國 立 清 華 大 學 原 子 科 學 技 術 發 展 中 心Nuclear Science and Technology Development Center

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李志浩 (Chih-Hao Lee)

基礎輻射 (Basic Radiation Protection)

(游離輻射與輻射防護概要)

游離輻射的專用名詞 (terminology)1.游離輻射: (ionization radiation)

直接或間接使物質產生游離作用的電磁輻射或粒子

2.放射性物質 (radioactive materials)

可經自發衰變而釋出輻射的物質

3.放射性廢料: (radio-ative waste)

指具有放射性或受放射性污染的廢棄物(包括備供最終處置的用過核燃料)

4.輻射源: (radiation source)

產生或可產生輻射的來源，包含放射性物質，可發生游離輻射設備與核子反應器等.

5.曝露: (exposure)

指人體受游離輻射照射或接觸、攝入放射性物質的過程.

6.體外曝露:(external exposure)

指游離輻射由體外照射於身體的曝露.

7.體內曝露: (Internal exposure)

指由侵入體內的放射性物質所產生的曝露

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8. 活度: (Activity)指一定量的放射性核種在一定時間內發生自發衰變數目.單位:貝克(Bq),每秒自發衰變一次為1貝克. One distingration per second)

9. 劑量 Dose物質吸收的輻射能量或其當量

10.吸收劑量(D) Absorption Dose指單位質量物質吸收輻射的平均能量.單位:戈雷(Gy),1戈雷為一仟克(1 kg)質量吸收一焦耳(J)能量

Gy: 1 J of energy absorbed by 1 kg of mass11.等效劑量(H) equalvalent dose

指人體組織的吸收劑量與射質因數(Q)及其他修正因數(N)的乘積

H = D‧Q‧N where Q is quality factor depending on type of radiation and N

is correction factor depending on organ單位：西弗(Sv)

3

4

現行法規等效劑量(law)

輻射從業人員(for professional)

每年 50 mSv (new law reduced to 20 mSv)

25 mSv/h from the dosimeter

if you work 8 h per day

5 days each week

and 50 weeks each year

一般民眾 (general civilian)

每年 1 mSv on the top of background (1-2 mSv)

游離輻射的來源與分類 (Source)游離輻輻射來源與分類，可分為

–(A)天然輻射源 (Natural source)

• 地表輻射(天然放射性物質) (earth)

• 宇宙輻射 (cosmic ray)

–(B)人造輻射源 (man-made source)

• 人工放射性物質(包含用過核子燃料等) (spent fuel, radio-isotopes)

• 可發生游離輻射設備(包含X光機、各類型直線加速器、迴旋加速器、同步輻射等)

• (accelerators)

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Cosmic rays

High energy protons

Earth

Radioisotopes

Decaying

since the earth born

• 天然輻射對人體所造成的體外輻射年有效等效劑量 ( average external exposure)

• 不包含氡氣的年有效等效劑量：平均約為0.90毫西弗(0.9 mSv) (without Rn)

• 包含氡氣的年有效等效劑量：平均約為2.44毫西弗(2.44 mSv) (with Rn)

• 台灣地區含氡氣平均約為1.62毫西弗(1.62 mSv)( in Taiwan, Rn included)

• 十趟美國飛機已足 2 mSv for 10 times flights of Taiwan/USA

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8

(Natural)

(Man-made)

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Natural Background Radiation:

Radioactivity in the Body

The human body contains very

small quantities of radioactive

carbon 14C and potassium 40K. This

radioactive material gets

incorporated into tissues and organs

throughout the body.

The radioactive carbon originates in

the atmosphere and results in a

dose of approximately 0.01 mSv/y in

the soft tissue.

Radioactive potassium is naturally

occurring and contributes

approximately 0.2 mSv/y to the

testes or ovaries. (15 Bq/kg)

40K natural abundance is 0.012%

Half life 1 billion year decay to 40Ar and 40Ca

14C is 10-12 produced by cosmic

rays

Half life 5730 y, beta decay

10

10000 m high

In Sibaria, Russia

Taiwan

0.07 mSv/h

粒子型輻射的特性A.阿伐粒子 (Alpha Particles)

由锕系元素發出氦的質量為4 u.( 1 u = 1.66 × 10-27 kg )，運動

時會受電場影響，其能量一般介於4 ～ 6 MeV.

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穿透能力低一張紙的厚度即可完全阻擋；要穿過標稱的皮膚保護層(7

mg/cm2或0.07 mm) ，所需要的阿伐粒子能量為7.5 MeV。

能量(MeV)

射程

(cm)

阿伐

空氣

距離(cm)

相對

比游

離 空氣

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射程短

在空氣中的射程(R)，約介於1～3 cm in

air。

阿伐粒子在空氣的射程與能量關係

R=0.56E(E<1MeV)

R=1.24E-2.62(E>4MeV)

Low penetration

Short range

B.貝他粒子

貝他粒子()就是電子(e)，帶有一負電荷(e-)。運動速度快，質量輕(9.11x10-31kg)，約為質量的2x10-3。運動時亦會受電場影響。

粒子，是由放射性核種在進行蛻變時，由原子核所釋放。 富含中子之核種發射-，缺中子之核種發射+ 。

Electron or positron

Positron annihilation produces two 0.511 MeV gamma ray

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Beta particle

穿透力

能量(MeV)

射

程 (

cm)

鋁

空氣

水

貝他

塑膠(透明合成樹脂)

深度(mm)

穿透

百分比(%)

LiF(15%)+鐵氟龍

a：90Sr-90Y(E av:0.90 MeV)

b：204Tl (E av:0.24 MeV)

c：147Pm (E av:0.06 MeV)

較粒子為高，可穿透紙、塑膠薄膜等低密度物質。要穿過標稱的皮膚保護層(7 mg/cm2或0.07 mm) ，需要至少70 keV的能量。

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射程

較粒子為遠，1 MeV能量的粒子，在空氣中的最大射程約為3 m。

貝他粒子在各種物質中的射程與能量關係

3 m in air (1 MeV)

C.中子

中子(n)為構成原子核的基本粒子之一。其質量與質子約略相等，為1.674x10-27kg。其電荷呈中性，故稱中子。

中子在物質中的運動，不受物質本身電場作用的影響。

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neutron

表 1 典型的中子分類與相關物理參數

中 子 類 別 能量 溫度 波長

快 中 子 ≧0.1MeV ~109K

≦100Å

外 超 熱 中 子 ~keV ~107K 0.01 Å

超 熱 中 子 ~eV ~104K 0.3 Å

熱 中 子 ~25meV ~300K 18 Å

冷 中 子 ~meV ~10K 4 Å

超 冷 中 子 ≦μeV ~10-2

K ≧100 Å

註：M=106；k=10

3；m=10-3；μ=10

-6

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中子能量分佈很廣，其能量範圍介於 MeV至MeV之間，中子依其所具有的能量，可區分為超冷中子(ultracold)、冷中子(cold)、熱中子(thermal; nth )、超熱中子(hot)、外超熱中子(epithermal)、與快中子(fast, nf )。如表1所示。一般而言，分為熱中子( nth )群與快中子( nf )群兩類。

1.8 A

Fast neutron

Thermal neutron

Cold neutron

游離能力

中子使物質成產生游離的能力很低，必需藉由與物質發生作用，產生帶電荷粒子，才能產生游離作用。因此，中子被歸屬間接游離粒子；、等粒子，則歸屬直接粒子。

Fast neutron: by recoil proton, Thermal neutron by nuclear reactions

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穿透力

視其能量而異，快中子的穿透能力很強。

射程

視其能量而異。

Penetration /Range depends on energy of neutron

電磁波型輻射的特性

電磁波輻射純粹是一種能量，在游離輻射範圍內，只有加馬()與x射線(x-ray)。一般統稱為光子。

光子在物質中運動不受物質的電場影響。

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(A)加馬輻射 (Gamma ray from nuclear decay)

MeV

MeV

穩定

鈷(60Co)

MeV

穩定

銫(137Cs)

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加馬()輻射，是來自於受激態的原子核，從不穩態的高能階經衰變過程，降至較穩態的低能階時，所釋放出的多餘能量。

60Co射源的衰變 137Cs射源的與IT衰變

(2)游離能力：很弱。

(3)穿透能力很強，可穿透鉛、鐵等高密度物質。

(4)射程遠。

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Depends on the energy of photons

(B) X射線

a. 特性輻射

特性輻射是指在激態的原子，其軌道上的電子，從不穩態的高能階，降至穩態的基激態能階上時，以x射線的形式釋放出多餘的能量。

b. 制動輻射

制動輻射藉由人工方式，利用高電壓加速電子，以撞擊靶(target)，而產生不同能量的x射線。

同步輻射運用偏轉磁鐵偏轉高速帶電粒子發射強X光

帶電於同調性周期性磁鐵偏轉產生X光自由電子雷射

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x射線，主要成分包括(a)特性輻射與(b)制動輻射。

Including characteristic X-ray and Bremsstrahlung radiation

(B) 電磁波型輻射

電磁波型輻射是指x射線與加馬，一般簡稱光子。光子與物質的作用機制，視其所具有的能量高低而異。主要的作用機制加馬射線(1)光電效應 (photoelectric effect)(2)康普吞效應 (compton effect)(3)成對產生 (pair production)x射線(1)光電效應 (photo-electric effect)(2)散射及繞射 (scattering and diffraction)

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1.光電效應(photoelectric process)

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光子的能量完全被物質的原子所吸收，再分配給電子軌道上的電子。

在光電作用過程，光子的能量大部分轉換成動能，僅有少許的一部分，以特性輻射的形式散射出。

光子與物質作用的光電效應

光電效應發生的機率

(1)隨光子的能量(E)增加，而以(1/E3)倍數減小

(2)隨作用物質的原子序數(Z)增加，對高原子序的物質而言，以約Z3倍數增加，對低原子序的物質而言，以約Z3.8倍數增加。

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The photo-electric cross section E-3; Z3

2.康普吞效應(Compton process)

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光子與物質的原子外層軌道上的電子發生碰撞，在碰撞過程中，光子將其部分能量轉移給被碰撞的電子，光子本身損失部分能量，且改變其在物質中原先行進的方向。

光子與物質作用的康普吞效應

3.成對產生(Pair production)

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光子要引起成對產生，其所具有的能量要大於1.022 MeV以上時，才會發生。高能量的光子入射至物質，且極接近原子核時，入射光子的能量完全被吸收，並產生一對電性互異的電子對。即帶正電荷的正子(e+)與帶負電荷的電子(e-)。

光子與物質作用的成對產生

游離輻射偵檢原理與偵測項目

偵檢原理(principle of detection)游離輻射的偵檢原理，依偵檢物質與輻射作用，所產生不同的反應訊號，可區分為下列五種

1.游離反應 (ionization)

2.激發反應 (excitation)

3.化學反應 (chemical reaction)

4.熱反應 (thermal detection)

5.核反應 (nuclear reaction)

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1.游離反應 (ionization)

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利用輻射與物質作用，使物質產生正、負離子(電子)對後，收集其正、負離子訊號，以度量輻射的強度與能量。

主要的偵檢儀(1)充氣式偵檢儀 (gas type: create electron-ion pair)

游離腔偵檢儀、比例計數器、及蓋革偵檢儀。

(2)半導體偵檢儀鍺(鋰)偵檢儀。

Semiconductor typeCreates electron-hole pair

2.激發反應 (excitation: flourescence or luminescence)

利用輻射與物質作用，使位於電子軌道上基態的電子，由低能階躍遷至高能階，而呈不穩定的激發態，隨後該電子以光子的形式釋放其能量，並降回基態。

在此過程中，被作用物質所產生的光子，藉由光電倍增管的收集、轉換、與倍增作用，將光子訊號轉換成電子訊號，用以度量輻射的活度與能量。

固態能帶模式示意圖 ●：電子 ○：電洞

傳導帶

價能帶

禁帶(禁戒能隙)

電子陷阱

電洞陷阱

(1)

(2)

(3)

電洞

介穩態

(活化態)

電子

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化學反應 (chemical reaction)

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利用物質吸收輻射能量，所引起物質的化學變化反應，其變化量可用來評估輻射的劑量。

主要偵檢器

硫酸亞鐵化學劑量計 FeSO4)

感光膠片(簡稱F.B.)

核反應 (Nuclear reaction)

聚乙烯球

鋁護套支架

光導管

LiI(Eu)晶體

光電倍增管

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利用物質吸收中子(一般是指熱中子)後，產生核分裂或被活化的方式，用以度量中子的能量與通量(劑量)。

主要偵檢器

氟化硼(10BF3)10B:3813 barn

碘化鋰6 (銪)【6LiI(Eu)】。 6Li:945 barn

10B + n -> 7Li + 4He +2.72 MeV

(2)人員輻射劑量偵測 (person dosimeter)

人員輻射劑量偵測，可分為(a)體外輻射曝露劑量及(b)體內輻射曝露劑量等兩種

(a)體外輻射曝露劑量偵測

可利用個人佩帶人員體外輻射劑量計，如膠片佩章或熱發光劑量計

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游離輻射對細胞的作用Radiation interaction with cells

• 游離輻射對細胞的作用可分為 by ionization

–直接輻射 (direct reaction)

–間接輻射 (indirect reaction)

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直接作用(direction reaction)

• 細胞分子受到輻射的游離與激發作用，導致其分子鍵的斷裂，使整個分子受到破壞。如– (1)蛋白質受到照射，其胺基酸上的支鍵可能受

到改變、斷裂或脫氫作用。– (2)脂肪受到照射後易形成自由基，在有氧的情

況下，不飽合脂肪酸會形成具毒性的過氧化酸。

– (3)DNA受到照射後會斷裂，鹽基改變或脫離等現象。

– Cut down the DNA chain, or amino side ligands, become radicals…

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間接作用( indirect reaction: water ionization)

• 細胞內的水分子受到輻射的游離與激發作用，產生了自由基(free radicals)，如氫基(H)、氫氧基(OH)等中間產物，其反應如下

• 上述這些自由基相互作用或與水分子反應，而產生H2、H2O2及更多的氫基(H)與氫氧基(OH)等中間產物，其反應如下

OHHOHOHHOH

OHeOHeOHOH

22

2222

輻射

22

222

2222

ROOR

OHRRHHO

OHHOOHOH

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• RH為細胞內的有機分子，若變成R或RO2等有機自由基，則RH的構造和功能就會發生改變，並可與其他有機分子作用進而擴大蔓延。

• 另H2O2亦會嚴重干擾細胞的新陳代謝，造成細胞的傷害。由於細胞中水分占70 %以上。

• 輻射對細胞的作用，間接作用占主要的部分。

• Indirect reaction dominated in human being

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游離輻射防護目的 Protection

輻射對人體造成的輻射傷害，取決於人體所接受的劑量多寡。因此輻射防護目的為

(a)防止確定效應的發生。Prevent causality effect

(b)降低機率效應的發生機率。Reduce the possibility of probability effect

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機率效應和非機率效與劑關係

(a)機率效應 (b)非機率效應(確定效應)

0 0 0 劑 量

↑

發

生

機

率

(a)

低限劑量

(b)

↑

嚴

重

程

度

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Causality

Probability

dose

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輻射之生物效應

確定效應(非機率效應) causality effect

非機率效應是指效應發生的嚴重性。

非機率效應發生的機率與其所接受輻射劑量成正比，且有一劑量低限值的存在。

機率效應 probability effect

機率效應指其發生癌症的機率，與所接受劑量大小成比例增加，不一定會發生，此效應的發生，假設無劑量低限值。

激效效應(Hormesis)

適量輻射刺激,激發抗癌之免疫力。

游離輻射防護原則(protection principle)

游離輻射防護原則可分為

(1)人的輻射防護 (person)

(2)環境的輻射防護 (environment)

(3)合理抑低(ALARA)

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(1)人的輻射防護

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人的輻射防護可分為

(a)體外輻射防護(TSD原則 for external exposure)

時間(time)距離(distance)屏蔽(shield)

(b)體內輻射防護(3D原則 for internal exposure)

稀釋(dilute)分散(disperse)除污(decontaminate)

(a)體外輻射防護(TSD原則)

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時間(time):

時間是指輻射工作人員所接受輻射曝露的時間。任何涉及輻射的操作均可藉由事先充分的準備、計畫以及熟練的模擬操作，來縮短曝露的時間，以減少接受不必要的輻射曝露，此為輻射防護上首要的原則。

距離(distance)：

距離是指藉由與輻射源的距離增加，而降低其輻射場的輻射曝露量。因此，可藉由良好的規劃設計，使人與輻射源之間，獲得最大的空間距離，以降低所接受的輻射曝露量。

屏蔽(shielding)：

屏蔽是指藉由物質對輻射的衰減、吸收等作用，以減少輻射場的輻射曝露量。因此，屏蔽與距離兩者的關係，在輻射防護上可視為一體的兩面，相輔相成。

3.合理抑低(ALARA)

合理抑低(as low as reasonably achievable，簡稱ALARA)，是指其所採取的各項輻射防護措施，為理性的、且合理的，以確保輻射工作人員與一般人，在實際上所接受的輻射曝露，遠低於游離輻射防護安全標準所規範的各項劑量限度。

輻射防護的合理抑低措施，必須基於

– 須與原許可的活動相符合。

– 須考慮技術現況、改善公共衛生及安全經濟效益，以及社會與社會經濟因素。

– 須為公共的利益，而利用輻射。

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游離輻射的管制

游離輻射的管制可分為

(1)輻射工作場所

(2)人員

(3)放射性物質的管制

輻射工作場所

依輻射工作場所的設施、輻射作業特性與輻射曝露程 度、空間輻射劑量、與率污染活度等方式劃分為管制區 (control area)或監測區(monitor area)。

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輻射從業人員25 mSv/h or 50 mSv/y

(new regulation is 20 mSv/y => 10 mSv/h)

Ordinary people 1 mSv/y => 0.5 mSv/h,

natural background 0.05-0.1 mSv/h or 0.5-1 mSv/y

Decommision of nuclear power plant 0.25 mSv/h

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低劑量輻射效應之研究

激效效應(hormesis) :

少量之輻射線可以激發體內培養抗癌症之效應.

數百篇研究文獻顯示小老鼠實驗可以活化免疫機能(類似疫苗)

A slightly dose, induces

lower risk of cancer rate

(0.01Gy)

• 輻射防護的線性假設(Linear No Threshold, LNT model)

Chest X-ray= 0.02 mSv (1x10-6 Cancer in your life by LNT)

http://climategate.nl

低輻射劑量的健康效應？

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輻射劑量比較圖

Thank you for your attention!