放射性同位素的工業應用

民國五十年四月十三日，清華大學開池式反應器達到臨界運轉，翌年十月，開始生產供應放射性同位素，於是國產放射性同位素始正式應用於工業上。實際上，早在民國四十二年，臺電公司、臺肥公司和中油公司即進口鈷-60，作為檢定焊接是否完善的放射源。

放射性同位素能自行衰變並有輻射現象，目前確知有一千三百餘種。通常大量生產的方法有三種：加速器中撞擊靶物質、核燃料經分裂後再分離、反應器中撞擊靶物質。清華大學原子科學研究所同位素組所生產的放射性同位素，是利用開池式反應器中撞擊靶物質，即在反應器中用中子撞擊選好的靶物質的方法。

目前例行生產的方法，是利用反應器中撞擊靶物質，此法能製造最多種和最大量的放射性同位素，其核反應是（n，γ），即靶物質的構成原子捕獲一中子後，釋放一γ光子，例如【瀏覽原件】。

放射源

放射性同位素應用於工業上的控制、測量、標定、示蹤、消毒、攝影等，已有相當久的歷史。以放射性同位素為放射源，其各種用途，依放射性同位素的半生期長短、輻射型式和最大能量而定。表一所列是工業上常用的放射性同位素，依其輻射型式而分類。

放射性同位素的輻射型式有α射線、β射線、γ射線三種，對物質具有穿透能力，故容易偵測。放射性同位素應用於工業上，依工業上所需選擇輻射型式、半生期、最大能量各不同的核種。利用放射性同位素不同的能量、輻射型式、半生期，及對物質的效應不同，且微量的放射性同位素即具有足夠偵測的輻射，故能作為示蹤劑。今就輻射型式不同的放射性同位素在工業上應用的實例，詳述放射計測、放射攝影、放射示蹤、放射處理和中子應用等。

α射線的應用

α粒子，符號為【瀏覽原件】，帶二個質子和二個中子，具正電性。能量從4∼10百萬電子伏（MeV）的α粒子，其初速度是從1.4×10⁹至2.2×10⁹公分／秒。釙-210α粒子，在組織中的射程約為0.037毫米，在空氣中的射程約為3.95公分，能產生約12萬個離子對。α粒子具高游離比度，在任何介質中會很快地消失能量，所以其射程很短。

在0℃，1大氣壓力的空氣中，射程的經驗公式是：

R（公分）＝0.56E　　　 當E＜4MeV　　 （1）

R（公分）＝1.24E－2.62 當4＜E＜8MeV　（2）

其中R是射程，E是α粒子能量。

在任何介質中，射程的經驗公式是：

R_介質（毫克／公分²）=0.56A^1/3R　　　　　 （3）

其中A是介質的原子序，R是α粒子在空氣中的射程。

由於放射性同位素的α輻射射程很短，故單獨使用的機會甚少；實際上，常用於工業上的α放射源是當作中子源，即為α粒子中子源，其反應式如下：

【瀏覽原件】　　　　　　　　　　　　　　　(4)

通常工業上使用的α粒子中子源有釙-210加鈹【瀏覽原件】、鈽-239加鈹【瀏覽原件】、鋂-241加鈹【瀏覽原件】。α粒子中子源所產生的中子是能量高達0.5MeV以上的快中子，經緩速後始成為能量約0.025電子伏的熱中子。

氫原子對快中子的減速，本較其他原子大，所以能將快中子緩速為熱中子；因此當偵測熱中子數目大量增加時，則表示氫原子增加，反之，則表示氫原子減少。因為中子電中性，不能直接以游離作用偵測，故以中子之核反應所產生的γ射線或荷電粒子作間接偵測；通常偵測熱中子的中子計數器，有BF₃比例計數器和覆硼比例計數器。

中油公司曾以此法探勘油礦礦苗，因為石油主要為碳氫化合物。土木工程或建築工業亦可以此法探測土壤中或土表的水量，因為水中含有氫原子。圖一所示為油礦礦苗探勘簡圖。

β射線的應用

β粒子，符號為，當放射性同位素進行β衰變時，釋放出一電子，使其子核的原子序與母核差一，而質量數不變。工業上應用，係指將β射線作為測量的儀器，稱為β規。β規的基本原理，是利用β射線穿過薄物時或經薄物反射時，其穿透率或反射率的衰減，以測定薄物的厚度、密度。

β規有透射和反射兩種型式，兩者均不需與被檢物接觸，以蓋氏計數器或游離腔來偵測β射線。圖二所示為β規的基本線路圖。目前工業上應用β規來測定質量、密度、厚度，是一種相當有效的工具，如金屬薄片、人造皮革、塑膠平板、製紙業、雪茄香菸等。

在煙草工業，常以鍶-90加釔-90和游離腔兩組作為自動生產的控制，因其中一組讀出標準雪茄或香菸的密度，以控制另一組計測出裝填中雪茄或香菸的密度。在紡織工業，常以鉈-204和游離腔測定棉紗密度。表二所列是鍶-90加釔-90β規對鋁等九種物質可測厚度範圍。圖三所示是應用β規於煙草工業上。圖三的情形亦可使用於塑膠工業上，作為塑膠帶的展開平面寬度控制，如圖四所示。圖四中將β放射源置於塑膠帶上方，兩組β放射源的活性一樣，塑膠帶下方置放β規，其中β規的游離腔或蓋氏計數器被塑膠帶擋住一半，當兩組相同β規有不同的讀數時，即表示塑膠帶的寬度改變。此法曾應用於厚度30微米，寬度245毫米，生產速度12.4公尺／分，寬度變化控制在0.5毫米以內的塑膠帶之自動生產控制。

β規可以用來測定紙、塑膠、橡膠或較薄物質的厚度，尤其在大量生產時以自動控制方式的β規作業，其誤差遠較其他生產方式為低，如表三所示。

鋁箔或洋鐵皮的自動生產，是以β規作成分類機，以取捨是否合於規格（包括厚度、密度）的鋁箔或洋鐵皮。如圖五所示，洋鐵皮在壓軋後，經分類機的自動生產情形。

利用輻射的回散射，可測定鍍在某物質上不同物質的厚度，亦可從適當的一邊作測量。β粒子輻射時，因碰及位於其後方之物質而發生散射的現象，亦即回散射的散射角大於90°。以回散射法可以測定油漆厚度、電鍍材料厚度、底材上面被覆或被塗材料厚度等。如圖六所示以氪-85β放射性同位素測定鋅被覆於鐵皮上的厚度，β規仍使用游離腔，其公式為：

R=(R_c－R_b)(1－e^-kx)+R_b   　 (5)

其中R_b  為底層物質的飽和反應記數，亦即此物質在厚度為無窮大時的散射記數；R_c為被覆或電鍍物質的飽和反應記數；R為實際記數；K為經驗常數（隨β放射性同位素和物質而不同）；X為被覆或電鍍物質的密度厚度，即

X=ρt　　　 (6)

其中ρ為被覆物質或電鍍物質密度，t為欲測的厚度。將公式(5)、(6)簡化之，可得被覆或電鍍物質的厚度t為：

【瀏覽原件】    (7)

γ射線的應用

γ射線又稱為γ光子，為電磁波的一部分。早在1903年居里夫人在其博士論文指出，在磁場中的γ射線不偏向，因γ射線不帶電。γ射線有很大的穿透本領，即使幾公分厚的鉛板亦無法完全阻擋或吸收γ射線。γ射線和物質的作用是以光電效應、康卜吞效應和成對效應三種方式衰減其強度和能量。通常工業上偵測γ射線是使用蓋氏計數器，至於較複雜的偵測是使用伽瑪能譜儀、伽瑪計數系統或其他偵檢儀器。

放射性同位素所放射的γ射線，在其衰變過程中須先放射α或β粒子，如圖七所示。

利用γ射線穿透物質的衰減，測定物質的質量、密度和厚度，設原強度為I_o，通過厚度為x公分的物質，強度變為I_x，其衰減公式為：

I_x=I_oe^-µx　　　　　　　　　 (8)

其中µ為物質的直線吸收係教，單位為公分 ^-1。將直線吸收係數除以物質密度ρ即為質量吸收係數，式(8)的厚度即需乘以密度而稱為密度厚度。公式(8)取對數值後得：

x=1/µ．ln(I_o/I_x)            (9)

銫-137、鈷-60常用以測定金屬厚度。臺鋁公司高雄廠就有一部鈷-60鋁錠厚度測定儀的自動輾軋機，以自動控制高溫鋁錠輾壓過程。製糖工業亦有使用銫-137為輸送帶上甘蔗渣重量的自動控制。此外，使用鈷-60、銫-137為物質密度測定的密度儀，乃利用γ射線碰撞物質所生散射現象，以蓋氏計數器測量散射的強度，來決定欲測物質密度；鈷-60、銫-137亦可使用於挖泥工程中，以測定輸泥管內的流量、高度，甚而用以測定採礦工程中的輸送礦沙管內的含泥土量。

煉鋼、煉鋁或煉銅廠中，欲測定熔爐內液面高度，可利用鈷-60和蓋氏計數器置於熔爐兩端或兩邊。臺鋁公司鋁氧廠曾將鈷-60和蓋氏計數器置於熔爐直徑兩邊，用以測定液面高度，因為當液面未達此高度時，鈷-60的γ射線未被液體吸收而使蓋氏計數器的記數很高。而當液面達此高度時，γ射線被液體吸收致使記數很低，如此即可測定液面高度。

γ放射性同位素和偵測器置於欲測容器的底部和頂端，由於γ射線通過液體時產生碰撞、散射現象，使理論上的γ射線強度和實際強度有差異，故需添加增建因數（buildup factor）來修正屏蔽對散射的影響。設I(0)為γ射線的原強度，I(t)為經過屏蔽（液體）厚度t後的強度，µ和屏蔽材料、γ能量有關，則修正後的衰減公式為：

I(t)=B(µt)I(0)e^-µt　　　　　　(10)

其中B(µt)為增建因數，為µt的函數。實際上計算時常將增建因數分析成：

B(µt)=1+bµt　　　　　　　　 (11)

例如當γ射線能量為4.0MeV，µt為10時，鐵的B(µt)為7.11，所以b值是0.611。公式(11)僅適於較簡略的衰減估計。為求更高的準確度或準確度達5％，式(11)可以兩項指數的和表示成：

B(µt)=Ae^-αµt+(1－A)e^-βµt　　　(12)

式(10)、(11)和(12)所討論僅限於單一或均勻屏蔽材料的增建因數。圖八為測定容器內液面高度的簡圖。

γ放射性同位素在工業上的應用，亦可藉γ射線對不同物質的不同穿透能力，而在膠片上形成清晰影像，此法稱為放射照相或放射線攝影術。放射線攝影是非破壞性檢驗法的一種，其優點是不需要破壞被檢驗物質而能檢驗物質內部構造，判定是否有缺陷或焊接不良等。γ射線的放射線攝影術較Ｘ射線放射線攝影術使用的機會多，因為γ射線的放射線攝影裝備價廉、體積小、可攜帶、毋需電源又不產生熱且維護費低；惟需對γ放射性同位素做活性校正。

γ射線透過物質，因密度、厚度和種類不同，使膠片產生黑白不同影像。如密度高者，吸收較多γ射線使膠片呈現較白區域，又如密度低者或有缺陷、裂痕、漏洞，吸收較少γ射線使膠片呈現較黑區域。通常較厚或密度較高物質，如鋼鐵、鉛塊或較重金屬的放射性攝影，則採用γ射線能量較高者的γ放射性同位素，如鈷-60、銫-137、銥-192和鐳-226。對較薄物質或密度較低物質，如鋁、錫或較輕金屬，因高能量的γ射線不易檢驗出微細缺陷，故為使膠片產生較清晰影像而採用能量較低的γ放射性同位素，如銥-192和銩-170，如表四所列。臺電公司核能一廠的非破壞性檢驗施工品質，是以銥-192為射源的放射線攝影。

放射線處理，在食品工業上是作為輻射保存食物。利用鈷-60γ放射線對食品作常溫殺菌、消滅穀物害蟲等，各國均研究多年。根據1976年9月世界農糧組織、國際原子能總署和世界衛生組織三機構在日內瓦的會議結果指出：同意對馬鈴薯、小麥、雞肉、木瓜、草莓等食物作輻射保存，亦即上述食物經放射線處理後可食用。至於輻射保存米、魚肉、洋蔥則暫表同意。

經濟部工業技術研究院聯合工業研究所於民國六十二年完成了一座十萬居里鈷-60的木塑材照射工廠，是屬於大規模γ射線的放射線處理，以結合低級木材和液態塑膠單體而形成「木材塑膠結合體」，使其吸水量低、機械力強、硬度大且穩定不變形甚而不怕白蟻蛀食。此外，原子能委員會核能研究所新設立的鈷-60照射工廠，作為醫藥用品消毒和食物保存之用，亦屬於大規模的放射線處理。

結語

工業上應用放射性同位素，有下列三種特性：物質影響放射線強度，放射線能改變物質結構和以微量的放射性同位素為示蹤劑。依這三種特性，使放射性同位素配合適當的偵測儀器來作物質的厚度、密度、種類的測定和其他工業上的廣泛用途，如品質管制等。

最後尚值得一提的是，工業上使用放射性同位素之安全防護的問題。由於工業上的用途繁多，使用放射性同位素的種類、能量、強度也因而不同，所以尚無一定防護規則可循，但以保健物理的立場建議：為求輻射防護安全起見，須加強操作人員的訓練，使用時加以輻射防護，如儘量不接近放射源，減少受輻射暴露的時間和添加適當的屏蔽。總之，放射性同位素已經廣泛地應用於工業上，對促進工業生產貢獻頗大，在輻射防護方面仍必須注意，以達到保護操作人員的安全。

參考資料：

1. S. G1asstone and A. Sesonske, Nuclear  Reactor Engineering, D. Van Nostrand  Company, Inc. N. J., 1963.

2. J. Krugers, Instrumentation in Applied  Nuclear Chemistry, Plenum Press, N.J.,1973.

3. H. Cember, Introduction to Health Physics, Central Book Co., Copy, Taipei, 1969.

4. G. G. Jordan, V. B. Brodsky and B. S. Sotskov, Application of Radioisotope to Control technological Process, United Nation Press, Volume 15（聯合國原子能和平用途報告書第十五冊）

張寶樹現任職於行政院原子能委員會台灣輻射偵測工作站。

羅俊光現任教於清華大學原子科學研究所同位素組。

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