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115年:醫物幅安(1)

下列偵檢器中，那些能鑑別加馬射線的能量？①GM counter ②HPGe detector ③Si(Li) detector ④NaI(Tl) detector

A①②
B僅②③
C②③④
D①③

詳細解析

本題觀念：

本題的核心觀念在於評估不同游離輻射偵檢器（Radiation Detectors）是否具備「能量鑑別（Energy Discrimination）」或「能譜分析（Energy Spectroscopy）」的能力。要能夠鑑別加馬射線（Gamma rays）的能量，偵檢器所輸出的訊號大小（如脈衝高度或收集到的電荷量）必須與入射輻射在偵檢器內部所沉積的能量成「正比」。

選項分析

  • ① GM counter（蓋革-牟勒計數器）：無法鑑別能量。 GM counter 是一種充氣式偵檢器，運作於蓋革-牟勒區（Geiger-Müller region）。在這個區域，外加電壓極高，任何一次游離事件都會引發整個陽極金屬線上的湯森崩潰（Townsend avalanche）。因此，無論入射輻射的能量是高是低，產生的輸出脈衝高度都是固定且相同的。這代表 GM counter 只能用來「計數」輻射事件的發生與否，完全無法用來鑑別輻射的種類或能量。

  • ② HPGe detector（高純度鍺偵檢器）：能鑑別能量。 HPGe 屬於半導體偵檢器，當加馬射線入射時會產生電子-電洞對（Electron-hole pairs）。產生電子-電洞對的數量與入射加馬射線所沉積的能量成絕對正比。由於鍺的原子序較高（Z=32），對加馬射線有良好的吸收效率，且其產生單一電子-電洞對所需的平均能量極低，因此 HPGe 具有極佳的能量解析度（Energy resolution），是加馬能譜分析的黃金標準設備。

  • ③ Si(Li) detector（鋰漂移矽偵檢器）：能鑑別能量。 Si(Li) 同樣屬於半導體偵檢器，其運作原理與 HPGe 相似，輸出的電荷量與輻射沉積能量成正比。雖然矽的原子序較低（Z=14），對高能加馬射線的偵測效率不如 HPGe，但它仍被廣泛應用於 X 射線及低能加馬射線（Low-energy gamma rays）的能譜分析與能量鑑別中。

  • ④ NaI(Tl) detector（鉈活化碘化鈉偵檢器）：能鑑別能量。 NaI(Tl) 屬於閃爍偵檢器（Scintillation detector）。當加馬射線與晶體作用時，會激發出可見光光子，這些光子的數量與加馬射線沉積的能量成正比。隨後光電倍增管（PMT）會將光子轉換為電訊號並放大。因為最終的電壓脈衝高度正比於初始加馬射線能量，故 NaI(Tl) 偵檢器可被用來做加馬能譜分析，鑑別輻射能量。

答案解析

根據上述分析，HPGe detector（②）、Si(Li) detector（③）與 NaI(Tl) detector（④）的輸出訊號大小皆與入射能量成正比，具備能譜分析與鑑別加馬射線能量的能力。而 GM counter（①）每次觸發都會產生固定大小的最大脈衝，喪失了能量資訊，因此無法鑑別能量。

故正確選項為包含 ②、③、④ 的組合。

核心知識點

醫事放射師國考中，偵檢器的基本原理與特性是必考重點，考生須牢記以下分類與特性：

  1. 充氣式偵檢器（Gas-filled Detectors）的三大工作區域：
    • 游離腔區（Ionization Chamber）：收集一次游離電荷，可測量能量與劑量，無氣體放大效應。
    • 比例區（Proportional Counter）：有氣體放大效應（Gas multiplication），脈衝高度與初始能量成正比，可鑑別能量（常用於 Alpha/Beta 鑑別）。
    • 蓋革-牟勒區（GM Counter）：全面雪崩效應，脈衝高度與能量無關，無法鑑別能量，但靈敏度極高，適合環境背景輻射巡檢。
  2. 閃爍偵檢器（Scintillation Detectors）：如 NaI(Tl)、BGO、LSO 等。產生的光子數與能量成正比，搭配 PMT 後可鑑別能量。效率高但能量解析度中等。
  3. 半導體偵檢器（Semiconductor Detectors）：如 HPGe、Si(Li)、CZT 等。產生的電子-電洞對數量與能量成正比，可鑑別能量。其產生電荷載子所需的平均能量（約 3 eV）遠低於閃爍體和氣體，故具有最佳的能量解析度。

參考資料

  1. Multi-Line Gamma-Ray Spectrometer Performance of a Si(Li) Detector Stack - NASA (https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19970014769/downloads/19970014769.pdf)
  2. Geiger Counters | OncologyMedicalPhysics.com (https://oncologymedicalphysics.com/geiger-counters/)
  3. Measuring Radiation: Tools and Techniques for Accurate Detection (https://www.berkeleynucleonics.com/measuring-radiation-tools-and-techniques-accurate-detection)
  4. Physics of Gamma-ray Spectroscopy Measurements (https://www.ortec-online.com/-/media/ametekortec/other/application-notes/physics-of-gamma-ray-spectroscopy-measurements.pdf)
  5. Gamma and X-Ray Detection - Mirion Technologies (https://www.mirion.com/discover/knowledge-hub/articles/education/gamma-and-x-ray-detection)
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