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高考申論題 111年 [輻射安全] 輻射劑量學

第 一 題

📖 題組:
有一工程師在維護重水反應器之後,發現工作環境的空氣被氚(3H)水氣所污染,而當時的氚濃度是未知的。氚是放射性核種且半衰期為 12.43 年。為估計工程師的劑量,請工程師攝取比平時更多的水分,以加速其體內的氚排出,並且取 24 小時的尿液樣本進行分析,得到以下數據: 天 1 2 3 4 5 6 7 比活度(kBq/ml) 3.00 2.70 2.43 2.20 2.00 1.80 1.65
📝 此題為申論題,共 5 小題

小題 (一)

假設成年男性的體內具有 42 公升的水,且每日會經由排泄途徑轉移 3 公升的水,通常稱此為體內水分的移轉率($\lambda_B)$,而當體內水含有氚時,$\lambda_B$也被默認為生物衰變常數。請問此種狀況下的生物半衰期與有效半衰期各是多少?(5 分)

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看到此題應立刻聯想「腔室模型與衰變動力學」。首先利用題目給定的體內水分正常移轉率(每日排出體積除以總體積)求出生物衰變常數($\lambda_B$),進而推導生物半衰期(T_b)。接著代入有效半衰期公式 1/T_{eff} = 1/T_p + 1/T_b,注意必須將物理半衰期(T_p)的單位由「年」統一轉換為「天」再行計算。

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【解題關鍵】利用生物水分移轉率求得生物衰變常數與生物半衰期,再藉由物理與生物半衰期倒數相加之關係式求出有效半衰期。 【解答】 計算:

小題 (二)

因工程師攝取與損耗水分的狀態與平時不一樣,所以根據尿液樣本測得的結果推估,請推算有效半衰期是多少?(5 分)

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考生看到此題應先聯想到體內放射性核種的代謝與排泄符合一階動力學(First-order kinetics)。透過尿液中氚比活度隨時間呈指數衰減的特性,利用公式 A(t) = A_0 * e^(-λ_eff * t) 求出有效衰變常數 λ_eff,進而推導出有效半衰期 T_eff。

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【解題關鍵】體內放射性核種的排泄與物理衰變共同遵守指數衰減規律,需利用一階動力學公式 $A(t) = A_0 e^{-\lambda_{eff}t}$ 搭配測量數據求出有效衰變常數。 【解答】 計算:

小題 (三)

請根據尿液樣本結果推算尿液的初始活度。(5 分)

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本題考查放射性核種(氚水)在人體內的排泄動力學。應先認知到氚水在體內的代謝符合單一指數衰減模型 A(t) = A₀e^(-λ_eff·t)。透過觀察相鄰天數的比活度數據,找出每日的衰減比例,再向前推算至第 0 天(暴露當下)的初始值。

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【解題關鍵】氚在體內的排泄符合指數衰減模型 $A(t) = A_0 e^{-\lambda_{eff} t}$。 【解答】 計算:

小題 (四)

假設體內氚為均勻分布,且放出貝他輻射之平均能量為0.0056 MeV。根據 ICRP 78 所提供的有效劑量轉換因子為 1.8$\times10^{-11} Sv/Bq$。請問工程師的約定有效劑量是多少?(10 分)

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看到此題,首先需認知這是一題典型的「體內劑量評估(Internal Dosimetry)」計算題。解題分為兩階段:第一步利用尿液連續排泄數據回推有效排泄常數與「初始攝入量(Intake)」;第二步將攝入量乘上 ICRP 78 給定的劑量轉換因子求出法規定義的約定有效劑量。此外,題目給定貝他平均能量及多喝水的情境,提示可進一步結合帶電粒子平衡(CPE)概念,用第一性原理(MIRD法)計算實際個人化劑量,比較兩者差異以展現物理洞察力。

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【解題關鍵】 利用連續尿液比活度數據推算有效排泄常數與初始攝入量(Intake),再代入 ICRP 78 有效劑量轉換因子求得約定有效劑量;並藉由帶電粒子平衡(CPE)理論與貝他平均能量計算個人化實際劑量。 【解答】

小題 (五)

請問應如何度量尿液內的氚?請說明該度量方法之原理。(10 分)

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看到氚 (3H) 的度量,第一直覺必須想到其為『低能純貝他發射體』,一般具視窗的偵測器無法測量。因此,唯一標準且有效的度量方法是『液體閃爍計數器 (Liquid Scintillation Counter, LSC)』,原理著重於樣品與閃爍液均勻混合以克服自吸收與視窗效應,並解釋能量轉移至光電倍增管放大的物理過程。

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【破題】由於氚 (3H) 為極低能的純貝他 (β⁻) 發射體,應使用「液體閃爍計數器 (Liquid Scintillation Counter, LSC)」進行尿液中氚活度的度量。 【論述】 一、選用 LSC 之原因

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