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高考申論題 114年 [輻射安全] 放射物理學與輻射劑量學

第 一 題

📖 題組:
一球形水體(密度假設為 1 g/cm³),半徑為 2 cm,含有均勻分布之放射性核種 22Na,其比活度為 10^5 Bq/g。 已知: ‧22Na 以 90.5%機率發射最大能量與平均能量為 0.546 與 0.216 MeV 之 β⁺。 ‧產生 2 顆 0.511 MeV 互毀光子。 ‧β⁺為短射程粒子,在此幾何下產生 CPE,可全數沉積能量。 ‧γ 光子穿透力強,需考慮吸收分率(已知 μen 0.511 MeV, H2O = 0.033 cm⁻¹)。
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

計算在一週內 β⁺所貢獻的吸收劑量(Gy)。(6 分)

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看到內輻射劑量計算題,先確立射源的「比活度」、「產率」與「平均能量」,並區分粒子種類的吸收條件。對於短射程的 β⁺ 粒子,題目已提示達 CPE,故吸收分率為 1;計算時切記使用「平均能量」而非最大能量,並確實將比活度單位從 g 轉換為 kg 以符合 Gy (J/kg) 的定義。

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【解題關鍵】利用比活度計算單位質量的活度,結合 β⁺ 的平均能量與產率,在帶電粒子平衡(CPE)下計算總能量沉積。 【解答】 計算:

小題 (二)

計算 0.511 MeV γ 光子在球體中心之吸收分率(AF)。(6 分)

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考生看到此題應立刻聯想 MIRD 內部劑量學與幾何積分。對於均勻分布的球體射源,可利用球座標體積分計算中心點的輻射劑量,進而與無窮大體積之平衡劑量對比,推導出中心點的吸收分率(AF)等於 1 - exp(-μ_en * R),最後代入吸收係數與半徑求解。題目中給的活度與 β⁺ 能量為後續計算總劑量的干擾項/其他子題條件,在此題中不需要用到。

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【解題思路】利用球座標積分推導均勻球體輻射源至中心點的劑量,並根據 MIRD 劑量學吸收分率(AF)的定義對應出 $AF = 1 - e^{-\mu_{en}R}$ 進行計算。 【詳解】 已知:

小題 (三)

計算 γ 光子在一週內對球體中心之吸收劑量(Gy)。(7 分)

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面對此類內在劑量計算題,首先需釐清射源幾何(均勻球體)與計算標的(球心 γ 劑量)。依據題目指示忽略局部沉積的 β⁺ 粒子,僅針對 0.511 MeV 互毀光子。解題思路為:先計算單位體積的光子發射率,利用積分求出球心之光子通量率(Fluence rate),再透過質能吸收係數(μen/ρ)將「能量傳遞」轉換為該點的「能量吸收」劑量率,最後乘上暴露時間即可得解。

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【解題關鍵】均勻球體中心之光子劑量率,需透過積分各球殼射源對中心之通量率(Fluence rate),再乘上光子能量與質能吸收係數(μen/ρ)求得。 【解答】 計算:

小題 (四)

合併總劑量並說明 β⁺與 γ 對中心劑量的主導性差異。(6 分)

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面對含有內源性輻射源的劑量計算,首先區分『短射程粒子 (β)』與『長射程粒子 (γ)』的沉積特性。短射程粒子利用 CPE 假設,計算局部能量全吸收;長射程粒子則需建構球坐標積分,利用能量通量率乘以質能吸收係數求得中心劑量。最後比較兩者貢獻,點出小體積幾何下粒子射程如何主導劑量。

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【解題關鍵】利用 CPE 假設計算 β⁺ 局部全吸收劑量率,並透過球體積分推導 γ 光子的能量通量率與中心吸收劑量率。 【解答】 計算:Step 1:計算 β⁺ 的中心劑量率

📝 內照射吸收劑量計算
💡 計算均勻分布核種在特定幾何體內的能量沉積與累積劑量。
比較維度 Beta 粒子 (β+) VS Gamma 光子 (γ)
射程特性 短射程,具 CPE 穿透力強
能量沉積 全數沉積於水體 部分沉積 (AF < 1)
計算能量 使用平均能量 考量互毀光子產率
劑量主導性 內照射劑量主體 隨體積增大而增加
💬β 粒子因短射程在小體積內貢獻主要劑量,γ 則需依幾何修正吸收分率。
🧠 記憶技巧:β用均能全吸收,γ要乘分率走,互毀光子生兩顆,一週積分別漏掉。
⚠️ 常見陷阱:誤用 β 最大能量計算而非平均能量;遺漏正電子互毀產生的兩顆光子;忽略 γ 射線的穿透性導致 AF 小於 1。
帶電粒子平衡 (CPE) 幾何因子 (Geometry Factor) 互毀輻射 (Annihilation Radiation)

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