1 游離輻射安全講習 張欽然 2015.09.17 於國立臺灣海洋大學
2 課程大綱 (Contents) 1. 認識游離輻射 Overview of Ionizing Radiation 1.1 游離輻射與非游離輻射之分野 1.2 游離輻射的分類 1.3 游離輻射的產生 1.4 游離輻射的特性 1.5 輻射的應用 1.6 生活中的游離輻射 2. 游離輻射的生物效應 Biological Effects of Ionizing Radiation Exposure 2.1 輻射劑量的定義 2.2 輻射照射與輻射污染 2.3 輻射對身體細胞傷害的機制 2.4 輻射之健康效應
3. 輻射劑量與法規 Radiation Dose and Regulations 3 3.1 簡單的輻射偵檢器原理 3.2 人員體內放射性污染的偵測 3.3 人員體外劑量監測 3.4 環境輻射監測 3.5 放射性廢料管制 3.6 輻射劑量之法規限值 4. 游離輻射防護的要點 Basic Principles of Radiation Protection 4.1 體外輻射防護的原則 4.2 體內輻射防護的原則 4.3 輻射源強度與加馬輻射場計算 4.4 輻射屏蔽之考量 4.5 簡易的 γ 或 X 射線之屏蔽估算 5. 結語 (Conclusions)
4 1. 認識游離輻射 Overview of Ionizing Radiation
1.1 游離輻射與非游離輻射之分野 (Differentiation between Ionizing and non-ionizing Radiation) 生活週遭電磁場頻譜 3 10 22 Hz 5 Gamma rays X- rays 紫外線紅外線及可見光 2,450 MHz( 微波爐內 ) 800-1900 MHz 10 22 10 20 10 18 10 16 10 14 10 12 10 10 10 8 10 6 3 10 16 Hz 3 10 9 Hz 3 10 8 Hz 游離輻射 : 能量最強, 可破壞生物細胞分子, 會有累積效應 Ionizing Radiation Non-Ionizing Radiation 非游離輻射 ( 有熱效應 ) : 能量弱, 不會破壞生物細胞分子但會產生溫度 Microwave Oven f = 2450MHz, λ =12.2cm Power Line f=60 Hz, λ =5000km 60 Hz 27-145 MHz S N 10 4 10 2 0 Hz 0 Hz 電磁輻射能譜圖 非游離輻射 ( 無熱效應 ): 能量最弱, 不會破壞生物細胞, 分子也不會產生溫度, 亦不會在人體或生物體產生累積效應
6 游離輻射的定義 (Ionizing Radiation) 輻射與物質作用, 使其由原為中性的狀態, 變為分別帶有正與負離子對的現象, 此即為游離 可以讓物質產生游離狀態的輻射, 稱為游離輻射 (Radiations with energy high enough to cause ionizing of a material ) 非游離輻射的定義 (Non-Ionizing Radiation) 多屬於能量小於 10 電子伏特 (< 10eV) 的電磁波輻射 由於此等輻射所具有的能量並不足以使與其作用的物質產生離子對, 因此稱之為非游離輻射
7 非游離輻射 非游離輻射的種類 (Categories of Non-Ionizing Radiation) 紫外線 (UV, 主要是波長在 200 奈米 (nm) 以上的部分 ) 可見光 (visible light) 紅外線 (infrared, IR) 雷射 (Laser, 包括紫外線 可見光和紅外線三種波段 ) 微波與射頻輻射 (microwave and radio frequency) 極低頻電磁場 (VLF ) 靜電場 (Electric field) 非游離輻射的能量弱, 不足以破壞生物細胞分子, 但可能會有 (Possible effects of Non- Ionizing Radiation :) (1) 熱效應 (Heat Effect ) (2) 電磁感應 (Electromagnetic Effect )
1.2 游離輻射的分類 (Categories of Ionizing Radiation) 8 8 Wave Form Ionizing Radiation Charged Particle Particle Form Neutral Particle 發現 Po 和 Ra 發現鈾放射線
1.3 游離輻射的產生 (Mechanisms of Producing Ionizing Radiation) 核種衰變 (Nuclear Decay) 9 b - Z-2 N-2 Z+1 N-1 A 15 + O Z 8 b + A 15 N Z 7 Z-1 N+1 b + Cs Z b A 137-55 + Ba Z A 137 56 A 235 A 4 U Z 92 2 + Z Th A 231 Z 90 9
10 Z N
11 U-238 ( 鈾 -232) 的衰變系列 (Decay Series of U 238 ) The Spy Killer Anti-Tank Bullet U Miners Lung Cancer Ra-226, Used to make luminous watches in early 1900s and the cause of bone cancers among radium dial painters
核種衰變常會伴隨著帶有能量的輻射粒子或 及 X 射線釋出 A nuclear decay (or called nuclear disintegration) usually accompanies with the emission of -ray and X-ray 12 IT(10.5m) 0.0586 MeV 0.0 MeV 60 2.506 MeV 27 b - Co (5.26y) 1.332 MeV 60 Co 衰變圖 60 Ni 28 0.0 MeV 137 Cs 衰變圖
放射性核種的強度 (Radioactivity) - 貝克 (Bq ) 或居里 (Ci ) C Bq) (sec -1 ) 0 ( N ( 原子數目 ) ln 2 (sec -1 ) 1 居里 (Ci)=3.7x10 10 貝克 (Bq) T ( 半衰期 ) decay constant number of disintegrations per second half live 1g 的 Cs-137 核種 ( 其半衰期約 30 年 ), 放射性核種強度為多少?? ln 2 1 C0( Bq) 6.02 10 30 365 24 3600 137 12 3.22 10 Bq 87Ci 亦即 1g 的 Cs-137 核種, 其活度為 3.22 x 10 12 Bq ( 相當於 87 居里 ), 亦即其每秒鐘有 3.22 x 10 12 次衰變, 亦即其每秒鐘會放出 3.22 x 10 12 個帶有 0.622MeV 的光子 0 Number of atoms 13 23
放射性核種強度隨時間呈指數衰減 The radioactivity of a radionuclide follows the exponential decaying law 14 C t C 0 e - t ln 2 T 1/ 2 t: 衰減時間 Decay time 活度單位居里 (Ci)=3.7x10 10 貝克 (Bq) 每秒衰變的次數 (disintegrations/sec) 衰減常數 Decay Const. 半衰期 Half Live 經過一個半衰期衰減成原來強度的 1/2, 經過兩個半衰期衰減成原來強度的 1/4, 經過三個半衰期衰減成原來強度的 1/4, 依此類推
電磁力作用 (Electromagnetic Reaction) X- 射線 (X-ray Machine) 15 制動輻射 特性輻射 粒子加速器 (Particle Accelerator) 同步輻射 線性加速器
核反應 (Nuclear Reactions) 包括 : 核分裂 核融合 (n,p) (n, ) (n, ) (,n) (,n) 核分裂 (Fission): 16 235 U + n FP1+ FP2 + 2.4 n + + 台灣核三廠圖 中子 放射性分裂核種 : 131 I 137 Cs 85 Kr 90 Y.. 每一個 235 U 分裂反應的中子淨產生率為約 1.4 個中子, 若不加以控制將成 (1.4) m 級數成長, 控制中子淨產生率是核能發電中重要的控制原理 核融合 (Fusion): 2 H + 2 H 3 He + 1 n 2 H + 3 H 4 He + 1 n 美國普林斯頓大學的 Tokamak 核融合測試反應器
Radioactivity 17 1.4 游離輻射的特性 衰變與衰減 衰變 (Decay) 放射性的物質皆有隨時間而逐漸減少的現象 ( 指數衰減定律 ) exponential decaying law 常用射源 半衰期 60 Co 5.3 年 137 Cs 30.0 年 90 Sr 28.1 年 192 Ir 73.8 天 T 1/2 2T 1/2 3T 1/2 4T 1/2 Time
Lead or thick concrete 18 衰減 (Attenuation) 游離輻射都可以經由選定之屏蔽物質達到衰減其強度或完全阻擋其穿透之目的 ( ) (b) ( ) A piece of paper Aluminum foil
1.5 輻射的應用 (Applications of Ionizing Radiation) 1.5.1 醫療應用 (Medical Applications) 醫用 X 光 電腦斷層攝影 (CT SPECT PET..) 放射性治療 (Radio-therapy)( 近接植入 遠隔照射 ) 核醫藥物 (nuclear medicine)( 顯影劑 核醫藥物治療 ). 19
X- 射線與 - 射線在物理上的區別 (X-ray and -ray in Physics) 氫原子電子軌道能階圖 碳原子原子核能階圖 20 鋰 -7 原子結構示意圖 X Ray Ray
特性輻射 (Characteristic X-Ray) 原子軌道電子變遷所放出的光 產生 X- 射線的兩種機制 (Two Mechanisms Producing X-ray) 制動輻射 (Bremsstrahlung X-Ray) 21 加速帶電粒子往一個重原子核撞擊所放出的光
傳統醫用 X 光機示意圖 (Inside of a Typical X-ray Machine) 22 鉛及鐵混合包封 射束過濾片射束開口及快門
線性加速器可以產生相當高能量 X 光 (Inside of a Typical High Energy X-Ray Linear Accelerator) 23
24 典型鎢靶光譜 Tungsten Spectrum 典型鉬靶光譜 Molybdenum Spectrum
典型醫用 X 光機照射室示意圖 (Typical Medical X-ray Irradiation Room) 25 Leaked Scattered Primary Beam X-ray Tube Irradiation Target
1.5.2 輻射照射應用 (Irradiation Applications) 26
液位計 1.5.3 各種工業及科研上之輻射應用.. (Other Industrial and Scientific Applications) 27 測漏計 厚度計
典型 X 光繞射儀內部示意圖 (Inside of a Typical X-ray Diffractometer) 典型 X 光繞射儀屬於可發生游離輻射設備登記類管制 (150kV 管電壓以下 ) 典型 X 光繞射儀 28 Braggs Law
舊型開放式 X 光繞射儀 Open System X-ray Diffratometer 新型封閉式 X 光繞射儀 Cabinet X-ray Diffratometer
常用的 X 光繞射儀陽極金屬靶及其特性輻射 X 光波長 (Typical Anode Material of X-ray Diffractometer) Often quoted values from Cullity (1956) and Bearden, Rev. Mod. Phys. 39 (1967) are incorrect. Values from Bearden (1967) are reprinted in international Tables for X-Ray Crystallography and most XRD textbooks. Most recent values are from Hölzer et al. Phys. Rev. A 56 (1997) Has your XRD analysis software been updated?
氣相層析電子捕獲偵測儀 (GC-ECD) (Gas Chromatograph-Electron Capture Detector) Ni-63 GC-ECD 屬於密封射源管制, 必須登記備查 Ni-63 通常鑲鍍於陽極金屬板內, 由於其放射的 b - 粒子能量低, 不致造成體外暴露, 但仍擔心會有洩漏造成的吸入或攝入劑量, 因此應有專業人員做定期性的洩漏測試 ( 擦拭取樣分析 ) 28Ni 63 (T 1/2 ~ 100 y) b - (100%) E max = 66 kev E ave = 17 kev 29Cu 63 (Stable)
醋酸鈾醯 (Uranyl Acetate) 醋酸鈾醯一般做為電子顯微鏡試樣染色之用, 一般製備為 1~2% 溶液, 由於含鈾, 因此列為核子原料管制, 用量應進行列帳管理 一般實驗室等級醋酸鈾醯的 U-238 放射強度均極低 醋酸鈾醯的操作安全考量 : 由於醋酸鈾醯的 U-238 為 放射核種, 而其衰變系列所產生的 b - 能量也太低而無法穿透皮膚 ; 則因為數量太少, 因此, 體外暴露幾乎不須考慮 避免吸入或攝入醋酸鈾醯的 U-238, 因其可能影響肺和骨細胞, 而提高致癌風險 同時化學上的重金屬傷害對腎臟也有影響 避免藥品灑到身體或實驗桌面 / 地面 醋酸鈾醯 ( 二水合物 ) UO 2 (CH 3 COO) 2 2H 2 O 實驗過程產生的固 / 液廢棄物, 均應集中收集與處理
實驗室及工業上常用的輻射源及其半衰期 (Typical Radiation Sources Used by Lab. and Industry) 33 工業上常用的輻射源 實驗室常用的標準射源 (Radiation Sources) 33
34 1.5.4 核能發電 (Nuclear Power Generation) UO 2 燃料丸 核能電廠 控制系統重要部件溫度和壓力 控制乏燃料池水位 / 溫度 控制各項緊急冷卻和輔助電源 燃料束 核反應爐 控制中子的反應速率 控制爐心水位 / 溫度 / 壓力
福島核災 (2011.03.11 Fukushima Nuclear Accident) 並非中子反應度的控制意外, 而是爐心冷卻不足及冷卻水流失問題 福島核一廠 20~30km 處偵測點 6/6~6/7 環境直接輻射劑量變化圖 35 照片取自 The New York Times 事故前 事故後
福島核災期間日本各地沉降物放射線強度監測結果 36 靜岡 碘 -131 銫 -137 3/18 未檢出 未檢出 3/21 200 72 3/25 未檢出 未檢出 3/31 未檢出 3.4 4/1 未檢出 未檢出 相關數據摘日本文部科學省 4/23 網站公告 註 : 福島縣離東京都會區 240 公里 離台北 2200 公里 明顯影響範圍 Bq/m 2 茨城 碘 -131 銫 -137 3/18 880 86 3/21 85,000 12,000 3/25 860 160 4/1 45 未檢出 4/21 未檢出 12 東京 碘 -131 銫 -137 3/18 51 未檢出 3/21 32,000 5,300 3/25 220 12 4/1 未檢出 15 4/21 未檢出 5.8
37 1.5.5 民生消費性產品 (Consumer Products) 手錶和時鐘的光源 ( 早期 226 Ra, 近期 3 H, 147 Pm) 陶瓷器皿 ( 天然的 U Th K) 煙霧偵檢器 ( 241 Am) 黃綠古董玻璃 ( 天然的 U Th K) 電焊條 ( 鎢桿中的 Th) 肥料 (K, P, U) 37
38 1.6 生活中的游離輻射 (Ionizing Radiation Sources ) 1.6.1 生活中的輻射來源 (Possible Radiation Sources)
一般民眾接受天然與人造輻射來源分佈圖 The distribution of the averaged annual radiation dose from natural and man-made ionizing radiations for human 39 Man-made Radiation Radon 其他 < 1 % 職業曝露 0.3% 落塵 < 0.3% 核能發電 0.1% 雜項 0.1% Natural Radiation
40 1.6.2 天然輻射 (Natural Radiations) A. 氡氣 (Radon) 天然放射性氣體 ( 放射性核種 ), 為鈾和釷的子核種 U 238 α Th 234 - β Pa 234 - - β U 234 α Th 230 α Ra 226 α Rn 222 ( 半衰期 3.8 天 ) Th 232 Ra 228 - b Ac 228 - - b Th 228 Ra 224 Rn 220 ( 半衰期 55.6 秒 ) 地表土壤及岩石中都含有少量的鈾和釷, 建材亦多為土壤和岩石之製品, 氡氣因此長存於居住環境中, 為天然輻射之最大來源 密閉坑道 通風不良之居處環境, 易造成氡氣濃度之累積 富含鈾或釷礦床之地區, 氡氣濃度也較高
41 B. 體內的天然輻射 - 主要為鉀 -40(K 40 ) A commonly existed radionuclide inside the human body K 40 (Potassium -40) 人體體重約含 0.2% 的鉀, 其中 0.012% 的鉀 -40( 半衰期 1.27x10 9 年 ) 為 b - 放射性核種 人類的食物來源中, 魚 蔬果 牛奶 肉類和五穀也或多或少含有鉀 -40
42 C. 宇宙射線 (Cosmic Radiation) 高空飛行可能接受之宇宙射線劑量 平地與高山可能接受之宇宙射線劑量
D. 地表輻射 (Terrestrial Radiation) 地表的土壤及岩石含有天然放射性核種 - 鈾 (U) 釷 (Th) 鉀 -40(K 40 ) 及鈾 釷之衰變核種 不同地區可能因地質型態之不同, 而具有度不同的地表輻射背景劑量 43
44 世界各國及其各區域可能因地域或生活習慣不同而有不同的背景劑量水平 類別世界平均美國日本臺灣 宇宙射線 0.36 0.28 0.38 0.27 地表及建物 0.41 0.28 0.29 0.55 小計 ( 體外輻射 ) 0.77 0.56 0.67 0.82 氡 等 1.26 2.00 0.56 0.83 鉀 40 等 0.36 0.39 0.47 0.33 小計 ( 體內輻射 ) 1.62 2.39 1.03 1.16 合計 2.40 3.00 1.70 2.00 UNSCEAR: 聯合國原子輻射效應科學委員會 (1993) 年劑量 ( 毫西弗 ) 地區或國家名稱 年劑量 ( 毫西弗 ) 2 毫西弗的倍數 說 明 伊朗 Ramsar 市 6~360 3~180 此等地區 印度 Kerrala 區十個村莊 平均 13 6.5 民眾癌症發生率與 巴西 Espirito Santo 0.9~35 17.5 一般地區無明顯差 異 大陸 福建鬼頭山區 平均 3.8 最高 120 1.9 60
45 1.6.3 人造輻射 (Man-made Radiation) A. 醫療輻射 (Medical) 醫用 X 光 放射性治療 核醫藥物.. B. 工業輻射 (Industry) 核能發電 非破壞性檢驗 厚度計 密度計 液位計 C. 民生用品輻射 (Consumer Products) 夜光表 煙霧偵檢器 肥料 45
1.6.4 生活中輻射劑量的比較 ( 毫西弗 msv) 100,000 腫瘤放射治療總劑量 20,000 ~100,000 20 10 輻射工作每天抽人員 30 支香劑量菸 13 / 年限值 20 / 年 心臟冠狀動脈掃描 16 自然背景 1.6~2.0 / 人 / 年 20,000 5 6,000 鈷 60 一次照射 2000 電腦斷層攝影 全身一次急性曝露 4000~6000mSv 50% 機率兩週內死亡 (Lethal Dose) 2,000 正電子斷層攝影 (PET) 7 胸部掃描 7 頭顱掃描 2 1 0.1 一般民眾劑量限值 1.0 / 人 / 年核電廠運轉 0.015/ 年 0.01 1,000 46 46 全身一次急性曝露 1000~2000 msv 噁心 / 嘔吐 / 血球減低恢復慢 乳房 X 光攝影 0.7 胸部 X 光一次 0.02 全口牙 X 光 0.01 單齒 0.005
工業上各種輻射照射應用輻射劑量比較表 (There are lots of industrial applications using extremely high radiation doses) 47 4 Gy 的加馬等效劑量為 4000 毫西弗 (msv) 47
48 X 光繞射儀內部的可能劑 (Possible Radiation Dose Rate Inside a Powder Diffractometer) 直接暴露於儀器內部 X 光 1. 弱穿透 / 皮膚灼傷 2. 眼球傷害 註 : 1 R ~ 0.87 rad ( 空氣 ) = 8.7 msv (, 空氣 ) ~ 0.96 rad ( 人體 ) = 9.6 msv (, 人體 ) 儀器外劑量 ~ 背景值 2 msv/yr ~ 200 mr/yr ~ 0.02 mr/hr
49 輻射量警示簡要彙總 (Summary of Some Radiation Alert Dosage Indexes ) 項目 (Items) 劑量 : 毫西弗 (msv); 微西弗 (msv) 搭飛機 (one oversea flight) ~ 6 msv/h 1 張胸部 X 光 (one chest X-ray) ~ 0.02 msv 1 張電腦斷層 (one CT X-ray) ~ 5~10 msv 1 天 30 根菸 (30 cigarettes/day) ~ 13 msv/y 平均每人每年的背景輻射值 (background) 需躲在屋內掩蔽的輻射量 ( emergency shelter) 需疏散到避難所的輻射量 (emergency evacuation) 服用碘片時機 (take iodine tablet) 暫時移居 (temporary relocation) 永久遷離 (permanent relocation) ~ 1.6~2.0 msv/y 2 天內達 10 毫西弗以上 (>10 msv within 2 days) 7 天內達 50~100 毫西弗 (50~100 msv within 7 days) 100mSv 預期輻射量 30 天內達 30 毫西弗以上 (Expect > 30 msv within 30 days) 預期終生輻射量達 1000 毫西弗以上 (Expect > 1000 msv for whole life) 註 1: 法定一般民眾 1 年可接受 1 毫西弗輻射 ; 註 2:1 西弗 =1000 毫西弗 引用自原子能委員會
1.6.5 生活環境與輻射曝露間的關係 (Radiation Protections w.r.t. Living Environment) 整體環境 (Environment) 醫療 50 (Medical) 工作場所 / 實驗室 (Laboratories, Industries,...) 消費 (Consumer Products)
工業汙染產品的輻射異常事件 (Radiactive Contamination of Industrial Products were Found) 51
大規模的惡意輻射傷害也是我們所擔心的 (Dispersions of Radiation are of Great Concerns Against Terrorism ) 911 後最被擔心的可能大規模恐怖攻擊事件 放射性汙染散佈 放射性汙染物散佈 ( 髒彈 : Dirty Bomb) 核廢料散佈 小型原子武器 生物及化學武器 細菌 / 病毒散佈 毒性化學物質散佈 52 放射性物質及可產生游離輻射設備的嚴格管控
2. 游離輻射的生物效應 Biological Effects of Ionizing Radiation Exposure 53
54 2.1 輻射劑量的定義 (Definitions of Radiation Dose) 吸收劑量 D T :Absorbed Dose ( joul / kg) 1 Gy ( 戈雷 ) = 1 joul /kg ( 焦耳 / 公斤 ) 等價劑量 H T :Equivalent Dose ( joul / kg) H T DT, R R W 1 Sv ( 西弗 ) = 1 Gy x W R (W R 輻射加權射質因數 ) 輻射種類 R ICRP 60/ W R 光子 1 所有能量之電子及 m 介子 1 中子 <10 kev 10 ~ 100 kev 100 kev ~ 2 MeV 2 ~ 20 MeV >20 MeV 質子 5 5 10 20 10 5 阿伐 分裂產物碎片 重核粒子 20 D T d dm 某一組織或器官
有效劑量 E( 單位 : 西弗 ) :Effective Dose ( joul / kg) 55 E H T W T T 器官或組織 (Organ or Tissue) ICRP-60 W T 性腺 ( 生殖腺 ) Gonads 0.20 紅骨髓 Red Bone Marrow 0.12 人體不同器官所接受到的等效劑量 Equivalent Dose 因人體不同器官遭受到不同輻射劑量所造成的整體人體輻射效應 不同器官之組織加權因素 Tissue Weighting Factor 結腸 ( 大腸直腸 ) Colon 0.12 肺 Lung 0.12 胃 Stomach 0.12 膀胱 Bladder 0.05 乳腺 Breast 0.05 肝臟 Liver 0.05 食道 Oesophagus 0.05 甲狀腺 Thyroid 0.05 皮膚 Skin 0.01 骨髓表面 Bone Surface 0.01 其餘部分 Remainder of Body 0.05 資料來源 :ICRP-60(1991) 我國目前之法規 W T 係沿用 ICRP-60
2.2 輻射照射與輻射污染以及全身與局部照射 (Irradiation, Contamination, External/Internal Exposure) 照射 (Irradiation): 人曝露於體外輻射場中受到輻射之照射, 不會造成輻射之擴散 污染 (Contamination): 人的髮膚附著或體內吸入或攝入放射核種而受到輻射之照射, 污染通常會造成輻射之擴散 造成人體之輻射曝露, 其輻射源來自於體外者稱為體外曝露 (External Exposure), 來自於體內者稱為體內曝露 (Internal Exposure) 放射核種沾黏於髮膚造成局部照射 局部照射 體內吸入或攝入放射核種造成局部或全身照射 56 全身均勻照射
Dicentric chromosome variations 2.3 游離輻射對身體細胞傷害的機制 (Damage of Human Bio-molecular Cells by Ionizing Radiation) 游離輻射其能量足以破壞生物細胞分子, 造成組織或遺傳基因的 DNA 破壞, 以及進一步的染色體變異等等 57 Chromosome Variations caused by ionizing radiation
不同生物細胞對游離輻射之敏感度 (Sensitivity of bio-molecular cells w.r.t Ionizing Radiation) 58 CELL TYPE ( 細胞型態 ) PROPERTIES ( 細胞特性 ) EXAMPLES ( 細胞例子 ˋ) SENSITIVITY 敏感度 I. Vegetative Inter-mitotic Cells Divide Regularly, No Differentiation Erythroblasts 母紅血球 Intestinal Crypt Cells 腸內絨毛細胞 Germinal Cells of Epidermis 表皮生長細胞 高 (High) II. Differentiating Inter-mitotic Cells Divide Regularly, Some Differentiation Between Divisions Myelocyles 骨髓細胞 Hematopoietic Cells 造血細胞 Spermatogonia Cells 精子細胞 Connective Tissue Cells III. Reverting Post-mitotic Cells IV. Fixed Post-mitotic Cells Do not Divide Regularly, Variably Differentiated Liver Cells 肺組織細胞 Thyroid Cells 甲狀腺組織細胞 Kidney Cells 腎組織細胞 Highly Differentiated Nerve Cells 神經細胞 Muscle Cells 肌肉組織細胞 低 (Low)
59 2.4 輻射之健康效應 (Health Effect of Radiation Exposure) 遺傳效應 (Genetic Effect): 輻射可能導玫染色體結構變異或基因突變, 染色體分裂時如受嚴重照射將改變其特性 基因突變可能導致智能或身材的差異, 如侏儒 智能減退 早產 多病或白痴等 軀體效應 (Somatic Effect) (1) 急性全身效應 (Whole body acute response) 如下表所列 : 一次劑量 ( 毫西弗 ) 一般症狀說明 (symptom) < 10 msv 無可察覺症狀, 但遲延輻射病的產生仍可能發生 100 250 msv 能引起血液中淋巴球的染色體變異 250 1000 msv 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 1000 2000 msv 有疲倦 噁心 嘔吐現象, 血液中淋巴及白血球減少後恢復緩慢 2000 4000 msv 24 小時內會噁心 嘔吐, 數週內有脫髲 食慾不振 虛弱 腹瀉及全身不適等症狀, 可能死亡 4000 6000 msv 與前者相似, 僅症狀顯示的較快, 在 2 6 週內死亡 (Lethal Dose) 率為 50% (50% probability dying within 2~6 weeks) >6000 msv 若無適當醫護, 死亡率為 100%
60 (2) 局部或遲延效應 (Local tissue acute or delayed response) 皮膚 眼睛 紅斑 脫毛 嚴重者會紅腫 起泡 潰瘍, 有如一般燒傷 水晶體受 5 西弗以上之輻射劑量破壞後透明性喪失, 出現雲絲狀物 ( 俗稱翳 ), 是為白內障, 嚴重者可能失明 造血機能紅骨髓為造血器官, 對輻射極為敏感, 受破壞後將減弱血液之殺菌, 運輸及凝血功能, 且可能導致血癌 ( 俗稱白血病 ) 消化器官受輻射傷害之主要症狀為噁心 嘔吐 腹瀉及食慾不振 小腸內壁最為敏感, 受損後易致潰瘍, 大量出血 ( 不易凝結止血 ), 且不易消化吸收, 造成體弱及貧血, 並易感染併發症 甲狀腺 位於喉部, 分泌荷爾蒙控制新陳代謝 碘 -131 侵入人體後, 即被吸收, 集中於此, 減少生產荷爾蒙, 以致減低新陳代謝而損及健康, 或可能導致甲狀腺癌 生殖機能男子睪丸一次接受 5 西弗以上時可能導致永久不孕, 劑量較低或慢性累積者均可恢復, 女子不孕劑量約為 3 西弗 遭受高劑量損害之精子或卵子, 如成孕則可能造成流產 死胎 畸形或智能遲鈍等現象 胎兒於細胞分裂生殖期中最易受輻射影響, 故孕婦懷孕初期宜特別注意 孩童對輻射亦遠較成人為敏感
3. 輻射劑量與法規 Radiation Dose and Regulations 61
3.1 簡單的輻射偵檢器原理 Basic Principles of Ionizing Radiation Detection 62 充氣式偵檢器 Gas Detectors 輻射游離充氣式偵檢器中的氣體, 造成與游離度相當的電子與離子對, 形成可度量之電流或脈衝 半導體偵檢器 Semi-conductor detectors 輻射游離半導體偵檢器中的半導體介質, 造成與游離度相當之電子與電洞對, 形成可度量之電流或脈衝
63 3.2 人員體內放射性污染的偵測 Detections and Measurements of Internal Contaminations 全身計測法 (whole body counting) 生化分析法 (biochemical analyses) 可直接自體外計測體內含核種及活度, 藉由取人的排泄物 ( 糞便 尿 血對體內污 χ 或 γ 核種的測量甚為方便, 液等 ), 經過適當處理後加以偵測, 高能量 β 核種也可能測量 據以推算全身污染的活度, 此方法適於偵測發射任何輻射 (α β γ χ) 的放射性核種 全身計測 染色體變異分析 (chromosome variation analyses)
3.3 人員體外劑量監測 Detections and Measurements of External Radiations 64 個人劑量計 劑量筆 Personal Dosimeter Pen Dosimeter 人員劑量配章 Film Badge 手提輻射偵檢器 Radiation Survey Meter
65
進出輻射管制區之門型偵檢器 The Gate Detector installed at a gate of a radiation control area 進出海關碼頭之門型偵檢器 The Gate Detector installed at harbor, airport, industrial park 66
3.4 環境輻射監測 Atmospheric and Environmental Detectors 67 地球整體大氣之流動影響著我們的環境輻射背景 核二廠附近之輻射偵測站位置圖
68 3.5 放射性廢料管制 (Control of the Radioactive Waste) 放射性廢料的緣起 - 原子武器 L:3m, D:0.71m, W:4000kg
Little Boy ( 廣島原子彈 ) the first nuclear weapon used in warfare. It exploded approximately 1,800 feet over Hiroshima, Japan, on the morning of August 6, 1945, with a force equal to 13,000 tons of TNT. Immediate deaths were between 70,000 to 130,000. the first nuclear weapon used in warfare. It exploded approximately 1,800 feet over Hiroshima, Japan, on the morning of August 6, 1945, with a force equal to 13,000 tons of TNT. Immediate deaths were between 70,000 to 130,000. 69 Fat Man ( 長琦原子彈 ) the second nuclear weapon used in warfare. Dropped on Nagasaki, Japan, on August 9, 1945, Fat Man devastated more than two square miles of the city and caused approximately 45,000 immediate deaths.
原子能和平用途 70 - 核能發電產生 高及中階廢料 (HLW, MLW) 低階廢料 (LLW)
全球核能發電裝置容量 ( 運轉中, 至 2008 年 6 月 ) 71 美國法國日本俄羅斯德國南韓烏克蘭加拿大英國瑞典中國西班牙 台灣 6 5,144
72 法國 ~76% 核能發電在各國的電力佔比 瑞士 ~40% 南韓 ~35% 芬蘭 ~29% 日本 ~28% 德國 ~25% 台灣 ~20% 美國 ~19% ( 依據 IAEA 2008) 中國 ~3%
- 理工農商各種應用均有可能產生放射性廢料 (Radioactive wastes are generated from every radiation application) 73
我國的放射性廢料管制流程 (Radioactive wastes are controlled by the governmental level) 74
幾種被提及過的高階廢料 (HLW) 處置概念 外太空丟棄 極地冰層深埋 75 深層海溝深埋 深層地質處置
我國目前的蘭嶼低階廢料 (LLW) 貯存場 76
3.6 輻射劑量之法規限值 (Regulation Limit of ionizing radiation) 游離輻射防護法 年劑量限值 (Annual Dose Limit) 目的 抑低機率效應至可接受水平 防止確定效應發生 游離輻射防護法施行細則 游離輻射防護安全標準 (2003.02.01 開始施行, 2005.12.30 修訂 ) 組織器官 Tissues 全身 ( 有效劑量 ) Effective dose 眼球水晶體 個別組織或器官 Other Tissues 劑量限度 ( 毫西弗 / 年 ) Annual limit (msv/y) 輻射職業人員民眾 (Occupation) (Public) 50 ( 連續五年之年平均小於 20) Eye 150 15 1 500 50 77
佩帶人員劑量計之規定 (Regulations w.r.t. Wearing Personal Dosimeters) 我國於 2002 年公布的 游離輻射防護法 第 15 條, 及其於 2008 年修訂之 游離輻射防護法施行細則 第 6 條與人員劑量監測有關的規定如下 : 78 (1) 工作人員一年之曝露可能超過年個人劑量限度十分之三者 ( 通常稱為甲種狀況 ), 其有效劑量為 6 毫西弗, 眼球水晶體之等價劑量為 50 毫西弗, 皮膚及四肢之等價劑量為 150 毫西弗 ), 雇主應對輻射工作人員實施個別劑量監測 進入工作場所應佩帶人員劑量計 (2) 雇主評估其工作人員曝露可能低於年個人劑量限度十分之三者 ( 通常稱為乙種狀況 ), 得以工作環境監測代替個別人員偵測 工作場所應配備輻射劑量 ( 率 ) 監測器
教學上游離輻射設備操作之規定 (Regulations w.r.t. Handling ionizing Radiation Device at Academies and Universities ) 依據放射性物質及可發生游離輻射設備操作人員管理辦法 (2009 年修訂版 ) 第 3 條規定 : 基於教學需要在合格人員指導下從事操作訓練者, 係指 : 一 中等學校 大專校院及學術研究機構之教員 研究人員及學生 二 主管機關認可之輻射防護訓練業務機構之學員 三 接受臨床訓練之醫師 牙醫師或於醫院實習之醫學校院學生 畢業生 四 接受職前訓練之人員 第一項人員於操作放射性物質或可發生游離輻射設備前, 應接受合格人員規劃之操作程序及輻射防護講習 但操作主管機關核發許可證之移動式或無固定式屏蔽之放射性物質或可發生游離輻射設備時, 仍應在合格人員直接監督下為之 前項操作程序及輻射防護講習, 時數不得少於三小時 79
輻射作業教學或工作訓練之規定 依據游離輻射防護安全標準 (2005 年修訂版 ) 第 10 條規定 : (Special Rules for Protecting Young Trainees ) 80 十六歲至十八歲接受輻射作業教學或工作訓練者, 其個人年劑量限度, 依下列之規定 : (1) 有效劑量不得超過 6 毫西弗 乙種狀況 (2) 眼球水晶體之等價劑量不得超過 50 毫西弗 (3) 皮膚或四肢之等價劑量不得超過 150 毫西弗 對於女性保護之特別之規定 (Special Rules for Protecting Pregnant Workers ) 依據游離輻射防護安全標準 (2005 年修訂版 ) 第 11 條 : 雇主於接獲女性輻射工作人員告知懷孕後, 應即檢討其工作條件, 使其胚胎或胎兒接受與ㄧ般人相同之輻射防護 前項女性輻射工作人員, 其剩餘衽娠期間下腹部表面之等價劑量不得超過 2 毫西弗, 且攝入體內放射性核種造成之約定有效劑量, 不得超過 1 毫西弗
81 4. 游離輻射防護的要點 Basic Principles of Radiation Protection
4.1 體外輻射防護的原則 Principles of Protection for External Exposure 時間 (Time): 縮短於輻射場中的逗留時間 82 衰減 (Decay): 注意射源原始強度與衰減時間 ( 瞭解你的射源 ) C=C O.e -λ.t 距離 (Distance): 加馬射源強度隨距離平方成反比 屏蔽 (Shielding): 使用各種有效的屏蔽材料 衰減
4.2 體內輻射防護的原則 Principles of Protection for Internal Exposure 83 阻絕 (Blockage): 阻絕放射性物質經由飲食 呼吸 皮膚吸收 傷口侵入進入入體內的途徑 因此, 個人體內曝露的防護方法就是避免在污染地區逗留, 避免食入 減少吸入 增加排泄 稀釋 (Dilution): 對受輻射污染的空氣或水以未受污染的空氣或水加以大量稀釋, 使其達到可以排至大氣或水域中之排放規定 分散 (Dispersion): 對受輻射污染的物質藉由空氣或水域加以分散 除污 (Decontamination): 加強污染管制及除污的工作, 利用各種除污方法對受輻射污染的人體或物體進行除污, 使其所附著的放射性污染減少
4.3 輻射源強度與加馬輻射場計算 (Calculation of Radioactivity and Field Strength ) 輻射強度之衰減 (Radioactivity Decay) - 指數衰減定律 (Exponential Decaying Law): 確定所拿到的純射源或儀器中射源之出廠輻射活度, 計算到實際應用時所剩餘之輻射活度 : - t ln 2 Ct C0 e T t: 衰減時間 活度單位居里 (Ci)=3.7x10 10 貝克 (Bq) 衰減常數 1/ 2 半衰期 84 常用射源 半衰期 60 Co 5.3 年 137 Cs 30.0 年 90 Sr 28.1 年 192 Ir 73.8 天
加馬輻射場強度之簡易估算 (Simplified Calculation of Field Strength ) H(10 曝露於輻射場中之劑量率 (10-2 西弗每小時 ) - 2 0. 53 C Sv / h) 2 d E 85 射源活度 (Ci: 居里 ) 射源能量 (MeV) 離射源之距離 ( 公尺 ) 註 : 以工作人員年劑量限值 50mSv = 0.05Sv 而言, 年工作時數為 8 h/day x 5 day/week x 50 week/yr = 2000 h 劑量率限值為 0.05 Sv/2000h = 2.5x10-5 Sv/h=25 msv/h
86 4.4 輻射屏蔽之考量 (Shielding w.r.t. Various Radiation Types) α 粒子之屏蔽考量 : α 粒子因其穿透力甚弱, 人體皮膚之死層 (Dead Layer) 可有效阻止 α 粒子 (α 至少需具有 7.5MeV 依上之能量, 才可能穿透皮膚 ), 因此 α 粒子在體外將不會構成傷害 故 α 粒子之屏蔽問題可以不考慮 但 α 粒子如進入體內, 則其輻射加權因數 (W R ) 值為 20, 對身體構成很嚴重的傷害, 故該特別小心防護 α 粒子進入體內 (α can hardly penetrate a thin paper or out-layer of skin;the inhalation &. ingestion of α emission nuclides is the concern.) β 粒子之屏蔽考量 : β 粒子之穿透力較 α 強, 通常 1MeV 之 β 粒子在空氣中可通行 3.3 公尺, 故 β 粒子可穿過皮膚之死層, 對人體之皮膚具有傷害力, 但通常無法穿透深層體下組織 ( β can reach the inner layer of skin and causes skin injuries)
中子之屏蔽考量 : 一般非核能或非核燃料循環之實驗室, 均極少有機會接觸到中子輻射場 屏蔽中子的最好方法是使用含低原子序較多的物質 ( 如水 塑膠 ) 來減速中子, 然後用強中子吸收體 ( 如硼 -10) 來吸收中子 ( Hydrogen abundant materials are used for slowing down neutrons and neutron absorbers are used to capture neutrons ) γ 或 X 射線之屏蔽考量 : γ 或 X 射線對物質之穿透力很強, 必須使用密較高的物質為屏蔽 ( 如鐵或鉛 ), 才能有效阻擋 γ 或 X 射線 ( High Z or high density materials are used for shielding -ray and X-ray ) 87
4.5 簡易的 γ 或 X 射線之屏蔽估算 (Simplified Calculation of -ray and X-ray Shielding ) 半值層法 : 衰減一半 γ 或 X 射線輻射場強度之屏蔽材質厚度, 稱為此材質之半值層 (HVL;Half Value Layer) 88 HVL w.r.t. different sources and shields 輻射源鉛 (cm) 混凝土 (cm) 鐵 (cm) sources Lead Concrete Iron 137 Cs 0.65 4.8 1.6 (0.662MeV) 60 Co 1.2 6.2 2.1 (1.25MeV) 50kV X-ray 0.006 0.43 100kV X-ray 0.027 1.6 250kV X-ray 0.088 2.8 H 0 : 未加屏蔽前的輻射場 (Sv/h) H t : 加屏蔽後的輻射場 (Sv/h) H t H 0 1 2 t HVL
5. 結語 (Conclusions) 89 人為輻射 醫理工農商各種應用 Man-made Natural 天然輻射 宇宙 / 大氣 / 地表 輻射源與輻射場 Radiation Sources and Fields Internal Exposure 體內曝露 體外曝露 External Exposure WB Counting &. Biochemical Analyses. 全身計測或血液糞便生化分析 各種體外監測或環境監測儀器 Dosimeters &. Survey Meters 個人體外輻射防護原則 : 時間 衰減 距離 屏蔽 個人體內輻射防護原則 : 阻絕 稀釋 分散 除污 設施輻射防護原則 : 安全 管理 法規 應變 Personal Protection Principles + Facility Management and Regulation Control