各類輻射的屏蔽設計特性與常用材料

3. 試述α粒子、β粒子、γ射線、X 光及中子等輻射的屏蔽設計特性，及其常用的屏蔽材料。（15﹪）（92-2員專）（3-9X光機防護屏蔽(xtubeshield)-01）

α粒子：α粒子不足構成體外危害，不必使用屏蔽。

β粒子：β粒子因可能連帶產生制動輻射（連續能量的X光），所以應使用低原子序數的物質屏蔽，如鋁包在貝他射源內層，而外層使用高原子序數的物質屏蔽，如鉛。

γ射線：γ射線應使用鉛等原子序數較大的物質做屏蔽。

X 光：一般而言，診斷X光機的工作電壓應不大於150kVp，其主要理由是診斷X光能夠讓X光軟片的影像呈現良好對比的是根據光電效應。因為X光能量小於50KeV時，光電吸收是很重要的，光子能量介於60~90keV時，光電吸收與康普吞散射碰撞兩者是重要的，所以診斷X光機的管電壓不能太高。若診斷X光機的工作電壓設定為150kVp，而國內診斷X光室的輻射防護屏蔽厚度通常為3.0 mm Pb，依表所示，電壓峰值為150kVp時，輻射防護屏蔽的半值層HVL為0.30mmPb或2.24cm水泥，所以3.0mmPb阻擋X光的能力相當於2.24×（3.0/0.30）＝22.4cm水泥。

中子：中子的屏蔽，以含氫較多的物質為宜，如水塑膠石蠟等而石墨（碳）亦為常用者。水泥為中子的常用屏蔽材料，其堅固、便宜，可做成各種形狀或大小，亦可有效屏必中子所附帶產生的γ射線。

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<α粒子>無穿透力輻射-紙

α粒子的穿透力極弱，在空氣中的射程只有1公分左右，在人體的射程只有0.001公分左右，因此體外曝露之α粒子頂多只在表皮角質層(死細胞層)造成劑量，不會造成健康傷害，故不需要任何屏蔽。

但須防範體內曝露α粒子之汙染與傷害（射質因數Q=20）

<β粒子>弱穿透力輻射-書、鋁片

β粒子的穿透力較弱（射程較短），體外曝露只會造成淺部組織（皮膚、水晶體）的劑量，輻射防護以非機率效應為主。

＊β粒子的屏蔽原則為：

(1)屏蔽物質厚度必須大於β粒子的射程，以完全阻擋β粒子

(2)屏蔽物質的原子序必須很小，以減少制動輻射的產生。

＊β粒子的能量(MeV)越大，屏蔽原子序數(Z)越高，制動輻射（X光）的量越多。

高能量、高通量的β粒子的屏蔽原則為：先低原子序，在高原子序

(1)使用之低原子序數(Z)物質，厚度必須大於β粒子的射程，以完全阻擋β粒子，並減少制動輻射(X光)的產生

(2)使用之高原子序數(Z)物質，可有效衰減制動輻射(X光)。

光子（<γ射線>、<X 光>）的屏蔽：強穿透力輻射-水泥牆、鋼鐵、鉛

＊光子與物質的作用機制：光電效應（pe,τ）、康普吞效應（ce,σ）、成對效應（pp,κ）

直線衰減係數μ＝τ＋σ＋κ

暴露X,單位為庫倫/公斤(空氣)或侖琴(R)

吸收劑量D,單位為戈雷(Gy)或雷得(rad)

等效劑量H,單位為西弗(Sv)或侖目(rem)

光電效應：經過光電效應，光子能量完全轉移給電子，光子消失了，故達到完全之屏蔽效果。

康普吞效應：經過康普吞效應後，光子被散射（能量變小、方向改變），故僅達部分之屏蔽效果。

成對效應：經過成對產生後，光子能量大部分轉移給電子，剩下兩個能量為0.51MeV的γ光子。

＊光子屏蔽材料的選擇

(1)光子（γ射線或X射線）的穿透力很強，任何屏蔽都無法完全衰減光子。

(2)密度越高的屏蔽（每單位體積內的電子數越多），衰減的光子越多。例：鉛的密度比水大，所以鉛的屏蔽效果比水好。

(3)低能量X射線之屏蔽（容易產生光電效應），以高原子序數(Z)的物質為佳。

＊光子屏蔽的其他考量

任何建築材料如鐵、混凝土、磚等皆可做為光子的屏蔽。但考亮了屏蔽效果、經濟性、實用性之後，最常用的屏蔽材料為鉛與混凝土。

選擇光子屏蔽材料的其他因素：

1.所需材料的厚度與重量。

2.多重用途（例如材料是否兼作屏蔽與結構雙重用途）。

3.屏蔽的均勻性。

4.屏蔽的耐久性。

5.材料花費；包括裝置與維護費用。

6.美觀。

<中子>

＊中子與物質的作用機制

快中子經彈性碰撞、連續減能後，最後減速為熱中子。熱中子容易被原子核捕獲，引起（n,γ）（n,α）等核反應。

＊快中子的減速

含氫物質（水、塑膠、壓克力等）減速快中子最有效。

＊熱中子的捕獲

捕獲作用包括（n,γ）,（n,p）,（n,α）等核反應

硼原子吸收熱中子最有效¹⁰B(n_th , α)⁷Li，硼捕獲中子治療（boron neutron capture therapy,BNCT）。

根據中子與物質的作用特性，設計屏蔽時通常需要三層不同材質的屏蔽：

第一層為低原子序物質，目的為減速快中子，水(易揮發)、石蠟(易燃)、混凝土均常被採用。

第二層為具高中子捕獲截面積者，氫、鎘、硼均常被採用，但氫、鎘捕獲中子時會釋出高能γ。

第三層通常為高原子序物質，目的為屏蔽中子捕獲時釋出的高能γ，但應避免捕獲中子後形成放射性物質。

中子的屏蔽：(1)首先需用質量輕的物質將快中子合緩成慢中子，(2)再用吸收慢中子高的物質吸收慢中子，(3)最後還得考量吸收慢中子後所誘發釋出加馬射線之屏蔽。