115年:核醫診療(2)

針對附圖的¹³⁷Cs 能譜,其能量解析度為何? 圖片

A7%
B14%
C21%
D28%

詳細解析

本題觀念

能量解析度(energy resolution)是核醫學與輻射偵測器用來描述「分辨兩個能量相近光子」能力的指標。對一個能譜峰而言,通常以該峰半高全寬(full width at half maximum, FWHM)除以峰中心能量,再乘以 100% 表示:能量解析度 = ΔE/E × 100%。百分比越小,代表峰越窄,越能分辨彼此接近的 γ 射線能量。

本題的核種是銫-137(¹³⁷Cs),其主要 γ 射線全能峰約為 662 keV。解題時要先找出圖中的 662 keV photopeak,再確認圖上標示的半高全寬 ΔE,而不是把低能端的連續背景、背散射峰或 Compton continuum 當成峰寬。圖示給出的 ΔE 為 46 keV,因此核心是計算 46/662 的百分比。

影像分析

圖的橫軸代表光子能量,右側在約 662 keV 處可見 ¹³⁷Cs 的主要全能峰;峰的最高點代表偵測到接近光電峰能量的事件最多。圖中以水平寬度標示此峰在半高位置的 ΔE,數值為 46 keV。這個寬度是能量解析度公式的分子,662 keV 的峰中心則是分母。

能譜左側可見的低能結構與較寬的連續分布,反映散射事件或其他能量沉積過程,不能用來取代主要全能峰的 FWHM。讀圖的順序應是先辨認核種的全能峰位置,再讀取半高全寬,最後計算相對峰寬。這也能避免把圖上的其他峰、峰高或整段連續區域誤當成解析度。

選項分析

A. 7%:正確。依圖示,ΔE = 46 keV,E = 662 keV,因此能量解析度為(46/662)× 100% = 6.9486…%,四捨五入約為 7%。這個選項直接符合 FWHM 相對峰中心能量的定義。

B. 14%:錯誤。14% 並不是 46 keV 與 662 keV 的比值;它約為正確結果的兩倍。若將半高全寬的兩側距離重複相加,或把某個視覺寬度再乘以二,可能得到接近此數字,但 FWHM 已經是峰在半高處兩個邊界之間的完整寬度,不應再次加倍。

C. 21%:錯誤。這個數值明顯高於 46/662 × 100% 所得的約 7%,不符合圖中主要全能峰的相對 FWHM。它也不是由峰中心能量、峰高或連續背景計算出的標準能量解析度。

D. 28%:錯誤。28% 更遠高於由圖讀出的相對峰寬。若把多個能譜區域的寬度、峰高或散射連續區混在一起,才可能產生這類沒有物理意義的結果;本題只需使用主要全能峰的 ΔE 與 E。

答案解析

能量解析度的計算必須使用半高全寬與峰中心能量。由圖得到半高全寬 ΔE = 46 keV,¹³⁷Cs 全能峰中心 E = 662 keV:

能量解析度 = 46 keV/662 keV × 100% ≈ 6.95% ≈ 7%。

因此應選 A。這裡的百分比是相對於峰中心能量的標準化結果,不是把 46 keV 當成絕對解析度,也不是以峰高或整個能譜範圍作分母。若儀器的峰寬固定,峰中心能量越高,相對解析度通常越小;在同一能量位置比較不同偵測器時,則以 FWHM 百分比越小者代表分辨能力越好。

核心知識點

  1. ¹³⁷Cs 的主要 γ 射線 photopeak 約在 662 keV。
  2. 能量解析度的標準表示為 FWHM/photopeak energy × 100%。FWHM 是峰高一半處,左、右兩個交點之間的完整能量寬度。
  3. 能譜中的 photopeak 代表光子能量幾乎完整沉積;Compton continuum 則來自部分能量沉積與散射,不能直接當作 FWHM。
  4. 計算題要注意單位一致,keV 可在分子分母相消;最後依選項精度四捨五入。46/662 × 100% 約為 6.95%,所以答案是 7%。
  5. 能量解析度是「相對峰寬」指標,數值越小通常表示能量辨識能力越佳,但判斷儀器性能時仍須確認相同核種、相同峰位與相同量測條件。

參考資料

  1. Scintillation Counting
  2. Solid Scintillation Detectors
  3. Gamma spectroscopy - Wikipedia
  4. 題目附圖:¹³⁷Cs 能譜