若欲度量快中子劑量，則須於游離腔內塗上含有何種元素的物質？

本題觀念：

中子屬於不帶電粒子，無法直接使物質發生游離，必須藉由與物質發生交互作用（如彈性散射、非彈性散射或核反應）產生二次帶電粒子後，才能進行偵測與劑量度量。對於「快中子（fast neutron）」，其主要的交互作用機制為「彈性散射（elastic scattering）」。根據運動學中的碰撞原理，當中子與質量相近的靶核發生彈性散射時，能轉移最多的能量並產生高能的游離粒子。

選項分析

(A) 碳 (Carbon)：碳原子核的質量大約是中子的 12 倍，快中子與其發生彈性散射時，能量轉移效率較低。在臨床或輻射防護度量中，碳石墨游離腔（carbon graphite ion chamber）反而常被用來在「光子／中子混合場」中單獨度量光子劑量，正是因為它對快中子極不敏感。故此選項錯誤。

(B) 氫 (Hydrogen)：氫原子核（質子）的質量與中子幾乎完全相等。當快中子與氫原子發生彈性散射時，可以轉移最大比例的能量，將氫原子核撞出形成「反跳質子（recoil proton）」。反跳質子屬於高直線能量轉移（LET）的重帶電粒子，能在游離腔內造成密集的游離事件以供度量。因此，度量快中子劑量的游離腔，必須使用含氫豐富的材質。故此選項正確。

(C) 氧 (Oxygen)：氧原子核的質量約為中子的 16 倍，彈性散射的能量轉移效率低。雖然氧廣泛存在於水與人體組織中，但並非游離腔塗層或壁材中用以增強快中子偵測效率的關鍵元素。故此選項錯誤。

(D) 氮 (Nitrogen)：氮元素主要容易與低能的「熱中子（thermal neutron）」發生中子捕獲核反應 $\rm ^{14}N(n,p)^{14}C$ 並釋放質子；但對於度量高能的「快中子」來說，依靠彈性散射的氫元素才是必備的塗佈與構成元素。故此選項錯誤。

答案解析

快中子因不帶電且能量高，無法直接游離氣體。為了精準度量快中子劑量，必須利用快中子與游離腔壁材質發生「彈性散射」，將能量轉移給二次帶電粒子來進行游離作用。根據物理學動能轉移公式，質量相近的兩粒子正向碰撞時，能量轉移可達 100%。氫原子核（質子）的質量與中子最為接近，快中子撞擊氫原子核會產生高游離能力的「反跳質子（recoil proton）」，進而游離腔內氣體產生訊號。

因此，快中子偵檢器（如組織等效游離腔，TEPC）的腔壁或內部塗佈物質必須含有高比例的氫元素（常見材料為聚乙烯 Polyethylene 或組織等效塑膠 A-150），故本題正確答案為 (B) 氫。

核心知識點

考生務必熟記以下不同能量中子的偵測原理及對應材質，為國考常考考點：

1. 快中子 (Fast neutron) 偵測機制：
   • 主要交互作用：彈性散射 (Elastic scattering)。
   • 關鍵靶元素：氫 (Hydrogen)。
   • 產生之二次粒子：反跳質子 (Recoil proton)。
   • 偵測器材質：含氫物質（聚乙烯、A-150 組織等效塑膠）。
2. 熱中子 (Thermal neutron) 偵測機制：
   • 主要交互作用：中子捕獲 (Neutron capture) 等核反應。
   • 常見核反應與偵測器：
     • $\rm ^{10}B(n,\alpha)^{7}Li$ （用於 $\rm BF_3$ 比例計數器）。
     • $\rm ^{3}He(n,p)^{3}H$ （用於 $\rm ^3He$ 比例計數器）。
     • $\rm ^{6}Li(n,\alpha)^{3}H$ （用於 TLD-600 晶片偵測熱中子劑量）。
3. 混合場雙游離腔法 (Twin-chamber method)：臨床上常以「組織等效游離腔（含氫，對光子與中子皆敏感）」搭配「碳石墨游離腔（不含氫，僅對光子敏感）」來求得光子與快中子混合場中的中子絕對劑量。

臨床重要性

在放射治療領域，當使用高能（$\ge$ 10 MV）醫用直線加速器治療時，高能光子可能與機頭內的重金屬靶材或準直儀（如鎢、鉛）發生「光核反應（Photoneutron production, $\gamma, n$）」，產生非預期的快中子污染。為了正確評估這些快中子對正常組織造成的額外等效劑量，醫事放射師與醫學物理師必須使用富含氫元素的組織等效游離腔來進行輻射防護劑量度量，以確保病患安全。

參考資料

1. 輻射防護簡訊第160期 - 輻防協會 (中子劑量度量與游離腔材質介紹)