy}$）。
• $w_R$：該輻射射種 $R$ 之輻射加權因數（Radiation weighting factor），用以反映不同射種對生物組織相對生物效應（RBE）之差異（如光子與電子之 $w_R = 1$、阿伐粒子之 $w_R = 20$）。

3. 專用單位：西弗（$\text{Sv}$）或焦耳／公斤（$\text{J/kg}$）。

(二) 約定等價劑量（Committed equivalent dose）

1. 法規定義內容： 依《游離輻射防護安全標準》第 2 條第 17 款規定，指體內放射性核種在攝入人體後一段特定時間內，某一組織或器官將接受之等價劑量積分值。此特定時間以成年人五十年（50 年）計；對孩童則計至七十歲（70 歲）。
2. 數學公式與物理意義： $H_T(\tau) = \int_{t_0}^{t_0 + \tau} \dot{H}_T(t) \, dt$

• $t_0$：放射性核種攝入人體之時刻。
• $\tau$：約定積分時間（成年人 $\tau = 50\text{ 年}$；孩童 $\tau = 70 - \text{年齡}$）。
• $\dot{H}_T(t)$：在時間 $t$ 時組織或器官 $T$ 所承受之等價劑量率。

3. 管制目的：內暴露射源一旦進入體內即持續滯留並照射組織，法規上將未來數十年間陸續累積之傷害「一次約定並歸責」於核種攝入當年的個人劑量中，以利合規性評定。

(三) 集體有效劑量（Collective effective dose）

1. 法規定義內容： 依《游離輻射防護安全標準》第 2 條第 19 款規定，集體有效劑量指某一暴露群體所接受之有效劑量與該群體人數乘積之總和，即代表該群體中所有人接受輻射照射後個人有效劑量之總和。

核心觀念

本題考查游離輻射與高能粒子束在現代半導體製程、材料工程及元件檢測中的跨領域應用。答題核心聚焦於三大面向：

1. 微細加工與圖案轉移：利用高能短波長電磁輻射（EUV、X 射線）或帶電粒子束（電子束、離子束）克服光學繞射極限或直接注入雜質。
2. 材料改性與摻雜：利用粒子加速器進行離子植入（Ion Implantation），或利用反應爐中子進行核反應之「中子嬗變摻雜」（NTD），以及利用輻照調控載子壽命。
3. 結構分析與非破壞檢測：利用 X 射線之穿透性與繞射特性進行封裝檢測、薄膜晶體結構分析，以及航太級晶片之抗輻射效應測試。

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解題方法

本題為申論題（配分 15 分），評分重點在於論述的「廣度（應用範疇完整）」與「深度（原理與元件關聯明確）」。解題切入點應依半導體製造的生命週期，架構為三大主軸：

• 前段製程加工（Fabrication）：離子植入、微影技術。
• 材料特性改質（Material Modification）：中子嬗變摻雜、少數載子壽命控制。
• 檢測、封裝與可靠度評估（Testing & Reliability）：先進封裝非破壞檢驗、抗輻射耐受性測試。

各項條列時，均須具體說明「使用的輻射源／粒子類型」、「物理機制」與「在半導體製造中的功用」。

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選項分析

本題為申論題，無選擇題選項。依據典試委員閱卷標準，各面向答題要點評析如下：

• 離子植入（必答關鍵點）：若僅回答摻雜而未說明加速電壓、深度分布與伴隨之制動輻射防護，分數僅能拿基本分。
• 微影技術（拉開差距點）：點出極紫外光（EUV，$\lambda \approx 13.5\text{ nm}$）及電子束微影（EBL），強調短波長提升解析度的物理意義。
• 中子嬗變摻雜（高分亮點）：寫出矽同位素捕獲熱中子之核反應式，為證明考生具備輻射物理專業素養的最佳關鍵。
• 檢測與可靠度（完整性關鍵）：包含 X 射線檢測先進封裝銲點缺陷，以及航太半導體之單一事件效應（SEE）輻照驗證。

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解題技巧

1. 口訣記憶架構：「工（微影加工）、植（離子植入）、變（中子嬗變）、檢（X光檢驗）、測（耐輻耐受測試）」。
2. 展現輻射防護專業：在說明製程應用（如高能量離子植入機）時，順帶提及該設備具高壓電場易產生「制動輻射（Bremsstrahlung）」，需設置屏蔽與連鎖裝置，更能彰顯「輻射安全」考科的整合能力。
3. 避免常犯錯誤：切勿僅著重於一般光學微影而忽略高能輻射（EUV/電子束/X 射線）；材料改性勿遺漏高功率半導體必備的「中子嬗變摻雜」。

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【答案】

輻射在半導體工業中的應用涵蓋製造加工、材料改性、品質檢驗及元件可靠度測試等面向，主要應用說明如下：

一、 離子植入（Ion Implantation）

1. 原理：利用粒子加速器將雜質離子（如硼 $\text{B}^+$、磷 $\text{P}^+$、砷 $\text{As}^+$）加速至數十 $\text{keV}$ 至數 $\text{MeV}$ 的動能，直接轟擊並射入半導體晶圓基板內。
2. 應用：

• 形成精確之 p-n 接面、井區（Well）及源／汲極區域。
• 相比於傳統熱擴散法，離子植入可由加速能量與離子束電流，精確獨立控制雜質植入的「深度分布」與「摻雜濃度」。
• 註：設備操作時常因二次電子撞擊靶材產生高強度之制動 X 射線，屬輻射安全管制之可發生游離輻射設備。

核心觀念

本題評量考生對「游離輻射於民生與工業領域應用」的整體掌握程度，涵蓋三大輻射應用核心範疇：

1. 輻射生物效應與食品加工（食品照射）：利用游離輻射（如 $^{60}\text{Co}$ 之 $\gamma$ 射線、電子加速器產生之高能電子束或 X 射線）破壞微生物與害蟲之 DNA 雙股螺旋結構，達成抑芽、滅菌、殺蟲及延長保鮮期之目的。
2. 同位素水文學（Isotope Hydrology）：利用放射性或穩定同位素作為水體示蹤劑（Tracer），探討地下水補注、流速、水齡（Water Age）、滲漏及水污染擴散路徑。
3. 工業放射性核種應用：利用輻射與物質作用的穿透、衰減規律（如 Lambert-Beer 定律：$I = I_0 e^{-\mu x}$）或化學示蹤原理，應用於非破壞檢測、製程線上連續監控與品質管制。

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解題方法

1. 第 (一) 子題：採「對比傳統化學燻蒸與熱滅菌法」為切入點，條列輻射照射在衛生安全、物性維持、操作便利性及環保面向的獨特物理優勢。
2. 第 (二) 子題：從「水力物理行為」、「核種物理特性（半衰期與放射線種類）」、「環境安全與背景干擾」及「檢測靈敏度」四個維度，系統性歸納水文學示蹤劑的評估指標。
3. 第 (三) 子題：選取工業界最經典、應用最廣泛的兩大應用類別（工業射線照相檢驗 NDT 與 輻射厚度／液位監控儀錶），明確列出所使用的同位素核種、物理作用機制與實際運作原理。

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【答案】

(一) 輻射照射應用於農產品與食品殺蟲與滅菌之優點

1. 冷殺菌特性（維持食品原有品質）： 照射過程溫度幾乎不上升，屬於「非熱處理（Cold Sterilization）」，能最大程度保留生鮮農產品的風味、色澤、質地與熱敏性營養成分（如維生素）。
2. 無化學藥劑殘留： 可完全取代環氧乙烷（Ethylene Oxide, EO）或溴化甲烷（Methyl Bromide）等具致癌性或破壞臭氧層之化學燻蒸劑，消除化學殘留與毒性顧慮。
3. 高穿透力，可實施包裝後終端滅菌： $\gamma$ 射線穿透力極佳，產品可在最終包裝、密封甚至裝箱後直接進行整體照射，徹底杜絕製程後期的二次微生物污染。
4. 無放射性誘發與殘留： 在法定核准的能量限制內（如 $\gamma$ 射線、電子束能量 $\le 10\text{ MeV}$、X 射線 $\le 5\text{ MeV}$），輻射能量不足以引發光核反應（Photoneutron reaction），食品絕不會產生誘發放射性（Induced Radioactivity）。
5. 能耗低且具多元處理功效： 同一套照射設備可依吸收劑量之不同，精確達成抑制發芽（如馬鈴薯、洋蔥）、檢疫殺蟲（穀物、水果）、殺滅致病菌（如沙門氏菌、大腸桿菌）等多重目標。

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(二) 一般選擇同位素應用在水文學需考慮之因素

1. 水力學行為一致性（Conservative Tracer 特性）： 示蹤核種之化學型態在水環境中必須高度穩定，不與土壤、含水層岩石發生吸附、沉澱或離子交換作用，且蒸發或流動時不產生顯著同位素分餾，能真實代表水分子之流動。
2. 物理半衰期（$T_{1/2}$）與水體運移時程的適應性： 核種半衰期必須與待測水文過程（流速、滯留時間、補注期）相配合。時間過短，示蹤劑未達採樣點已衰減殆盡；時間過長，則易殘留造成長期放射性累積與環境負擔。
3. 輻射安全與生物毒性（Radiotoxicity）： 添加之核種活度必須遠低於法定水體排放限值與飲用水水質管制標準，優先選擇低毒性、極微量即可偵測且子核種為穩定態之核種。