第 肆 章

荷電高能核粒度量

鍾堅製作 4001

◎ 善用荷電高能核粒與偵檢材料的作用，可以量測荷電核粒輻射的強度、能量與種 類。需要核儀電路操作的偵檢器用以度量荷電核粒者概分為固態、液態、氣態三 種，離線操作的荷電核粒偵檢器多為固態及液態。

◎ 度量荷電核粒主要是量測其種類、強度、速度、方向及被擋下的能量。這些訊 息，有助於分析評估輻射場的源項及衍生的劑量。

◎ 量測荷電核粒的核儀有游離腔計數器、比例計數器、蓋革計數器、閃爍氣體計數 器、半導體偵檢器、閃爍體計數器、透明體偵檢器、閃爍液計數器及透明液偵檢 器。

◎ 量測荷電核粒的離線裝備，有熱發光劑量計、感光底片、蝕刻片及生物劑量計。 ◎ 除了特定的荷電核粒如高空飛行遭遇的宇宙射線或粒子加速器打出的荷電高能核 粒，日常生活面對的放射性衰變阿伐粒子與貝他射線及電子，才是度量荷電核粒的 主流。

◎ 能譜儀是當前度量荷電核粒的利器，均以半導體偵檢器聯接核儀電路行精準度量。

鍾堅製作 4002

提 要

第 4-1 節 量測荷電核粒偵檢器

荷電高能核粒在偵檢材料內的射程

鍾堅製作 4101

類別 ( 符號 ) 動能 來源 空氣 水 矽片電子 (e － ) 1.7 MeV P-32 核衰變 6.1 m 7.9 mm 3.4 mm

輕介子 (μ+) 100 MeV 一次宇宙射線 0.4 k m 57 c m 30 c m

強介子 (π － ) 40 MeV 二次宇宙射線 56 m 8.0 c m 4.3 c m

氫核 (p) 14.7 MeV 式 [1-18] 1.9 m 2.7 mm 1.5 mm

氦 -3(3He) 4.4 MeV 式 [1-18] 3.0 c m 43 μm 23μm

阿伐粒子 (α) 5.5 MeV 式 [1-3] 3.6 c m 52 μm 28μm

重離子 (14C) 30 MeV 式 [1-4] 2.8 c m 41 μm 22μm

分裂碎片 (85Kr) 105 MeV 式 [1-17] 2.0 mm 2.9μm 1.5μm

鉛核 (208Pb) 1.2 TeV 重離子加速器 3.7 k m 5.4 m 2.9 m

圓柱型

球型

充氣式偵檢器的簡圖

偵檢器的

陽極

陰極

有效電容+_

R 輸出電壓

V 高電壓

充氣式平板計數器工作電壓與收集游離輻射衍生電子的關係圖

鍾堅製作 4102

不同形狀的充氣式計數器： (a) 圓筒狀與 (b) 球狀 ( 作者自繪 )

鍾堅製作 4103

聯接核儀電路的氣態計數器型類

偵檢材料 電子游離能 工作電壓區 可度量輻射

空氣 33.8 eV/ip IC 荷電核粒，光子

氮氣 34.8 eV/ip IC ， SC 荷電核粒，光子

氧氣 30.8 eV/ip IC 荷電核粒，光子

氫氣 36.5 eV/ip IC 荷電核粒，光子

氦氣 41.3 eV/ip IC ， GM ， SC 荷電核粒，光子

氦氣 41.3 eV/ip PP 中子3He 氣 41.3 eV/ip IC ， PP ， SC 中子

96% He+ 其它 27.6 eV/ip PP 荷電核粒，光子

氖氣 36.2 eV/ip PP 荷電核粒，光子

註：◎工作電壓： IC- 游離區 (300 〜 1000 V) ， PP- 比例區 (600 〜 2700 V) ， GM- 蓋革區 (500 〜 3000 V) ， SC- 閃爍區 ( 光電倍增管工作電壓，＞ 1000 V) 。

聯接核儀電路的氣態計數器型類

偵檢材料 電子游離能 工作電壓區 可度量輻射氬氣 26.4 eV/ip IC ， GM 荷電核粒，光子P-10(90%Ar) 23.6 eV/ip PP 荷電核粒，光子P-5(95%Ar) 21.8 eV/ip PP 荷電核粒，光子Ar+235U 26.4 eV/ip IC 中子Ar+Ag 26.4 eV/ip GM 中子氙氣 21.5 eV/ip GM ， SC 荷電核粒，光子95%Xe+ 其它 31.4 eV/ip PP 荷電核粒，光子90%Xe+ 其它 33.9 eV/ip PP 荷電核粒，光子Xe+BF3 21.5 eV/ip PP 中子

BF3 氣 ‐‐ PP 中子

CH4 甲烷 36.5 eV/ip IC ， PP 荷電核粒，光子

C3H8 丙烷 29.5 eV/ip PP 荷電核粒，光子

註：◎工作電壓： IC- 游離區 (300 〜 1000 V) ， PP- 比例區 (600 〜 2700 V) ， GM- 蓋革區 (500 〜 3000 V) ， SC- 閃爍區 ( 光電倍增管工作電壓，＞ 1000 V) 。

圓柱型

球型

比例計數器鑑別各類荷電核粒的操作特性 ( 作者自繪 )

通氣式比例計數器的佈局 ( 作者自繪 )

陰極

電流放大器

-

+陽極

+-

+-

+-

+

-+-

+-

離子對

光子二次電子

腔壁

腔體內產生正副離子對

游離腔工作示意圖

高壓游離腔 (HPIC)

充氣式偵檢器 --比例計數器•電壓高於游離腔•一般使用 P-10 氣體 (Ar 90%, CH4 10%)•有固定式與攜帶型•可鑑別輻射能量

-

+陽極

脈波脈波計數器計數器

高壓

+

-

-

-

-

-

-

+

+ +

+

+

一次離子

二次離子

陰極

二次電子

腔壁

光子 電子加速撞擊氣體分子產生更多正負離子對

比例計數器工作示意圖

比例計數器

充氣式偵檢器 --蓋革計數器 (G-M)

•最普遍的輻射偵檢器構造簡單價格便宜•薄窗型 GM tubes 可同時量測高能 beta 粒子與 gamma 射線

•在高輻射場 GM tubes 可能會發生飽和，使用時需注意

蓋革計數器工作示意圖

蓋革計數器的無感時間、分解時間及恢復時間之相互關係

恢復時間Recover time

無感時間Dead time

時間time

分解時間Resolving time

TrigerLevel

充氣式偵檢器特性比較

項目 游離腔 比例計數器 蓋革計數器

適用範圍

電壓

氣體

氣體增殖

靈敏度

準確度

鑑別輻射種類

高劑量率

低

空氣、氬氣

無

較差

高

(脈衝式 )可、少用； (電流式 )否

皆可

中

P- 10

低

高

高

可

低劑量率

高

氦或氬氣

高

高

較差

否

蓋革計數器的飽和效應

蓋革計數器

GM tube          

        GM 　計數器

M: 放大倍數 δ: 二次游離機率 p.168

半導體偵檢器操作原理 (a) 游離作用(b) n- 型 (c) p- 型 (d) p-n 型 (e) 逆向偏壓加壓

HPGe Detector

半導體偵檢器操作原理 (f) 度量輻射

鍾堅製作 4109

半導體 電子電洞的移動率

空乏區電場 對矽約 2000 V/m

半導體偵檢器可偵測荷電核粒的最大動能

半導體形式 SiO2 Si(Li) Ge-LEPS

空泛區厚度 xo 0.1 mm 0.7 mm 1.0 mm 6.0 mm 10 mm

電子最大動能 (MeV) 0.14 0.50 0.65 2.84 12.0

輕介子最大動能 (MeV) 1.26 3.77 4.59 12.3 19.4

強介子最大動能 (MeV) 1.42 4.24 5.20 13.9 22.0

質子最大動能 (MeV) 3.05 9.65 11.9 32.4 52.4

He-3 最大動能 (MeV) 10.8 34.2 42.4 116 184

阿伐最大動能 (MeV) 12.2 38.6 47.6 130 210

C-14 最大動能 (MeV) 75.9 232 286 775 1227

Kr-85 最大動能 (GeV) 1.29 3.84 4.67 12.4 19.5

Pb-208 最大動能 (GeV) 4.83 14.2 17.2 45.6 71.5

輻射度量半導體偵檢器特性

半導體 ( 工作溫度 ) Si(300 K) Ge(77 K) HgI2(300 K) CdTe(300 K)

原子序 (Z) 14 32 64.92 50.13

原子量 (g/mol) 28.1 72.59 454.4 240.0

密度 (g/cc) 2.33 5.32 6.30 6.06

導價帶位能差 (eV) 1.11 0.67 2.13 1.47

游離能 (eV) 3.65 2.96 4.22 4.43

電子移動率 (cm2/V·s) 1350 45,000 － 650

電洞移動率 (cm2/V·s) 480 55,000 － 4.5

低能加馬解析度 2.63% 0. 73% 2.10% 2.90%

高能阿伐解析度 0.20% － － －

註：低能加馬解析度， Si 半導體使用 5.9 keV 標準射源，其餘使用 122 keV 射源；高能阿伐解析度 Si 半導體偵檢器使用 5.486 MeV 標準射源。

固態有機閃爍體受荷電核粒撞擊受激產生閃爍光 ( 作者自繪 )

鍾堅製作 4112

無機閃爍體

導帶

價帶

閃爍光子

活化體

活化體帶隙

激態

基態

•閃爍機制取決於結晶格子的能態

–常見的有碘化鈉 ( 鉈 ) 【 (NaI(Tl) 】，碘化鋰 6LiI(Eu) 】。

閃爍偵檢器無機閃爍體：1. NaI(Tl): NaI 的結晶中含 Tl 不純物作為活化中心；易製作 ，密度大，原子序 Z 高；但極易潮解。

2.BGO(Bismuth Germanate, Bi4Ge3O12 ): 射線吸收效率高， Z 較 NaI(Tl) 高，不潮解，晶體小而效率高。

固體閃爍偵檢器

閃爍偵檢器

有機閃爍體：

液態閃爍體 : 由溶劑及溶質所組成。溶劑之主要功能在於溶解閃爍物質及待測物質，如酒精、酯類。溶質之主要功能則在於吸收溶劑移轉的能量，並放出低能量的螢光。

光電倍增管 Photomulti-plier Tubes

閃爍偵檢器光電倍增管基座

液體閃爍偵檢器

• 適合偵測微量放射性物質• 尤其是純 beta 發射體 (14C, 氚等 )

• 對 α 發射體效率接近 100﹪

聯接核儀電路的液態偵檢器型類

偵檢材料 材 料 特 質 可度量輻射液態氣

液態氬 低溫工作，飽和區電壓 光子液態氪 低溫工作，飽和區電壓 光子液態氙 低溫工作，飽和區、比例區電壓 光子

閃爍液

茵晶體 閃光衰減常數 =30ns ，閃光輸出 = 44%

荷電核粒，光子

苯晶體 閃光衰減常數 = 4ns ，閃光輸出 = 22%

荷電核粒，光子

液態燐 閃光衰減常數 = 5ns ，閃光輸出 = 34%

荷電核粒，光子

透明液

水 光折射率 =1.33 ，閃光輸出 = 0.07% 荷電核粒液氮 光折射率 =1.20 ，閃光輸出 = 0.03% 荷電核粒甘油 光折射率 =1.20 ，閃光輸出 = 0.03% 荷電核粒

註：◎透明液為謝倫可夫偵檢器材質。

Cerenkov radiation

n: 折射率

徑跡深度

熱發光劑量計

• 熱發光劑量計對各種游離輻射都有反應• 透過佩章盒濾片設計可鑑別輻射種類及能量–藉不同的輻射及能量對不同材料的濾器有不同的穿透能力加以區分。

–可評估深部、淺部及眼球等效劑量• 利用不同材質之 TLD 組合，可量測中子劑量，如 6LiF 和 6Li2

10B4O7 等 .6Li(n, α)3H

熱發光材質曝露於游離輻射 (a) 常溫激發 ( 作者自繪 )

鍾堅製作 4114

熱發光材質曝露於游離輻射 (b) 高溫發光機制 ( 作者自繪 )

常見的熱發光劑量計常用的熱發光劑量計有 LiF:Mg,Ti 、

CaF2:Mn 、 CaSO4:Dy 、 Li2B4O7:Mn 等材料 .

其中 Mg 、 Ti 、 Mn 、 Dy 等元素，為活化劑 (activator) ，其目的在產生介穩態能階。

不同材料的 TLD 有不 同的特性， 其中以 LiF 最適合用於人員劑量計

熱發光能階機轉圖

傳導帶

電子陷阱

電洞陷阱

價帶

受游離輻射照射 加熱

價帶

傳導帶

加熱 光子

受游離輻射照射時，將價帶的電子激發至傳導帶，以介穩態暫存於晶體內

加熱後產生可見光

TLD-LiF (TLD-100) 的輝光曲線

放光量與加熱溫度的關係稱為 TLD 的輝光曲線 (glow curve)

不同的 TLD 材料有不同的輝光曲線

溫度 (℃)

~105

℃

~280

℃

~190

℃

1

2

3

4

5

6

熱發光強度︵任意單位︶

熱發光劑量計的構造

佩章內部組成

佩章外觀

HARSHAW 6600 TLD 及計讀儀

個人佩章型輻射劑量計

熱發光劑量計 (TLD)

尺寸： 7X 3 公分指環佩章

尺 寸 ： 1 公 分( 半徑 )

電子式人員劑量警報計(DMC2000)

尺寸： 8.5X 4.8 公分

劑量筆與充電器

輻射場偵檢器

固定式區域輻射監測器固定式區域輻射監測器可攜式區域輻射監

測器

輻射偵測儀 (FAG)

GAMMASPHERE ( 綠巨人 ) Each detector with BGO

國內使用的阿伐偵檢儀

國內使用的貝他射源試樣微量分裝儀

度量荷電核粒各種偵測儀器功能評比

荷電核粒游離輻射 辨識荷電核粒能力偵測儀器 種類 能量 強度 敏度 劑量線 上操作

游離腔計數器 無 無 中 弱 強比例計數器 弱 弱 強 中 中蓋革計數器 無 無 弱 強 弱閃爍氣體計數器 中 弱 弱 弱 無半導體偵檢器 強 強 中 強 弱閃爍體計數器 中 中 中 強 無透明體偵檢器 中 中 中 中 無閃爍液計數器 中 中 中 弱 無透明液偵檢器 中 中 中 中 無

離線操作

熱發光劑量計 無 無 弱 強 強感光底片 無 無 無 中 中蝕刻片 強 中 中 弱 無生物劑量計 無 無 無 弱 弱

註：偵測儀器辨識荷電核粒能力，以質化四分法描述：強 - 中 - 弱 - 無。

Ex.4.1

第 4-2 節 荷電核粒度量

國立清華大學校園水樣總貝他比活度量測值 (1959-1992)

國立清華大學校園水樣總貝他比活度量測值 (1959-1992)

環境輻射偵測目的

•推算與評估民眾所接受之輻射劑量•確實瞭解環境中放射性物質的累積狀況•評估核設施異常排放的放射性核種對周圍環境之影響

•驗證核設施之安全運轉及管制放射性排放 •提供民眾正確的環境輻射資訊

環境輻射偵測計畫

• 偵測項目 –直接偵測、空浮微粒、水樣、土樣、草樣、農畜產物、海產物、相思樹、岸砂 -------

• 核種分析–總貝它計測、加馬能譜分析、 3H 、 90Sr 、 137

Cs• 分析頻次

–每季為主

偵測與分析方法

•直接偵測 –累積劑量 (TLD)–加馬輻射劑量率 ( 高靈敏度偵檢器 )

•採樣分析–採樣 –濃縮 ( 過濾、灰化、沈澱、萃取 )–計測 (低背景比例計數器，液體閃爍計數器，Ge偵檢器等 )。

土壤中 U, Th, 40K及 137Cs 的放射活度

1.E-01

1.E+00

1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001

Year

Sp

ecif

ic A

ctiv

ity

(B

q/k

g‧d

ry)

K-40 Cs-137 Th-Ser. U-Ser.

- 137臺灣地區土壤試樣中銫 放射活度變動圖

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7

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1

日 期

(

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)活度貝克仟克乾重

茂林

石崩山尖仔鹿

共榮社區生水池

大鵬國小

明光碼頭大光國小

高山嚴員工宿舍

龍頭岩椰油村

東清村

朗島村紅頭村

龍門橋宜蘭

基隆

台北台中

高雄reporting lev e l

-137臺灣地區岸沙試樣中銫 放射活度變動圖

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日 期

(

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)活度

貝克仟克

乾重

白沙灣金山海水浴場一廠出水口石門聯勤活動中心二廠出水口二廠雜項排水口三廠出水口南灣白沙墾丁三廠雨水渠道專用碼頭外漁人村SS502-1SS502-2SS502-3SS502-4專用碼頭reporting lev e l

60臺灣地區岸沙試樣中鈷 等放射活度變動圖

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日 期

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)活度

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-137臺灣地區水樣中銫 放射活度變動圖

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日 期

(

/)

活度毫貝克升

茂林飲水乾華溪河水金山飲水金山地下水大鵬國小河水大光國小飲水恆春給水站地下水龍鑾潭湖水高雄地下水淡水河大肚溪高屏溪澄清湖宜蘭基隆台北台中高雄reporting lev e l

-137臺灣地區生物試樣中銫 放射活度變動圖

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日 期

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)活度

貝克仟克

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石崩雞石崩鴨石崩米

1一廠海魚2一廠海魚

石崩菜三芝筍石崩筍石崩根莖大鵬雞大鵬鴨大鵬米

1二廠海魚2二廠海魚

大鵬菜金山筍大鵬筍大鵬根莖白沙雞白沙鴨白沙米

1三廠海魚2三廠海魚

恆春菜車城洋蔥白沙根莖reporting lev e l

-137臺灣地區茶葉中銫 放射活度變動圖

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日 期

(

/‧

)活度

貝克仟克

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石崩山水源社區草埔尾南投枰林reporting lev e l

- 137臺灣地區草樣中銫 放射活度變動圖

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7

73.1

0

75.0

1

76.0

4

77.0

7

78.1

0

80.0

1

81.0

4

82.0

7

83.1

0

85.0

1

86.0

4

87.0

7

88.1

0

90.0

1

91.0

4

日 期

(

/‧

)活度

貝克仟克鮮重

茂林石崩山尖仔鹿共榮社區生水池大鵬國小明光碼頭大光國小高山嚴砂尾路員工宿舍龍頭岩椰油村東清村朗島村紅頭村龍門橋宜蘭基隆台北台中高雄

十一份reporting lev e l

臺灣地區空浮微粒總貝它放射活度變動圖

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

83.0

1

83.0

4

83.0

7

83.1

0

84.0

1

84.0

4

84.0

7

84.1

0

85.0

1

85.0

4

85.0

7

85.1

0

86.0

1

86.0

4

86.0

7

86.1

0

87.0

1

87.0

4

87.0

7

87.1

0

88.0

1

88.0

4

88.0

7

88.1

0

89.0

1

89.0

4

89.0

7

89.1

0

90.0

1

90.0

4

90.0

7

90.1

0

91.0

1

91.0

4

91.0

7

91.1

0

日 期

(

/)

活度

毫貝克立方公尺

宜蘭

台北

台中

高雄

reportinglevel

長期觀測之推論

•核設施周圍與其它地區之環境試樣活度並無明顯差異。

•環境試樣放射活度變化幅度甚大。 •試樣中是否同時存在多種核種，可用以判斷是否源自核設施的意外事件。

•空氣及飲水中 137Cs 放射活度甚低。•歷年之偵測結果皆低於預警值。

鍾堅製作 4203

以 LEPS 鍺片半導體偵檢器度量 Rb-98 貝他衰變 E 值

以面障矽片半導體偵檢器量測 Pa-231 阿伐衰變系列的能譜

鍾堅製作 4204

Ex.4.2

Fano factor F=0.05 for Si, Ge.W=3.65 eV F＞ 0.2 for gas

Normal Distribution

σ