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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:
有一個球型鉛貯存容器,內含1Ci 之 24Na , 24Na 每次衰變皆會放出 1.37 MeV 與 2.75 MeV 的光子,其對應鉛的半值層分別為 0.72 cm 與 1.43 cm,而\Gamma常數 (\frac{R \cdot m^2}{Ci \cdot h})的快速估算可用\Gamma=0.5\times E(MeV)。希望設計合適的鉛厚度以使距離貯存容器 1 公尺處的曝露率衰減至10 mR/h。下圖為光子能量(E0)所對應的劑量增建因子(dose buildup factor, B)與弛緩長度(relaxation length, \mu x)之關係。
題組圖片
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

請問\Gamma常數的定義是什麼?(5 分)

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看到這題,應直接回想輻射防護與劑量學中「比加馬射線常數(Specific gamma-ray constant)」的標準物理定義。需說明其代表的物理意義(點射源、無屏蔽、特定距離下的曝露率與活度之關係),並列出數學定義式及常見單位以求完整拿分。

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「加馬常數((\Gamma)常數,Specific gamma-ray constant)」指單一放射性同位素之點射源,在無屏蔽的狀況下,距離射源單位距離處所產生的曝露率(Exposure rate)或空氣克馬率(Air kerma rate)與該射源放射性活度(Activity)的比值。 其數學定義式為:(\Gamma = \frac{\dot{X} \cdot r^2}{A}) 其中:

小題 (二)

請問弛緩長度的定義是什麼?(5 分)

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看到「弛緩長度」應直接聯想到輻射屏蔽中的指數衰減定律。解題關鍵在於指出其物理意義(強度衰減至原來的 1/e)與數學定義(直線衰減係數的倒數 1/μ),並可稍微連結題目給予的圖表橫軸(μx)。

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「弛緩長度(Relaxation length,通常以 λ 表示)」指單能輻射射束在穿越介質時,其未發生碰撞的初級輻射強度或粒子通量,衰減至初始值的 1/e(自然對數底數的倒數,約為 36.8%)時所需的物質厚度。 特徵包含: (1) 數學定義:為該介質之直線衰減係數(linear attenuation coefficient, μ)的倒數,即 λ = 1/μ。

小題 (三)

請問鉛的厚度應設計成多少公分?請分別用良好幾何(good geometry)條件與具有輻射增建之情況下計算之。(25 分)

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看到這類屏蔽設計題,首要步驟是利用 Gamma 常數公式計算出不同能量射線的初始曝露率與直線衰減係數。在深部穿透計算中,可合理忽略低能射線的貢獻,接著分別代入理想無增建的指數衰減公式,以及考量增建因子的公式,並透過弛緩長度查表求得最終厚度。

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【解題關鍵】利用點射源公式計算各能量分支的初始曝露率,結合射束衰減公式 $X = B \cdot X_0 e^{-\mu x}$ 及圖表查出增建因子,並在高厚度下忽略低能貢獻以簡化求解。 【解答】 Step 1:計算 1 m 處未屏蔽之初始曝露率 $X_0$

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