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1 漫談生活中輻射 輻射劑量配章使用 加馬射線屏蔽計算 輻射安全概論 漫談生活中輻射 樹人醫專醫學影像暨放射技術科 講員:馮文昇碩士 時間: :30~16:30 地點 高雄榮民總醫院第二會議室 背景輻射的來源 天然背景輻射與人造輻射所佔比例 人造輻射 222Rn γ 131I 其他 14C 137Cs <1% 職業曝露 0.3 落塵 <0.3 核燃料循環 C 雜項 Rn 40K 40K

2 人造輻射來源所佔比例 同位素與 輻射應用 礦 冶 游 離 輻 射 的 應 用 天然輻射 天然輻射 醫用輻射 工業用輻射 教學研究用輻射 其他輻射應用 輻射在醫療農工的應用 10 戶外活動 飛行(搭飛機) 北投溫泉博物館 住家

3 戶外活動 宇宙射線 地表輻射 宇宙射線地表加馬輻射氡氣鉀 40 來自外太空的輻射 地球因有大氣層與地球磁場的保護, 宇宙射線造成一般民眾的曝露不大, 不過當所處環境高度越高, 例如登高山, 或是搭國際航線飛機, 因為空氣稀薄, 接受宇宙射線曝露就比較高 另一影響的因素是地球磁場, 南北向的地球磁場可將射向地球的宇宙射線中帶電粒子往南北極集中, 所以緯度越高的區域, 宇宙射線也較強 國人接受宇宙射線的劑量每年約為 0.26 毫西弗 我國民眾接受背景輻射的主要來源 地表環境中存在各種放射性元素, 主要來自於四個長半衰期核種衰變系列所生的子核種分別是 232 Th 系列 235 U 系列 238 U 系列以及 237 Np 系列 國人接受地表輻射的劑量每年約為 0.64 毫西弗 氡 (Rn) 氡是由鈾系 釷系衰變後產生的氣態放射性核種, 一般而言, 氡及其子核是人體接受天然背景輻射照射最主要的輻射劑量來源 氡有三個天然同位素 219 Rn 220 Rn 以及 222 Rn 219 Rn 對人類照射的意義不大 ; 220 Rn 半衰期不長 (55 秒 ), 只有在其母核 232 Th 濃度高的地方曝露才重要 ; 222 Rn 半衰期稍長 (3.82 天 ), 是天然氡氣主要曝露的同位素 台灣由於室內通風較為良好, 氡氣影響不像歐美國家那麼高, 國人接受氡氣曝露的劑量每年約為 0.44 毫西弗 食物中的輻射 考慮食物中的天然放射性核種, 透過飲食累積在人體中最主要的放射性核種為 40 K( 半衰期約為 46 億年 ) 40 K 含量在成人體內呈穩定值, 男性由於肌肉組織較為發達, 所以男性體內的 40 K 略高於女性 我國成年人每年因體內 40 K 造成的劑量約為 0.28 毫西弗 搭飛機 宇宙射線曝露高度越高, 空氣越稀薄, 越易受到宇宙射線的曝露, 一般而言, 每升高 1500 至 2000 公尺宇宙射線約會增加一倍, 所以搭乘國際航班的飛行會接受到較多的宇宙射線曝露

4 銀河宇宙輻射 天然背景輻射源-宇宙射線 宇宙射線主要有三種 捕獲輻射 銀河宇宙輻射 太陽粒子輻射 捕獲輻射 太陽粒子輻射 銀河輻射 高速對流 20 宇宙射線 捕獲輻射主要由被地球磁場截留在繞地球軌道的 電子與質子組成 可對低軌道太空旅行帶來輻射 終止太陽風衝擊 危害 對地表不會有任何輻射劑量 銀河宇宙射線中的高能粒子 主要是質子 從太 共轉反應區 空進入大氣層時 會與大氣相互作用 除各種反 擷取離子 應產物外還產生中子 質子 μ介子和π介子等 太陽風粒子 共轉質量 射出 22 星際綜合氣體 太陽粒子輻射來自太陽持續產生能量非常低的粒 子 因為太陽粒子能量不大 不易穿過地球磁場 太陽風 高能太陽粒子 此太空輻射對地球與飛機上的曝露最為重要 太陽駐點 23 所以對大氣層內的照射不重要 24 4

5 太陽粒 子輻射 銀河宇 宙輻射 捕獲輻射 極光 北投溫泉博物館-北投石 來自上空的高速電子撞擊電離層中的原子 分子 或離子 把它們打成激發態 通 常必須是一個高能階的準穩定態 等一 段時間後 它們會自動的跳回基礎態 或 較低能階的準穩定態 放出一定波長的 光 這就是極光 我國北投地熱谷溫泉區的礦物中含有釷 鈾等元素 地質特殊 是名聞中外的天然 輻射區 27 北投石 Hokutolite (Pb,Ba,(Ra)[SO4]x)的形成 岡本要八郎 From

6 釷系與鈾系天然放射性核種 住家-建材氡氣與煙霧偵檢器 北投石 溫泉的沉澱物 重晶石的一種 含放射性 西元1906年日本人岡本氏於北 投溫泉區發現此含放射性的重晶石 將其 命名為北投石 這是全球四千多種礦石中 唯一以我國地名命名的礦石 北投石中主要的放射元素是226Ra與228Ra 由於地熱谷溫泉水溫高 再加上酸鹼值的 影響 礦物元素比較容易被溶解出來 北 投溫泉區與附近地區的地表加馬輻射監測 值比較 約高出附近地區5~6倍 天然石材建材所釋出的氡氣是屬天然背景 輻射 煙霧偵檢器的使用則對住家防火的安全提 供助益與保障 31 建材輻射輻射源 氡氣 32 煙霧偵檢器 煙霧偵檢器 一般而言 氡及其子核是人體 接受天然背景輻射 來源中最主要的劑量來源 氡的天然同位素以 220Rn以及222Rn比較受到關注 220Rn半衰期不長 (55秒) 只有在其母核232Th濃度高的地方曝露才 重要 222Rn半衰期稍長(3.82天) 是天然氡氣造 成主要曝露的來源 有些天然石材類建材因成分 的關係會釋出氡氣 台灣由於室內通風較為良好 氡氣的影響不像歐美國家那麼高 國人接受氡 氣曝露的劑量每年平均約為0.44毫西弗 33 輻射源 241Am 應 用 輻射計數 火災煙霧偵檢器的設計原理非常簡單 有多種方 式 其中一種方式是利用放射線 其一端為接收 器 一端為活度低被豁免管制的輻射源241Am 正常情況接收器可接收到微弱游離訊號 因為 241Am所釋出α射線穿透力非常弱 而火災剛發生 時會有濃煙產生 濃煙會干擾α射線被接收器的正 常接收訊號 當正常訊號改變就可察知火災的發 生 煙霧偵檢器常用於室內的火災警告系統已非 常普遍 粒子式 光電式 光電式 36 6

7 煙霧偵檢器原理 醫用輻射 射源241Am產生α粒 子由放射源射出游離 空氣 並提供經由空 氣導電所須的電荷 電荷會黏在重的煙霧 粒子上 電流會下降 導致警報響起 醫院 醫院 牙科診所 動物醫院 放射診斷 核子醫學 放射治療正確的診 斷是治療病症的首要關鍵 利用游離輻射 的穿透性 醫療院所常使用X光機與放射性 核種進行放射診斷 適度的輻射照射可殺 死癌細胞 醫院也利用輻射的此一特性 施行癌症的治療 粒子式 放射診斷輻射源 X光機 牙科診所 醫療院所使用的放射診斷設 備主要是X光機 例如移動式 X光機 固定式X光機 乳房 攝影儀 電腦斷層掃 描儀以 及巡迴X光車等 上述設備都 是利用X光在穿過不均勻物體 時 由於輻射在物體各部位 被吸收與散射 使射束衰減 並呈現出物體不同強度的穿 透影像 提供透 視影像以供 診斷 醫師在必要的情況下 會建議病人進行X光檢查 X光機正確的診斷是治療病症的首要關鍵 利用X光機進行單齒或全口的X光攝影 提 供迅速及正確的診斷影像協助醫師診療

8 血品照射儀 血品照射射源與劑量 為了防止因輸血而注入人體的淋巴球增生及分裂, 造成受血者發生輸血不良反應, 所以在輸血前將血球類製品以 Gamma 射線照射, 藉此抑制淋巴球的功能使其無法增殖生長, 以避免病人發生與輸血相關的移植物對抗宿主疾病 (Transfusionassociated graft-versus-host disease; 簡稱 TA-GVHD) ( 一 ) 來源有 2 種 : (1) 銫 137(Cesium-137) (2) 鈷 60(Cobalt-60) ( 二 ) 劑量 : 一般建議照射的劑量是 15-50Gy, 在這個範圍的劑量會抑制淋巴球的複製與生長 ( 三 )X-ray 射線可取代 Gamma 射線 (1)Gamma 射線由原子核內發射, 故具有放射性能, 操作者需要有防護措施 X-ray 射線由原子核外的電子發射, 所以不具放射性能, 操作者無須特別保護或監測 (2) 兩者射線以等量劑量照射, 都具有抑制淋巴球的功能, 兩者均可降低 TA-GVHD 的危險 (3) 臨床上照光以 Gamma 射線為主, 但 X- ray 射線因不具放射性能, 也具有抑制淋巴球的功能,X-ray 儀器也較便宜, 所以可用來取代 Gamma 射線 46 照光對血品的影響 去活化淋巴球 ( 一 ) 紅血球血品 (1) 紅血球復原力 (Recovery): 照光血品會隨著貯存時間過久, 而使輸注後的血球復原力降低 照光後的紅血球會使游離血紅素值增加, 造成溶血現象 (2) 血鉀濃度 : 照光會破壞紅血球的細胞膜, 使細胞膜的通透性增加, 細胞內的鉀外漏到細胞外, 造成細胞外血鉀增加 高血鉀的風險是造成輸血病人心臟停止跳動, 47 ( 二 ) 血小板製品同紅血球一樣, 以低於 50Gy 的 Gamma 射線照光血小板, 血小板可在有效期限內隨時照光, 並且可貯存到第 5 天有效期限為止 48 8

9 血品照光的潛在傷害 ( 一 ) 因輻射引起的惡性變化 (Radiationinduced malignant change) 目前沒有案例報告, 此種情況有可能是以高劑量速率 (3-4Gy min-1) 的 Gamma 射線投射在血品上的劑量, 對於血球細胞來說, 是有意義的超過致死劑量, 因而導致細胞死亡 49 ( 二 ) 潛在病毒的再活化 (Reaction of latent viruses) Gamma 射線能夠再活化潛伏於血液製品內的病毒, 理論上有可能造成受血者因輸血而感染某些疾病, 目前尚未有病例報告 ( 三 ) 塑化劑的滲漏 (Leakage of Plasticizer ) 大量輸注照光血的受血者, 特別是新生兒, 理論上會有塑化劑外滲的風險 在一項研究傳統 PVC 血袋的研究中, 並沒有發現到塑化劑出現溶解現象, 對於新的塑膠製品還是要監測輻射後對血袋的影響 50 照光血的適應症 ( 一 ) 照光的確切適應症 (Definite indication) (1) 家屬捐血的血品 (Blood component from relatives) (2)HLA 相配合的血小板 (HLA matched single dodnor platelets) (3) 子宮內輸血和新生兒換血 (Intrauterine transfusion and neonatal exchange transfusions) 51 ( 二 ) 可能需照光的適應症 (Possible indications) ( 三 ) 不需照光 (No indication) (4) 接受異體及自體骨髓移植 / 周邊血液幹細胞移植的受血者 (Allogeneic and Autologous Bone Marrow/PBSC Transplant recipients) (5) 先天性或後天性免疫缺乏症 (Congenital /Acquired immune deficiency Disorders) (6) 再生不良性貧血病人接受免疫抑制劑治療 (Aplastic anemia patients receiving immunosuppressive therapy) (7) 何杰金氏症 (Hodgkin s Disease) 52 (1) 急性白血病 (Acute Leukaemia) (2) 慢性骨髓性白血病 (Chronic Myeloid Leukaemia) (3) 出生低體重新生兒 (Low birth weight neonates)--- 低於 1250 克 (4) 因惡性疾病接受長期或高劑量類固醇治療而導致淋巴減少症 (Patients receiving long term or high dose steroids as therapy for their malignancies) ( 53 5) 治療性的 T 細胞抗體 (Therapeutic (1) 後天性免疫缺乏症 (AIDS) (2) 足月產兒 (Term infants) (3) 海洋型貧血 (Thalassaemias) (4) 血友病症 (Haemophilia) 54 9

10 注意事項 動物醫院-X光機與電腦斷層掃描儀 照光後的紅血球其有效期限已經縮減為 28 天 所以在管理庫存時一定要注意 照光後的血小板仍維持 5 天有效期限 病 人需要輸的照光血若 沒有使用時 可以將 此血品轉給其他病人輸注 至於照光紅血球血品可能有高血鉀的風險 問題 目前國內並沒有倡導洗滌照光血 或許可參考國外的作法 不要快速輸注照 光血 而且最好在照光後24小時內輸血 55 X光機及電腦斷層掃描儀都是 利用X光 當X光穿過不 均勻物 體時 由於輻射在物體各部位 被吸收與散射 使射束衰減並 呈現出物體不同強度的穿透影 像 提供透視影像以供診斷 動物用X光機與電腦斷層掃描 儀使用時 均須注意X光的輻射 安全 必須向主管機關行政院 原子能委員會申請同意 在動 物醫院或診所內使用上述設備 時 輻射安全較容易管理 獸 醫或協助執行的人員 一 般可 藉穿著鉛衣來減少輻射曝露 若在戶外使用手提式X光機時 應選擇適當的作業環境 並 考慮減少周邊人員的輻射曝露 必要時人員得穿著鉛衣才可 執行X光診斷 56 工業上常用的輻射源及其半衰期 工業用輻射 放 鋼鐵業 瓦斯槽 建築工地 賣場 超市 金飾店 工業區 科學園區 核能電廠 消毒衛材 測量厚度 液位 密度 診斷工地建 築 半衰期 60Co y 137Cs 3 3 射 核 種 90Sr 鋼鐵業-液位計與門框式車輛輻射偵 檢器 液位計裝置 加馬射源置於容器的一邊 偵檢器則置於另一邊 當槽中的液體上升至某一 高度 即會擋住輻射而降 低輻射計數 30.0y 28.1y 3 192Ir d 註 y為年 d為日

11 輻射鋼筋事件 輻射鋼筋事件 鋼鐵原料與產品必須進行輻射異常偵檢肇因於在 民國81年發生的輻射鋼筋污染事件 政府為徹底 防範輻射鋼筋污染事件再度發生 主動採許防範 措施 除加強放射 性物質管制 並輔導鋼鐵廠建 立輻射異常物品偵檢能力 透過門框式車輛輻射 偵檢器的使用 對進廠之廢鐵及出廠之鋼鐵製品 進行輻射監測 確保鋼鐵建材產品無輻射異常情 形 目前國內19家設有熔煉爐之鋼鐵廠皆以取得 原子能委員會之輻射偵檢作業認可 可對銷售之 鋼鐵製品開立無放射性污染證明 61 住戶內部 北市中山區龍江路257巷 62 密度测量儀 核子秤 Density Gauges 密度測量儀 核子秤 Density Gauges 傳送帶稱重儀器 Belt weighing 啟元牙科 民生別墅外觀 土壤密度計與溼度計 傳送带稱重儀器 Belt weighing gauge gauge 探测器 Detector 傳送带上的物品 Product on conveyor belt 射源 Source (may be extended) 輻射源 加馬射源 中子源 應 用 輻射計數 密度與溼度是土壤的重要基本特性 所以土壤密度與溼度的測定 對 土木工程施工 地質探勘品質具關 鍵影響 放射性物質的利用則可提 供迅速確實的量測 土壤密度儀使用具γ射線的銫 Cs -137放射性物質 將含銫 Cs -137偵檢棒密度儀鑽入土壤中 利 用γ射線在土壤中的吸收與散射予以 計測分析 進而測定土壤之密度 土壤溼度儀包含快中子射源及中子 輻射偵檢器 測量原理與土壤密度 儀相似 利用快中子與水中的氫原 子作用會減速為熱中子 透過中子 輻射 偵檢器可分析熱中子與快中子 比例 若比例越高表示土壤中的水 分越高 目前常用以鋂 Am 241/鈹 Be 作為快中子之射源 66 11

12 濕度/密度計 工業放射線照相檢驗 Moisture / density gauges 密度測量 伽馬源(137Cs)推 出遮罩室到源棒末端 並位 探測器 Detectors n g g 於被測物質中進行測量 n g n 濕度測量 儀器裏中 子源(通常是 241AmBe)通過中子散射測定 濕度 輻射源 X光機 加馬射源 應 用 輻射攝影 工業放射線照相檢驗是利用具 有游離輻射能力的射線 如X 光或γ射線穿透被測物品後使 底片成相 在不破壞物品之情 況 下 檢查被測物品是否有 裂痕 缺陷或其焊接品質的檢 驗方法 工業上主要利用X光 機或放射性物質如銥(Ir)-192 作為放射線照相檢驗之需 可依被檢測 物品之材料及厚 度 選擇合適之放射性物質或 X光機能量 如電子業利用X 光機以檢測其電子元件內部線 路品質 多數石化 核電廠 鍋爐廠則多利用放射性物質銥 (Ir)-192檢測高壓容器 管線 之焊接品質

13 賣場與超市-輻射照射的產品 香菸 的輻射與夜光錶 管道爬行探測装置 陰極防鏽法 輻射照射可達到滅菌 延長食品的保存期 限 培育新品種的功效 也可檢查密封食 品包裝內是否有異物混於其中以保障民眾 食的安全 而菸草中含有210Po 會對吸煙 者造成輻射曝露 我們可利用某些物質在 受到輻射的作用會發出可見光的特性 作 為夜光錶的應用 工業應用 陸 上管道 海底 管道 管外輻射源提 供內部構造信 息 使用137Cs 射 源 輻射照射產品 76 輻射源 加馬放射核種 應 用 輻射照射 鈷60(60Co)所釋出的加馬射線 常被用於大量醫療器材產品 的滅菌 肉類食品的滅菌 延 長農產品的保存期限 以及誘 變孕育新的品種 輻射滅菌為 一種清潔加工處理法 安全不 會有殘毒性 並且可達完全消 毒的效果 食品經由輻射照射 後 民眾非常關心是否有殘留 輻射 是否會影響健康 國際 原子能總署 糧農組織以及世 界衛生組織所組成的委員會 提出輻射照射食品在營養與健 康方面是安全無虞的 13

14 輻射照射在農業上的應用 使用目的 使用範圍 使用劑量 1.抑制發芽 馬鈴薯 甘藷 洋蔥 大蒜 15krad以下 2. 延 長 儲 存 期 木瓜 芒果 限 3.防治害蟲 香菸的輻射 輻射源 210Po 菸草中含有210Po 會 釋出α射線 若一天抽 30支香煙 一年對抽 煙者造成的劑量最高 可達13毫西弗的有效 劑量 150krad 以 下 米 煙草 紅豆 綠豆 大豆 小麥 麵 100krad 以 粉 下 4.雄不孕性 東方果實蠅 甜菜夜蛾 25krad 5.殺蟲滅菌 淡水魚(殺滅中華肝吸蟲等) 豬肉 50krad以下 6.檢疫照射 果蔬檢疫照射等 50krad以下 7. 動 物 飼 料 減 動物飼料等 菌 夜光錶 輻射源 3H 氚(3H )所釋出的β-射線與 發光物質作用後會放出特 定波長的可見光 可作為 時標夜光功能使用 由於 氚所釋出的β-射線最大能 量為16keV 手錶表免面 的玻璃就可完全屏蔽 我 國對氚使用於鐘錶夜光功 能的豁免管制為109貝克 而一般手錶所使用氚不 超過 貝克 2Mrad 8.品種改良 冬瓜 稻米 1krad 9.抑制生長 水仙花 1krad以下 79 特性輻射的產生 金飾店--黃金成色分析儀 利用X光或加馬射線照射黃金 樣品 樣品會釋放出微量特性 X光 藉由特性X光可分析此 黃金樣品成分 輻射源 X光或加馬放射核種 應 用 輻射螢光分析 待測樣品產生特性X光的原理 是因輻射激發樣品中原子內 層軌道上的電子離開電子軌道 此時原子外層軌道的電子會 往內層軌道轉移使原子恢復穩 定 外層電子往內層轉移的過 程牽涉到能階的改變 會釋出 該原子的特性X光 以純金為 例 若經特性X光分析有產生 金子以外的特性X光 常見有 銅或銀 則檢驗結果顯示此黃 金樣品成色不純 80 工業區 放射性同位素 X光機和加速器等輻射源在 工業界應用非常廣泛 例如利用輻射計測 的原理 如測定液位高度以及測定物質密 度 厚度與均勻度等 或應用輻射照射 以高活度的放射性核種或加速器裝置 對 物品進行滅菌 消毒或品質改良的提升 特性輻射 L層軌道電 子遞補K層 能階差能量 轉換為光子 入射X光 被碰撞出來的 k層軌道電子 中子 K 81 質子 L

15 液面測量儀 Level Gauges 固定核子測量 液位計 液位計與密度計 通常一個或多個探器和探测器被用作 開關 用来控制料箱或料斗中 物料的位置等 大 厚壁容器可能使用GBq的 60Co 輻射源 60Co 137Cs 85Kr 加速器等 應 用 輻射計測與輻射照射 輻射計測的應用範圍廣 舉凡食品 菸草 紡織 造紙 印刷 橡膠等工業都會使用到 例如用於紙張 紡織以及 鋼板品 管的厚度計 就是利用β射線或γ射線穿過物質後 強度的變化來測量厚度 以做好品質管理 例如菸草工業 以及紡織業用的密度計 利用β射線來比較測量菸草或棉 紗的密度 土壤密度計則是利用γ射線射到土壤後散射的 訊號測定土壤密度 另外在工業界應用甚廣的液位計 也 是利用γ射線或X光的穿透特性 測定熔煉爐中的鋼液的液 面高度 石油槽內油量或是飲料業瓶裝飲料內容量的品管 85 高位探測器 High level detector 射源 Sources 低位探測器 Low level detector 固定核子測量 厚度測量儀 輻射照射 是利用高活度 例如1015貝克以上的γ放射 性核種 一般使用60Co 來照射物品 使 物品產生性 質改變品質提升 例如輻射照 射混凝土 可產生聚合反應提高耐蝕性與 強度 橡膠類產品的照射 也可提高橡膠 的強度耐磨損與抗腐蝕 輻射照射也可用 於環境保護方面 例如工業廢水與污泥 或是感染性醫療廢棄物 可利用高強度的 輻射來達到滅菌的效果

16 密度測量儀 Density Gauges 密度測量儀 科學園區 通過偵测器测量穿過被检查物質的輻射線量 射源使用1GBq的137Cs 源Source 探測器 Detector 物質流向 Material Flow 電子業使用X光之範圍非常廣泛 例如可用於印刷 電路板的電路定位 X光透視檢測常用於半導體封 裝製程 X光螢光分析可以檢測有害物質含量以符 合國際管制規定 X光靜電消除器游離空氣所產生離子對與薄膜液晶 面板生產過程中的靜電中和消除 粒子加速器原理的離子佈值機則可將所需的原子 離子化後 加速植入半導體晶片中改變其物性 則是半導體產業積體電路非常重要的設備 輻射源 X光機 離子佈值機 靜電消除器 開關控制 Shutter Control 屏蔽 Shielding 開關 Shutter (open) X光機 X光螢光分析 印刷電路板應用在許多消費性電子產品上 隨著產品精密複雜 電路板上的電子零 件也越多 所以電子電路密佈越複雜精 細 印刷電路板產業利用X光鑽靶機進行定位 可準確的將多層電路板的定位確實 提 高電子電路佈線的品質 X光的透視能力也 廣用於半導體的透視檢測 例如封裝後產 品缺陷檢查 分析樣品產生特性X光 特性X光的產生乃因輻射激發樣品中原子內 層軌道上的電子離開電子軌道 此時原子 外層軌道的電子會往內層軌道轉移使原子 恢復穩定 外層電子往內層轉移的過程牽 涉到能階的改變 會釋出該原子的特性X光 若接收器收集到有鉛 鎘或汞等有害物 質的特性X光 則可以檢驗出這些有害物質 的量 X光靜電消除器是大範圍進行靜電消除的利 器 面板產業是我國重要的科技產業 隨 著面板尺寸越來越大 生產過程中面板會 有靜電產生影響製程與品質 所以利用電 壓9.5千伏的X光靜電消除器照射空氣使空 氣游離 面板經過這些游離的空氣時 會 與空氣中的靜電達到靜電中和的效果 96 16

17 靜電消除器 油井測量 核能發電 使用會發射α輻 射之210Po射源 的靜電消除器 97 教學研究用輻射 核能發電的發電量佔我國總發 電比例約為19 為我國主要 的基載 base load 電力來 源之一 核能發電 我國現有運轉中的 三座核能電廠以及接近完工的 核能四廠 每座電廠各有二部 機組 共八部 均採用鈾235 為核燃料 利用中子撞擊235U 分裂釋出的能量 每次分裂約 產生200 MeV 以加熱反 應爐心中的水 分為沸水式反 應爐 BWR 及壓水式反應 爐 PWR 二種型式 直接 利用反應爐心的水產生的蒸汽 直接推動發電機發電 稱為沸 水式反應 器 BWR 核一 廠與核二廠就屬沸水式反應器 98 實驗室或研究單位 實驗室或研究單位 台灣光子源 國立故宮博物院 X光繞射儀 X光繞射儀 密封放射性物質 非密封放射性物質 X光繞射用於材料晶體 結構的分析 63Ni用於 ECD氣相層析儀 而 許多放射性核種 如 3 H 14 C 32 P與 125 I 等 因其標誌與示蹤 的特性 用於基礎生 命科學 自然科學與 環境保護等方面的研 究

18 超抽地下水研究 輻射源 X光繞射儀 應 用 晶體結構分析 X光繞射分析法是利用X光的波長短 其數量級約 與所測物質結構結晶面間的距離相當的特點 在 材料科學方面 進行材料晶體結構分析 不論是單 晶體或或多晶體的結構研究 溫度變化所導致的 相變化 以及晶體結構缺陷等研究 這對材料科 學的創新與品質的提升很重要 在生物科學方面 定位蛋白質或DNA等大分子的結構 也是X光 繞射分析的應用 輻射源 63 Ni 應用 ECD氣相層析儀 氣相層析儀是現今分析化學重要的儀器設備之一 廣泛用於氣體混合物的分離分析 特點是分析 力強 速度快且不需前處理 氣相層析儀中常用 的檢測器有3種 熱傳導檢測器 TCD 火焰離 子偵測器 FID 以及電子捕捉檢測器 ECD 其中ECD與放射線有關 ECD的工作原理是由 63Ni放射源所釋出的β-射線照射載送氣體 例如 氮氣 使氮氣分子游離而產生慢速電子 在一定 電壓的二極板間形成導電 如果載送氣體中含有 會吸收電子的試樣 就會降低此一穩定電流 利 104 用此電流的變化就知道此物質的含量 107 輻射源 3 H 14 C 18 O 32 P 125 I等 應 用 放射性標誌與示蹤 地球環境本來就存在有許多天然的放射性核種 穩定的存在各環境中 因此許多地球科學的研究 人員 利用觀察環境中天然放射性核種的遷移與 變化 研究所關心地球環境的問題 常用的有3H 14C與穩定同位素18O等 環境中的14C是宇宙射 線照射大氣層所產生的 中研院同位素水文實驗 室研究我國中南部沿海地區目前抽取的地下水 以水中14C含量判斷

19 超抽地下水研究 台灣光子源-國家同步輻射研究中心 目前抽取使用的地下水是5萬年前所累積的 使用的是 目前台灣最老的地下水 可見超抽地下水的嚴重 另外 以分析氫氧同位素的組成百分比來進行水文的 研究 這對瞭解水源分佈 水源補充與流程 提供 迅速與方便的方法 14C也是考古學家鑑定古物年代的利器之一 在生命科學的研究領域 3H和14C也常用於標誌荷爾 蒙 研究生理活動與代謝 32P常用於標誌磷酸或核酸 以研究神經傳導 能量傳遞途徑以及遺傳工程 125I 常用於標誌蛋白質 進行放射免疫分析的研究 進行 代謝活動與酵素測定的研究 所以放射性同位素是現 109 代非常重要的研究工具 同步加速器光源的產生-插件磁鐵 同步加速器光源的原理 電子在電子槍(1)內產生 經過直線加速器(2)加速至能量為5,000萬電子特 電子束進入增能環(3)後 繼續增加能量至15億電子伏特 速度非常接近光速 ( 倍) 同步加速光源是現代科技研究最重要的光 源之一 可廣泛應用於物理 化學 醫藥 生命科學 磁學 材料與奈米科技等基 礎與應用科學的研究 被稱為現代 科學 神燈 電子束經由傳輸線(4)進入儲存環(5) 當儲存環累積足夠的電子束後 經由各個磁鐵的導引與聚焦 電子束在偏轉 磁鐵(6)及插件磁鐵(7)發出同步加速器光源 經由光束線(8)將光源引導至實 驗站(9)進行實驗 電子束在發出同步加速器光源後 要靠高頻腔(10)來補充失去的能量 相對論為同步輻射科技的理論基礎 離子與中性原子 光電子 反射光子 正(北)極 電子由此進入磁場 負(南)極 螢光 同步加速器光源 一 增頻磁鐵 二 聚頻磁鐵 表面吸附物 試樣 U9聚頻磁鐵 非彈性散射 電子團 二極偏轉磁鐵 相對論效應使得電子以接近光速作圓周運動時所發射的電磁波(左圖) 集中在切線方向 而不像大哥大產生的電波向四面八方散去(右圖) 同步加速器光源 相對論精確的計算出我國現有同步加速器偏轉磁鐵的磁場強度需為牛頓 古典力學計算值的38.311倍 缺陷 布拉格繞射 勞伊反射 穿透光子

20 輻射源 : 同步光源 --- 紅外線到 X 光應用 : 基礎與應用科學研究根據電磁學理論, 帶電粒子之運動速度或方向改變時會產生電磁波 而電子以近光速行進間如受磁場作用而發生偏轉, 則因相對論效應沿偏轉切線方向放射出電磁波, 此即為同步加速器光源 我國國家同步輻射研究中心位於新竹科學工業園區內, 屬於第三代 1.5 GeV 的同步輻射加速器, 於 1993 年 10 月啟用, 其同步輻射光源為連續波段之電磁波, 涵蓋範圍從低能量的紅外線到 X 光, 且具有高強度 高準直性 偏振性與時脈解析等特性, 目前已廣泛應用於半導體材料 電磁電極材料 高分子結構 太陽光電材料 奈微製造加工等, 對於提昇我國產業科技貢獻良多 近年由於超高強度 X 光的需求日增, 所以規劃在現有基地上興建電子束能量 3 GeV 的 台灣光子源 同步輻射加速器, 並已於 2010 年 2 月 7 日舉行動土典禮, 預定於 2013 年興建完成, 屆時這座 台灣光子源 將可提供世界一流的高亮度 X 光光源, 對於我國學術與產業科技的提升提供莫大的助益 國立故宮博物院 利用輻射照射可滅菌 除蟲 防霉以確保古物保存, 也可製造適當老化材料供給古物修補用 另外 X 光輻射攝影則可透視古物內部來協助古物真偽的鑑定 Co 釋出的 γ 射線已被普遍使用於滅菌 材料的輻射聚合等產業 利用同樣的原理, 60 Co 輻射照射也可用於古物的保存與修補材料的製作 現今對古物的保存環境要求嚴格, 必須定期殺蟲除霉, 輻射照射正可以提供滅菌防霉之用 而古物之破損難免, 若欲進行修補, 材料取得是個大問題 核能研究所過去曾經以 60 Co 輻射照射繪畫所用絹布使其老化, 可達到絹布老化程度約 800 年的效果, 提供故宮博物院古畫修復用 之前國內有一埃及古文明展覽, 透過 X 光 3D 影像技術重建三千年前拉美西斯二世之子的相貌 另外, 有許多古物單看外表不易確定其真偽, 透過輻射透視照相可不破壞古物本身就可檢視其內部, 提供古物更多的資訊, 我國故宮博物院著名文物毛公鼎也是透過 X 光透視其內部影像, 提供古物專家鑑定其為真品的重要佐證

21 其他輻射應用 機場-行李檢查 機場 法院 國安機關 海港 垃圾焚化廠 藝品店 核能電廠 121 機場-行李檢查 為確保飛航安全及維護國家利益 機場普 遍使用x光機檢查旅客手提行李及託運貨物 查緝走私 違禁品及爆裂物 122 機場-火災煙霧偵檢器 輻射源 x光機 應用 輻射攝影 x光在穿過不均勻物體時 由於輻射在物體各部位 被吸收與散射 使射束衰 減並呈現出不等強度的物 體形象 此稱為輻射攝影 常用於輻射攝影的輻射源 有x光機 加馬放射性物 質及加速器等 124 火災發生時的預警設備 室內空間若有濃煙產 生 天花板上的煙霧偵檢器會感知此異常狀況 發出警報 安全人員也能第一時間反應 輻射源 241Am 應 用 輻射計數 火災煙霧偵檢器的設計原理非常簡單 有多種 方式 其中一種方式是利用放射線 其一端為 接收器 一端為低活度被豁免管制的241Am輻射 源 正常情況接收器可接收到微弱游離訊號 因為241Am所釋出α射線穿透力非常弱 而火災 剛發生時會有濃煙產生 濃煙會干擾α射線被接 收器的正常接收訊號 當正常訊號改變就可察 知火災的發生 煙霧偵檢器常用於室內的火災 警告系統 以非常普遍被使用 123 法院-攜帶物品安全檢查 125 維護社會治安保護人民安全 進出重要機關場所時 對民眾 隨身攜帶物品或包裹的安全檢 查普遍使用x光機 用於爆裂 物以及各種違禁品的檢查 輻射源 x光機 應用 輻射攝影 x光在穿過不均勻物體時 由 於輻射在物體各部位被吸收與 散射 使射束衰減並呈現出不 等強度的物體形象 此稱為輻 射攝影 常用於輻射攝影的輻射源有x 光機 加馬放射性物質及加速 器等

22 海港-貨櫃檢查 國安機關-毒品偵測與爆裂物偵測 輻射源 x光機與加馬放射性 物質 應 用 輻射攝影或輻射計測 x光在穿過不均勻物體時 由 於輻射在物體各部位被吸收與 散射 使射束衰減並呈現出不 等強度的物體形象 此稱為輻 射攝影 也可以利用輻射與物 質作用後回散射訊號的分析 研判是否有夾帶異常物質 輻 射攝影與回散射訊號的分析廣 泛用於毒品走私與爆裂物檢查 常用的 輻射源有x光機 加 馬放射性物質等 垃圾焚化廠-門框式輻射偵檢器 輻射源 x光機與加馬放 射性物質 應用 輻射攝影x光或γ射 線在穿過不均勻物體時 由於輻射在物體各部位被 吸收與散射 使射束衰減 並呈現出不等強度的物體 形象 此稱為輻射攝影 常用於輻射攝影的輻射源 有x光機 加馬放射性物 質及加速器等 127 監測對象 加馬放射核種 應 用 輻射度量 為避免含放射性物質之物 品及廢棄物因管理疏失混 於垃圾中進入垃圾焚化廠 導致無法追蹤管理 甚 至萬一發生放射性物質誤 熔 對社會將造成嚴重的 衝擊 所以圾圾焚化廠所 設置門框式車輛輻射偵檢 可進行輻射異常監測 確保輻射安全 128 藝品店古董夜光錶與古董陶瓷 129 古董陶瓷 古董夜光表與指北針輻射源 發光塗料的基本原料為硫化鋅 再混以不同的活化劑後 可 產生不同的發光色 在發光塗 料中加入放射性元素的目的 在使其能產生自發光效果 這 樣即便在沒有光線的情況下 亦能發光 目前用於發光塗料 的放射性核種主要是147Pm和 3H 早期也有使用226Ra 尤 其是軍用指北針 但因輻射安 全的問題 現在已不使用 但 在古董店中 偶而還會發現含 有226Ra的古董夜光指北針 輻射源 鈾系放射性 核種鈾常使用於紅色 陶瓷釉藥的著色劑 所以特別是深橘色或 深紅色的古董陶瓷往 往會測到比其他顏色 的陶瓷有高的放射性 早期釉藥的著色劑 使用天然鈾 但在 1960年後就改使用乏 鈾於釉藥中了

23 核能電廠 輻射與高度的關係 核一廠位於新北市石門區 1978年12月開始商業運轉 每部機組裝置容量為636百萬瓦 核二廠位於新北市萬里 區 1981年12月開始商業運轉 每部機組裝置容量為985 百萬瓦 核三廠位於屏東縣恆春鎮 1984年7月開始商業 運轉 每部機組裝置容量為951百萬瓦 核四廠 龍門電 廠 位於新北市貢寮區 每部機組裝置容量則為1350百 萬瓦 核能電廠放射性核種主要為235U分裂反應所產生的 分裂產物與中子作用的活化產物 所以核能電廠受 到民眾 關注的安全問題其中最重要的是輻射安全 因此 環境輻 射的監測與管制 對於防止民眾接觸因核能電廠外釋環境 中的放射性物質受到輻射傷害就非常重要 了 主管機關原 子能委員會在核電廠周圍設有34監測站 台電公司本身也 設有環境輻射監測站23個 除了有環境輻射即時劑量率與 累積劑量的監測外 也會定期 或不定期對土壤 空氣 水 牛奶 蔬果或畜產進行採樣與監測分析 隨時掌握輻射 133 狀況 以保護國人的輻射安全 0.123微西弗 玉山 3000 m 海 0.071微西弗/小時 阿里山 拔 1500 m 高 度 0.052微西弗/小時 高雄 0m 輻射與地質的關係 玉山

24 游離與非游離輻射 類別 世界平均 美國 日本 台灣 宇宙射線 地表及建物 小計 ( 體外輻射) 等 鉀40 等 氡 小計 (體內輻射) 合計 非游離輻射 收音機 非 游 離 輻 射 Wavelength [nanometer] Frenquency [Hz] Radio Television Radar PM/FM Ultra violet X-ray Dignosis Therapy Visible Energy [electron volts] Cosmic radiation Red Orange Yellow Blue 交互作用機制 不良健康效應 ¾紫外線 (ultraviolet, UV):捕蟲燈 消毒燈 影印機 水銀 急性紅疹 角膜炎 結膜炎 白內障 視網膜炎 加速皮 膚老化 皮膚癌 ¾可見光 (visible light) 可見光 (380~600nm) 視網膜中的生物活性分子產 生光化學改變 視網膜炎 藍光危害 bluelight hazard 可見光與近紅外線 (400~1,400nm) 熱活化效應或去活化效應 光凝結 (photocoagulation) 熱傷害 皮膚及角膜灼傷 蛋白質遇熱變性 組織凝結 凋亡 中與遠紅外線 3微米(μm)~1公釐(mm) 熱活化效應或去活化效應 光凝作用 熱傷害 皮膚及角膜灼傷 白內障 蛋白質遇熱變性 組織凝結 凋亡 雷射光 (180nm~1mm) 暴露期間小於1微秒(μs) 光 組織傷害 皮膚灼傷 眼睛 化學 光熱 光聲作用 暴 灼傷 組織蒸發 露期間小於1奈秒(ns) 光 (vaporization) 衝蝕(photoablative)作用 氣泡或血漿成形作用 形態 改變 非線性視覺效應 通信設備 Violet X 光與γ 射線基本上性質相同 142 x光 生物活性分子 如DNA 脂肪和蛋白質 產生光化學 改變 ¾電磁場輻射(Electromagnetic Field, EMF) 包括 非常低頻及極低頻電磁場 (very low frequency and extremely low frequency electric and magnetic fields, VLF and ELF) 109 可見光 紫外線 180~400奈米(nm) ¾紅外線 (infrared, IR): 加熱器 烤箱 警報器 通信設備 ¾微波 (microwave): 微波爐 加熱器 烤箱 警報器 雷達 Gama ray InFra red 雷達 暴露可見光不同光譜與身體的交互作用機制及不良健康效應 燈 霓虹燈 鎔接切割 1024 Radiation Heat 游 離 輻 射 光譜 伽馬射線 頻率 Hz 手機 非游離輻射的種類 電磁波頻譜 109 紫外線 游離輻射 紅外線 UNSCEAR 聯合國原子輻射效應科學委員會(1993) 1015 微波爐

25 輻射 放射線 發現史 暴露電場和磁場與身體的交互作用機制及不良健康效應 光譜 交互作用機制 靜電電場 不良健康效應 物體表面電荷 因表面電荷而產生困擾 休克 感應在移動流體和組織中的 電場 影響心血管和中樞神經系統 物體表面電荷 因表面電荷而產生困擾 電休克 灼傷 感應電場及電流 刺激神經和肌肉細胞 影響神經 系統功能 隨時間變化磁場 (<10 MHz) 感應電場及電流 刺激神經和肌肉細胞 影響神經 系統功能 電磁場 (100kHz~300GHz) 感應電場和電流 吸收體內的 能量 過度的加熱 電休克 灼傷 >10GHz 表面能量吸收 對物體表面過度加熱 <30μs 脈衝 300MHz~6GHz 熱聲波 (thermoacoustic wave)增加 因微聽(micro hearing)效應產生 困擾 隨時間變化電場 (<10MHz) 1895 德國物理學 家倫琴發現 X光 法國物理學 居里夫人自 家貝克發阿伐 天然鈾礦尋 貝他 得釙與鐳二 加馬射線 種放射性 1899 拉塞福發現 放射性元素 釷 1932 查兌克發現 中子 1953 利用鈷六十 治療癌症首 先被引用 145 細胞及水分子 吸收輻射能量 10-16秒 物理反應期 細胞及水分子 被游離 激發 10-12秒 化學反應期 DNA損傷及產生yOH 自由基 化學鍵結破壞 10-6秒 代謝期 細胞代謝發生障礙 可修復 DNA酶修復損傷處 細胞復原 低劑量 不可修復 <250毫西弗 細胞突變 機率效應 產生癌症細胞 或不良遺傳 秒 高劑量 >1000毫西弗 正常的染色體 細胞死亡 確定效應 受到輻射產生變異的染色體 組織器官傷害 不孕

26 放射衰變 放射性 β射線 核輻射 阿伐粒子(α++) 貝他粒子(β+, β-) 加馬射線(γ) 母核 放射 衰變 直 流 電 源 原子核 子核 鉛 塊 屏 蔽 γ射線 放射性物質 X光射線 電場 α 射線 感光底片 151 各種輻射源 阿伐粒子 貝他粒子 中子 加馬或X射線 γ射線 α粒子 荷電粒 子 原子核 電子 機率效應與確定效應的比較 X射線 電磁輻射 電磁波 游離輻射 質子 中子 β粒子 β 粒子 負電子 β+ 粒子 正電子 健 康 效 應 確定效應 機率效應曲線 高劑量區 機率效應 高劑量區 確定效應曲線 電子射線 粒子輻射 質子 重離子或介子 非荷電粒 子 中子 機率效應 低劑量區 155 確定效應 低限劑量區 劑量

27 組織與效應 確定效應臨床症狀 一次劑量 (毫西弗) 確定效應之症狀 250以下 無可察覺症狀 可能引起血液中淋巴球的染色體變異 250-1,000 可能發生短期的血球變化(淋巴球,白血球減少),有時有眼結膜 炎的發生,但不致產生機能之影響 1,000-2,000 有疲倦 噁心 嘔吐現象 血液中淋巴球及白血球減少後恢 復緩慢 2,000-4,000 24小時內會噁 嘔吐 數週內有脫髮 食慾不振 虛弱及全 身不適等症狀,可能死亡 4,000-6,000 與前者相似,但症狀顥示的較快,在2-6週內死亡率為50% 6,000以上 若無適當醫護,死亡率為100% 小於低限劑量 效應不會發生 大於低限劑量 效應一定發生 劑量愈高 愈嚴重 157 急性效應 慢性效應 遺傳效應 158 Alpha Decay (阿伐衰變) 各種臨床症狀與效應名稱 軀體效應 男性暫時不孕 男性永久不孕 女性不孕 水晶體混濁 白內障 骨髓造血障礙 骨髓發育不全 胎兒畸形 皮膚紅斑症 乾性脫皮 溼性脫皮 甲狀腺功能過低 急性發炎 低限劑量 急性 單次 曝 露 毫西弗 慢性 一年 曝 露 毫西弗/年 ~ > >200 >100 >150 >400 >1000 資料來源 ICRP ICRP 阿伐粒子 皮膚發生紅斑 確定效 骨髓 肺 消化 應 道傷害白血減少 不孕 噁心 嘔 吐 腹瀉 白內障 胎兒之 影響 白血症 癌症 機率效 應 遺傳基因突變或 染色體變異所發 生的各種疾病 穿透力:極弱 空氣中的射程 0.1m 皮膚表 層就可以阻擋 平均射質因子(Q值)=20 無體外輻射污染問題 卻有體內輻射污染 需 小心不要吸入此類射源核種

28 Beta Decay (貝他衰變) 貝他粒子 質量十分小 荷電約為α粒子的一半 β粒子速度 α粒子 β粒子游離度 α粒子 β粒子穿透力 α粒子 射程約3.3m 可 穿越皮膚表層 造成皮膚表層壞死 屏蔽物質厚度與種類取決於(1)β粒子的最大 能量(2)阻擋β粒子與物質原子核所產生的制 動輻射 bremsstrahlung

29 β 粒子能量轉換成制動輻射能量為 β 粒子能量單位為 MeV Z 為屏蔽物質的原子序 E 0 為入射 β 粒子能量 貝他粒子 Positron Emission ( 正子發散 ) 中子 快中子減速或減能減能後中子的捕獲 中子射束衰減後產生的加馬輻射 中子 中子減速方式非彈性碰撞 : 與重原子核碰撞所產生彈性碰撞 : 與輕原子核碰撞所產生中子捕獲方式 : 被屏蔽原子核捕獲產生 (n, γ) 反應, 其中產生的 γ 射線必須被屏蔽 中子 屏蔽中子物質的要件需能降低快中子能量需對熱中子捕獲的反應截面積很大需對產生的 γ 射線具有阻擋能力 Interaction of Neutron with Matter ( 中子與物質作用 ) 快中子 : 彈性碰撞 熱中子 : 中子捕獲 快中子 原子核 熱中子 彈性碰撞 ( 連續減能 ) 原子核 α 粒子 捕獲作用 γ 熱中子 29

30 快中子 ( 能量 0.1 MeV) 與核的彈性碰撞, 碰撞後入射中子的動能, 由散射中子與回跳核以動能形式攜帶 快中子與核的非彈性碰撞 : 快中子動能超過核反應低限能時, 因發生核反應, 入射中子的動能, 不等於散射中子與回跳核動能之和 慢中子 ( 能量 <0.1 MeV) 與熱中子 ( 室溫下的中子, 平均能量為 ev) 的中子捕獲反應 中子質量約為電子者的 1840 倍, 快中子與電子發生碰撞時, 能量轉移率極低, 但與原子核碰撞時, 因為質量相近, 能量轉移率較高, 故快中子與物質的作用, 以與原子核發生彈性碰撞為主 與快中子發生碰撞後的原子核, 稱為回跳核, 由於具電荷 重 低速, 故極具游離能力 質量越接近中子質量之物質, 減速中子的效果越好, 例如氫的原子核 快中子與核的非彈性碰撞, 如 6 Li(n, α) 3 H 3 He(n, p) 3 H 等, 可作為中子能譜之量測 其中, 以 6 LiF 熱發光劑量計最為重要 慢與熱中子的核反應, 以中子捕獲 (n, γ) 硼中子捕獲 10 B(n, α) 7 Li 核分裂 (n, f) 等最為重要 熱中子本身雖不具游離能力, 但 14 N(n,p) 14 C 與 1 H(n, γ) 2 H 反應是造成人體軟組織劑量的主因 中子屏蔽設計 原子核捕獲熱中子的機率, 稱為熱中子捕獲截面 ; 10 B 59 Co 113 Cd 的熱中子捕獲截面分別為 邦 中子隨著與核發生碰撞後, 速度 (v) 將遞減, 此時, 其 ( 慢中子 ) 被原子核捕獲的機率則遞增, 此現象稱為 1/v 律 [ 註 :v 與 ( E) 成正比 ] 查得熱中子捕獲截面並配合 1/v 律, 可求得任一能量慢中子的被捕獲截面 根據中子與物質的作用特性, 設計屏蔽時通常需要三層不同材質的屏蔽 : 第一層為低原子序物質, 目的為減速快中子, 水 ( 易揮發 ) 石蠟( 易燃 ) 混凝土均常被採用 第二層為具高中子捕獲截面積者, 氫 鎘 硼均常被採用, 但氫 鎘捕獲中子時會釋出高能 第三層通常為高原子序物質, 目的為屏蔽中子捕獲時釋出的高能, 但應避免捕獲中子後形成放射性物質

31 質子加速器屏蔽 緊急爐心冷卻 質子與物質的作用質子產生的輻射可以忽略不計游離範圍與質子能量增加成正比截面的非彈性交互作用與能量無關透過非彈性碰撞產生核反應機率與能量成正比 反應爐冷卻水反應爐控制 質子產生中子來源 質子厚靶的中子產率 E<10MeV 在低能量 (p,n) 反應為主 10MeV <E <1 GeV 產率 E 2 (50 MeV <E <500 MeV) 產率 E (E>1 GeV) 蒸發中子 : 激態的原子核, 產生同向性中子串連中子 : 原子核直接撞擊作用產生 E>1GeV 增加二次粒子數量

32 Hadronic Cascade 強子串聯 較高能量的入射質子光束 質子加速器內就會 產生強子串聯 高能電子加速器內也會產生 高能核子與原子核的碰撞會產生大量的中子 蒸發中子的產生 起源於殘餘原子核激發態衰 減和平均分佈能量 這些產生中子會以同向性 方式分佈 串聯中子產生 由原子核的直接撞擊產生 產 生中子能譜分佈機率與1/E成正比 187 粒子介紹 188 基本粒子分類 p π κ 介子 雙 n p n Ω 玻色子 引力相互作用 引力子 graviton 電磁相互作用 光子 photon 弱相互作用 使原子衰變的相互作用 W 及 種 W^+,W^-,Z^0 強相互作用 夸克之間的相互作用 膠子 g u 上夸克 d 下夸克 Σ 核子 超子 Δ s 奇異夸克 c 粲夸 強子 重子 189 夸克 費米子 b 底夸克 t 頂夸克 eμ τν 輕子 質子加速器屏蔽材料 土地 SiO2可以阻擋光子與中子 水泥 低成本 可以塑型 亦可增加 金屬或或混合硼酸 鐵 周圍容易產生微量低能中子 鋼 配合水泥可以阻擋10MeV以上中 子 π

33 Gamma Decay (加馬衰變) 加馬或X射線 X或γ射線的特性:強穿透能力 屏蔽須為高密度或高原子序物質 因為高 電子密度才能與輻射產生較多的作用 屏蔽物質的選擇: (1)阻擋輻射的屏蔽能力 (2)屏蔽的厚度與空間 (3)屏蔽材質的成本 KLM 鄂惹電子 電磁輻射 電磁波 游離輻射 X射線 加速 γ射線 電子 中 子 α粒子 荷電粒 子 β粒子 β+ 粒子 正電子 電子射線 粒子輻射 10 kev-500 kev 制動輻射 E0 hv 質 子 原子核 L層軌道 電子遞補 K層 被碰撞出來 的k層軌道 電子 中子 K 重離子或介子 中子 196 成對產生 1.02 MeV 質子 K 100 kev-3 MeV E0 hv 康普吞散射 0.511MeV γ 射線 負電子 M 正電子 互毀作用 N 單一電子產生 湯木生散射 多電子產生 雷立散射 環境負 電子 外層軌道電子 θ 相干散射 相干散射 197 裂解 核子 原子 核 L E0 hv L 制動 輻射 內層軌道電子 O 質 子 Ee E0 中子 E0 hv 特性輻射 能階差能 量轉換為 光子 加速 電子 質子 非荷電粒 子 光電效應 特性輻射 K緣吸 收 E=hν-B.E. 光電子 能階差能量 轉換為光子 能量轉換為 M層軌道電 子束縛能 光裂作用 β 粒子 負電子 或 加速電子 散射電 子 E=hν-hν 電子能階上下 振盪 相干散 射光子 0.511MeV γ 射線 E1 E

34 X光球管電路圖 X光球管構造 旋轉陽極靶 鎢錸合金 耐高溫 不易變形 x光 產量高 X光球管 管套0.5~2 mm eq-al 三相整流器 陽極滾軸 靜子 銅製 燈絲 過濾電容 器 + 碳 鉬 聚焦杯 質輕 易 縮短軸 基 導 心 熱 - 底A 焦斑 降壓線圈 W-Re Mo C 陽極 昇壓線圈 自動 昇壓線圈 陽極滾軸 加速電子50 120kV 3000rpm 熱離電子 Θ=14~160 轉子 鉬製 腳跟效應 弱 110伏特 交流電 S 199 b 有效焦斑 強 陰極燈絲 鎢釷合金 4 6V X光射線 制動輻射 底片 Low Energy Bremsstralung X-Ray 高頻反相回饋裝置 電壓漣波 越少輻射品質越好 輻射數量 越高 病人體表劑量會越少 半波 100 全波 100 三相六脈衝 14 三相十二脈衝 4 高頻 1 三相電壓缺點為設置成本高

35 額定功率 三相與高頻為 單相為 熱單位計算 207 X光濾片 Filter i 熱單位計算 單相HU kvp ma s 三相 與高頻HU 1.4 kvp ma s 例題1 使用單相影像系統 進行腰椎側面照射檢 查 使用條件為98kVp 120mAs 問產生的熱單 位為多少 例題2 使用單相影像系統 進行透視檢查 使用 條件為76kVp 1.5mA 3.5分鐘 問產生的熱單位 為多少 例題3 使用三相X光機 進行連續6張頭骨照射 檢查 使用條件為82kVp 120mAs 問產生的熱 單位為多少 208 陽極冷卻曲線速算法 剩下350K-150K要4 分 剩下150K要4-15分 濾片目的 濾掉對診斷無貢獻 之低能量X光光子

36 X 光能譜 濾片愈厚半值層愈大 X 光等效能量 (Equivalent Energy) kvp 相同 濾片不同,X 光能譜不同 濾片愈厚,X 光能量就愈大 (hardening), 半值層也愈大 kvp 組織器官的等值劑量 全身的有效劑量 組織加權因數 H 肺 H T = D T W R H T : equivalent dose of T (Sv) 組織 T 的等值劑量 ( 西弗 ) D T : absorbed dose of T (Gy) 組織 T 的吸收劑量 ( 格雷 ) W R : radiation weighting factor 輻射加權因數 H 肝 E = Σ H T W T E: effective dose (Sv) 有效劑量 ( 西弗 ) W T : tissue weighting factor 組織加權因數 E Tissue (W T ) Thyroid (0.05) Oesophagus (0.05) Breast (0.05) Lung (0.12) Stomach (0.12) Liver (0.05) Colon (0.12) Bladder (0.05) Gonads (0.20) Skin (0.01) Bone surface (0.01) Red bone marrow (0.12) Remainder (0.05)

37 輻射劑量 ( Radiation Dose) 活度 A Bq 核種衰變的 次數 釋放輻射 吸收劑量 DT Gy DT E/m 相同輻射對 相同組織器 官的劑量 等價劑量 輻射加權 HT Sv 因數 HT WR DT WR 不同輻射對 相同組織器 官的劑量 組織加權 因數 WT 游離腔偵測器設備 輻射劑量計 游離腔 (Ionization Chamber) 有效劑量 E Sv E DT WR WT 不同輻射對不 同組織器官的 劑量 X光 金屬圓柱管壁 Θ 熱發光劑量計 (Thermoluminescent Dosimeter) 膠片劑量計 (Film Dosimeter) 二極體劑量計 (Diode Dosimeter) 光激光劑量計 OSL 217 正極中央金屬電極 絕緣材料 高壓氣體 電量計 C 曝露及電子平衡 曝露 air Ein,e X=ΔQen/Δmair Ein,e ΔQen ΔQen Δmair... 電子平衡的條件 電子平衡 P 直流高電壓 110伏 游離腔的氣體的增益 (Gas Multiplication) 220 負極 Free-Air Ionization Chamber Cavity Ionization Chamber P Δmair air Eout,e l Eout,e l<μ-1 (photon mean free path), to keep photon fluence unchanged l>r (maximum electron range), to keep Ein,e=Eout,e Ein,e= Eout,e

38 曝露的度量 : 空氣游離腔 (Free-Air Ionization Chamber) 充氣式游離腔 (Cavity Ionization Chamber) 空氣等值腔壁 (Air Equivalent Cavity) pe 光電效應 Equivalent material 等值物質 套管式游離腔 (Thimble-type Ionization Chamber) 腔壁厚度 熱發光劑量計 (Thermoluminescent Dosimeter, TLD) 的原理 Attenuation 衰減 Buildup 增建

39 PANASONIC熱發光劑量佩章外 觀 TLD輻射偵測設備 傳導帶 電子陷阱 x光 禁帶 電子陷阱 禁帶 電洞陷阱 電子 電洞 傳導帶 共價帶 可見光 加熱 共價帶 229 熱發光劑量佩章規格 230 熱發光劑量佩章計讀方式圖解 發光曲線 (Glow Curve)

40 劑量評估原理 熱發光與劑量的關係 熱發光計讀儀 (TLD Reader) 自動計讀周期 (Automatic Readout Cycle) 各種熱發光劑量計發光曲線的比較 熱消光 (Thermal Fading) 現象 計讀周期 : 1. Preheat ( 預熱 ) 2. Read ( 計讀 ) 3. Anneal ( 迴火 ) 4. Cool ( 冷郤 )

41 各種熱發光劑量計 各種熱發光材料 能量依存性 (Energy Dependence) N x =X/M 熱發光劑量計校正 Energy dependence 能量依存 X=exposure M=meter reading 膠片的結構 膠片劑量計 表層乳膠 基底 膠質 晶粒

42 乳膠中的晶粒 輻射與晶粒的作用 顯影 (Development) latent image 潛像 晶格 間隙 光密度 (Optical Density) 或黑化度 光密度值與劑量的關係 膠片的能量依存性 L 0 L t

43 二極體劑量計 放射治療活體 (in vivo) 驗證之二極體 劑量計 無偏壓式二極體劑量計 逆向偏壓p-n接合半導體 (Reverse-Biased p-n Junction Semiconductor) Behaves like a solid gas Wsi=3.6 ev WGe=3 ev 253 放射治療QA用假體 閃爍偵檢器輻射偵測設備 場效電晶體 mosfet 輻射偵測器 柵極 洩極 源極 TiO2反射面 X光 X光 SiO2 P極 放大電子 前置放大器 閃爍晶體 N極 256 可見光 電子陽極極 Ñ P極 Si 代納倍極 真空管腔 訊號輸出 光電陰極 輻射產生導電電流

44 OSL or POSL dosimeters 袖珍劑量筆(pocket dosimeter) 小型游離腔 使用前先歸零 適用能量 30 kev 1.25 MeV 量中子 B-10 H-1 避免撞擊 受潮 激烈振動 方向依持較大 中子能量依持較大 適合作輔助性劑量計 顯示深部等效劑量 個人警報器 (electronic personal dosimeter, EPD) 可量累積劑量 可示警(可設定劑量率或累積劑量) 應經常保養 定期校正 有些可與電腦系統連線 顯示深部等效劑量

45 抗輻射重晶石輻射防護屏蔽材料 施工快速簡單 防輻射效果佳 價格經濟低廉 環保無毒無害 抗地震耐高壓 防火防燄效果 可重複性使用 TLD輻射偵測設備 傳導帶 輻射劑量配章使用 電子陷阱 x光 禁帶 共價帶 可見光 加熱 共價帶 266 PANASONIC熱發光劑量佩章外 觀 各種熱發光劑量計 電子陷阱 禁帶 電洞陷阱 電子 電洞 傳導帶 熱發光劑量佩章規格

46 熱發光劑量佩章計讀方式圖解 TLD 佩章五大使用認知 1. Why use TLD? 2. Who need TLD? 3. How to use TLD? 4. Where be used TLD? 5. When be used TLD? Why use TLD? 1. 遵循法規之規定 ( 原能會法規 - 游離輻射防護標準 ) 2. 保障工作人員之職業傷害權益 游離輻射防護安全標準第七條 : 輻射工作人員職業曝露之劑量限度, 依下列規定 : (1) 每連續五年週期之有效等效劑量不得超過一百毫西弗 且任何單一年內之有效等效劑量不得超過五十毫西弗 (2) 眼球水晶體之等效劑量於一年內不得超過一百五十毫西弗 (3) 皮膚或四肢之等效劑量於一年內不得超過五百毫西弗 前項第一款五年週期, 自民國九十二年一月一日起算 輻射工作人員體外劑量評定技術規範 工作人員體外劑量應評定人員之深部等效劑量與淺部等效劑量 肢端之淺部等效劑量如可能大於五毫西弗及二倍軀幹淺部劑量時, 應監測肢端之淺部等效劑量 工作人員之體外劑量以其個人專用人員劑量佩章之評定結果為準, 若因特殊狀況致工作人員未佩帶人員劑量佩章時, 其劑量得以其他類似工作人員之劑量佩章評定結果 其他偵檢器度量結果或該員之生物劑量評估結果加以評定, 評定工作應由輻射防護人員執行 評定之相關資料與結果, 應由場所主管 輻射防護人員及受曝當事人簽章確認, 並留存紀錄備查 輻射工作人員體外劑量評定技術規範 人員劑量佩章及肢端劑量計之監測周期原則上為一個月, 場所主管得視其作業性質及曝露危險程度調整監測周期 如監測周期超過三個月, 應報請原子能委員會核定後實施 輻射工作人員應使用人員劑量佩章以評定其體外劑量 劑量筆或示警劑量計等為輔助劑量計, 輔助劑量計應與人員劑量佩章共同使用

47 異常劑量處理 調查基準觀念 佩章計讀人員若發現單次計讀之劑量超過法定年 劑量限值1/12以上或報表製作人員發現個人年累 積劑量超過法定年劑量限值 應立即報告實驗室 主管共同檢查計讀結果 確定無誤後電告異常劑 量發生單位及原能會 TLD如何保障您的安全 Who need TLD? 1. 輻射工作之護身符 2. 改善工作場所之輻射安全 3. 改變不良工作習慣 4. 提供病理歷史追蹤記錄 5. 增進勞資雙方之和諧 於輻射環境下之工作人員 TLD佩帶位置 劑量限值 1. 工作人員全身之年度有效等效劑量 (深部劑量) < 20mSv 2. 工作人員年度淺部等效劑量< 500mSv 3. 指環劑量不列入 4. 劑量公司單月計讀深部劑量> 5mSv時 提報原能會 How to use TLD?

48 TLD背景片莫置於高熱及輻射區域 TLD應儘可能遠離水源 283 TLD補發應在3天內收到 TLD遺失應儘速申請補發 不可混用他人TLD Where be used TLD? 那才是我的主人

49 任何可接觸到輻射之場所 人員TLD並非環境TLD When be used TLD? 當位處於輻射環境的狀態下 良好作業環境提供 工作人員安全保障 加馬射線屏蔽計算(18) 加馬射線屏蔽計算(19) 點狀射源的暴露 輻射暴露與點狀射源的關係 單位: C為居里(Ci) Er為百萬電子伏特(MeV) R為不同能量加馬射線的分率 R為距離公分(cm) f為英尺(ft) 點狀射源的暴露 距離A毫居里射源d公尺處的暴露率為 單位:Γ:侖琴 公分2/小時 毫居里( A:毫居里(mCi) d:為公分(cm) 293 )

50 加馬射線屏蔽計算(21) 加馬射線屏蔽計算(20) 加馬射線屏蔽計算(22) 例 距離活度為1居里( 貝克)的鈷60點射 源一米處的曝露率多少 右圖為某些放射核種 每一毫居里所產生加 馬輻射強度 解 鈷60放出1.17MeV及1.33MeV的加馬各100% 故Er 1.17MeV 100%+1.33MeV 100% 2.5MeV 加馬射線屏蔽計算(24) (2) 加馬射線屏蔽計算(25) 已知距離某點射源的暴露率為X(0) 欲使其 降至X(t) 則所需要的半值層屏蔽厚度為t t=hvl h h為半值層數 HVL Half Value Layer 將輻射強度衰減至原來的一半所需要的屏蔽 厚度 TVL Tenth Value Layer 將輻射強度衰減至原來的十分之一所需要的 屏蔽厚度 (3) (1) 加馬射線屏蔽計算(23) 解 鈷60的Γ值為13.2(R cm2/h mci) 又1米 f t 若欲知所需的什一值層(TVL)數y 則所需的 屏蔽厚度ｔ TVL ｙ

51 加馬射線屏蔽計算 (26) 加馬射線屏蔽計算 (27) X 光機的屏蔽問題 (1) 例 : 已知距離活度為 1 居里的鈷 60 點射源 1 米處的曝露率為 1.3R/h 爲輻射防護, 希望將該點的劑量率降至 0.25mR/h, 試使用半值層, 計算在點射源與該點之間需要加多厚的混凝土屏蔽? 301 混凝土的半值層厚度為 6.2 公分, 故共需 =76.57 公分厚的混凝土才能 X 光機基本構造燈絲產生電子, 陰 陽極間電壓加速電子, 使電子朝向陽極把撞擊, 電子的動能 99% 以熱能散失掉,1% 的電子能量產生 X 光,X 光與入射電子成直角打出有用射束, 醫用 X 光機可分為診斷用與治療用兩種, 診斷的 X 光機要求射出的 X 光束較密集, 須為點光源且亮度強, 診斷 X 光機陽極靶斜角為 16 0 ~17.5 0, 治療 X 光機陽極靶斜角為 26 0 ~ 伏特 將暴露率降至 0.25mR/h 交流電 X 光球管 過濾電容器 全波整流器陽極自動昇壓線圈昇壓線圈 S X 光機的屏蔽問題 (2) X 光可分為連續輻射 ( 制動輻射 ) 及特性輻射 連續輻射的產生係電子進入陽極靶原子核附近, 受到帶正電的原子核吸引後, 改變速度而釋放出 X 光 特性輻射為陽極靶原子核外的內層軌道電子被入射電子打中擊出後, 其空缺由較外層軌道電子遞補, 在電子填補此空缺時, 會產生位能改變, 而多餘能量會以 X 光的形式放出, 此種 X 光能量在相同材質的陽極靶中, 只會出現某一定光子能量中, 而與 X 光機所開出的 X 光電壓無關 X 光機的屏蔽問題 (3) 防護管套 ( 射源屏蔽 )(1) 診斷型 : 使用中之診斷型 X 光管, 其滲漏輻射在距靶一公尺處, 每小時不得超過 100 毫侖琴 (25.8 μ C/kg) 治療型 : 使用中之治療型 X 光管, 其滲漏輻射在距靶一公尺處, 每小時不得超過 1 侖琴 (258 μ C/kg) 又距 X 光管 5 公分朝向患者處, 每小時不得超過 30 侖琴 (7.74 mc/kg)

52 防護管套 射源屏蔽 (2) 主 屏 蔽 防護套管 結構屏蔽 名詞定義(1) 屏蔽: 射源防護套管 結構屏蔽 -主屏蔽 有用射束(主射束) -副屏蔽 洩漏輻射 散射輻射 名詞定義(2) 工作負荷(workload, W) 每星期操作X光機 的總時間(t)及管電流(I)的乘積 單位為毫安 培分(mAm) 使用因數(use factor, U) 在操作期間X光射 向某一面牆屏蔽的機率 例如 固定式X光 機 照射方向的使用因數為U=1 而旋轉式 X光機 則按每面牆實際接受X光的照射時 間分率 決定使用因數U<1 但各面牆的U 值總和為1 佔用因數(occupancy factor, T) 在結構屏 蔽牆外的場所 被人佔用的時間分率 附 錄六舉出一些參考例子 此處假設X光機每 天操作時間不超過8小時 週最大許可曝露(weekly permissible exposure, P) 人員劑量限度 譬如工作人 員才能進入的管制區為0.1侖琴/週 (25.8μC/kg) 一般人員都可進出的非管制 區為0.01侖琴/週(2.58μC/kg) 副屏蔽 307 占用因數 T 308 占用因數 T 完全占用 T=1 管制空間 病房 工作室勺暗房 大到足以擺放桌 子的長廊 等候室 職業性曝露人員所使用的休息 室 孩童遊樂區 生活區 及鄰接建築物的占用空 間 部分占用 T=1/4 窄到不能擺放桌子的長廊 擺設家用器具的工作間 職業性曝露人員非例行性地使用的休息室 操作員 使用的電梯 以及非管制的停車場 偶爾占用 T=1/16 樓梯 自動電梯 只為行人或車輛運輸所使用的外 側區域 小到不能當作工作室的小房間 職業性曝 露人員例行地使用的化妝室 X光結構屏蔽計算 主防護屏蔽計算 次防護屏蔽計算

53 主防護屏蔽計算 主屏蔽牆的厚度可藉由下列公式間接求得 : 侖琴. 平方公尺 / 毫安培. 分. 週 (R.m 2 /ma.min.wk) K: 距 x 光源 1 公尺處的輻射強度 P: 週曝露率限度 ( 管制區 0.1 侖琴 / 週, 非管制區 0.01 侖琴 / 週, R/wk) d: 欲防護的位置與 x 光源間之距離 ( 公尺,m) W ; 工作負荷 (ma.min)= 管電流 (I) 操作時間 (t) U: 使用因數 主防護屏蔽計算 主防護屏蔽計算例 : 一部牙科 x 光機一天照射臼齒 20 張, 使用條件 50kV,15mA s 又 d: 靶並巨隔鄰商店約 3m,U=1/4,T=l 求需屏蔽厚度 解 : P:0.01rem/wk( 非管制地區 ) d : 3m W : 15mA s 20 5wk=1500mA s/wk =25mA. min/wk U: 1/4 T: 1 T: 占用因數 主防護屏蔽計算 次防護屏蔽計算 散射輻射的屏蔽計算 0000 散射輻射的屏蔽計算滲透輻射的屏蔽計算次防護屏蔽計算 原始輻射 ( 主射束 ) 經過受照射體後大部分穿透而達主防護屏蔽, 部分被受照射體吸收, 其餘的與受照射體發生碰撞後散射出一些能量較低的輻射, 稱為散射輻射

54 散射輻射的屏蔽計算 散射輻射的屏蔽計算 散射輻射所造成的曝露率可以下列方程式表示 散射輻射的屏蔽計算 a值 散射輻射平面圖 dsec 散射輻射平面圖 Xs(0):距散射體dsca距離的散射曝露率(侖琴/時) Xd(O):距x光射源S dsec公尺(m)距離的散射體由原始輻射造成 的曝露率(侖琴/時) F:散射體的照野面積(平方公分 cm2) 公式中係以400平方公 分為一單位 a:原始輻射與散射體碰撞後離散射體1公尺處 在各角度造成的 散射輻射對原始輻射的強度比(平方公尺 m2)參照下表 dsca dsec 319 散射輻射的屏蔽計算 320 滲透輻射的屏蔽計算 因為X光機開機時散射為四面八方 故 U=1則公式變成 單位為R m2/(ma min wk) 322 dsca dsec dsca 400c m2 根據醫用游離輻射 安全規定 在距x光 管靶一公尺處的滲漏 射 診斷用者不得超 過0.1侖琴/時 治療 用者當管電 壓 500kV時不超過1 侖琴/時 當管電壓 >500kV時不得超過 用射柱在離靶1公尺 處曝露率之千分之一 321 滲透輻射的屏蔽計算 (1)診斷用 因為x光源可視為點射源 曝露率與距離的平方成 反比 在1公尺處的滲漏輻射為0.1侖琴/時 則 距離為d時

55 滲透輻射的屏蔽計算 次防護屏蔽計算 治療用者當管電 壓 500kV時不超過1侖琴/時 施工方式 次防護屏蔽須考慮的是散射輻射及滲漏輻射 當 計算出的屏蔽厚度兩者相差不到六個半值層厚時 則用其中較厚的值再加一個半值層的厚度 即 可當做次屏蔽的厚度 否則取較厚的屏蔽當次屏 蔽即可 治療用當管電壓>500kV時不得超過用射柱在 離靶1公尺處曝露率之千分之一 325 屏蔽效果比較 材料設計與外觀 100KVp下抗輻射重晶石輻射防護屏蔽材料與其他材 料比較 抗輻射重晶石 鉛板 水泥 24 含10 纖維水泥板 含10 纖維水泥板 含10 纖維水泥板

56 謝謝聆聽希望大家都萬福金安