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核災殺陣 ─ 電子業新機軸

本文作者：陳乃塘點擊： 2012-06-01 15:47

前言：

2011年3/11世紀大震引爆了一場核電危機，核災‧輻射，食品安全‧限電‧節電‧新能源議題接踵浮現，節能省碳不能單是口號，日本便利商店徹底全面導入LED半導體照明，各種核能替代方案相繼導入。而真正一切歸零的是無以挽救的核災。昭慧法師說「核能發電是人類最大的顛倒夢想」。台灣與日本的地理相似度猶如孿生兄弟 , 但是請仔細想我們經的起嗎 ? 電子業除了數位醫療，在核電領域中又有什麼可以發揮的空間？

人類的最大的顛倒夢想：

聽說發現鈽、超鈾的諾貝爾獎科學家在遺囑裡寫著：「我是死神，給地球一個不該有的東西」。
為什麼日本新幹線在9級強震中可以安然無恙？
避難所的災民井然有序，非災區的居民卻在搶購食品像在辦年貨?

輻射屋，是最為昂貴的貧民屋。

<<< 車諾比核災第三天現場。>>>

就在撰寫這篇文章的時間點，綠色公民行動聯盟秘書長表示，核二廠一號機日前檢修卻發現有7根螺栓斷裂，這是全世界核電廠從未發生過的事情，而且專家認為”基座螺栓是整個反應爐中最為堅固耐用的系統”，每平方公分可承受340公噸的壓力，即使核電廠已經報銷了，螺栓都應該是好的，但是台灣的台電在未經法定程序下，就換了6根螺栓，簡直是「謀財害命」。八風吹不動，端座紫金蓮；那叫放屁。而這個瞬間一震就是來自於0.29G的震撼，硬生生拉斷錨定螺栓。

<<< 2012年3月, 台灣台電錨定螺栓的髓壞慘狀。取自破報。>>>

若是核災景象發生在台灣，又該怎麼辦呢？沒有綠卡的，有路可逃嗎？身為電子人，又能夠盡什麼心力呢？以筆者的觀點非常簡單，您我改變不了大環境，即使阿斗官如山海，卻是可以從自身來做起。一個家庭用的輻射線測試器，可能會同溫度計或是體重計一般，成為家庭中的必備用品。您有見到這個趨勢的逼臨嗎？

日本的綜合電子展「CEATEC Japan 2011」，NTT Docomo就展示了如何善用智慧型手機來追增輻射線測試器的機能。當然，利用iPhone、iPad的應用，無論海內外也陸續有產品出現。

311大震也震出了社會集體意識的急速變化。除了意識到核災之可怖之外，對於電子醫療儀器的影響，也快速做出了回應。要說明這一點，毫無困難；只要從放射線醫療相關的世界最大等級的國際會議「RSNA(Radiological Society of North America) 2011」馬上看見了這個集聚6萬人的醫療從事者所共同的話題：”醫療儀器放射線被曝量的低減化”。在以前，X射線CT裝置的被曝量往往約是6.9mSv的數值，而RSNA 2011各個廠商如東芝、GE Healthcare、西門子等等所展示的最新機種多數低於3mSv。之所以能夠實現低被曝化的主因在於兩項技術上的突破，分別是畫像再構成技術以及檢測器技術的向上進步。前者是將所取得的畫像降低了雜訊而提高了精確度，而且數位像機那套防抖動的技術也被引進導入。而後者則是改變了檢出器的材料來提高檢測感度。

特別值得一提的是歐姆龍(Omron)於2011年8月底推出的”內臟脂肪測試器”，並不使用X射線CT裝置，利用了脂肪的電氣特性，完全沒有被曝量的風險而受到業者與使用者的高度歡迎。

一場核災風暴，也加速了最新醫療裝置朝向”低被曝化”的走勢。

注：一般日常生活的被曝量，若是一回的全身CT掃描約是6.9mSv；胃的X射線檢診約0.6mSv；胸腔的射線檢診約0.05mSv。

<<< 沒有輻射量風險的內臟脂肪測試器。取自Omron。>>>

<<< 內臟脂肪測試器的量測方式。取自Omron。>>>

非常有趣的一件事情，iOS上醫學類2011年最佳APP軟體多數與放射線相關。智慧型手機成為口袋醫生以及攜帶式病歷的運用，該是爾後手機的發展趨勢之一吧。

<<< iOS醫學類2011最佳APP軟體。>>>

電子人對於放射線的基本認知：

說到輻射線，早在人類出現之前，地球上早就存在了。原因是來自於『自然界』的輻射線。這就是自然界存在的天然放射線物質。

天然輻射來源包括來自太空的宇宙射線，以及在我們生活環境中存在於土壤、岩石、建材、煤灰、人體和食物中的天然放射性物質（Naturally Occurring Radioactive Materials，簡稱為NORM）。摘述說明如下：

太空中宇宙射線，為各種能量的電磁波和粒子所組成。在高海拔地區因為大氣較稀薄阻擋小，所以輻射會增強。

土壤及岩石中，含有不同濃度的天然放射性核種，例如釷-232（232Th半衰期為1.41×1010年）、鈾-238（238U半衰期為4.47×109年）、鉀-40（40K半衰期為1.28×109年），此類核種是自從地殼誕生以來就已經存在的。

而在人體和食物內最主要的天然放射性核種為『鉀-40』。氡氣。地殼中之天然放射性核種鈾-238與釷-232，在自然衰變過程中其子核之一為放射性惰性氣體氡氣（Rn）。聯合國原子輻射效應科學委員會(UNSCEAR)曾評估指出全球每人每年接受的天然輻射劑量，其中體外劑量占三分之一，體內劑量占三分之二。

煤礦與建材，由於地球能源開發，煤礦的開採與利用過程中，同樣也會將天然放射性物質如鉀-40、釷-232、鈾-238，自地底下開採至地面上。而燃煤產生的大量煤灰，用以製造水泥和混凝土等建築材料，亦屬於天然輻射另一來源。

好! 有了這些很基本的認知常識之後，我們從自然界所接受的輻射線量，又是多少呢？依據測試器廠商所提供的資料指出，世界的平均值約是每年2.4毫西弗(Sv – Sievert)。關於放射線單位，稍後會來加以說明。

². 來自於身體外部：約0.87毫西弗。

². 來自於身體內部：約1.55毫西弗。

至於人造輻射。通常有來自於主要來源的醫療輻射(包含了X光檢查、電腦斷層掃描、正子斷層掃描及癌症放射治療等)。當然，最為恐怖的當屬”核爆落塵”以及”核能發電”。日本的福島事件，再度給人類寶貴的一課。

學過電磁波的朋友，或許比較容易建立這個概念。電磁波涵蓋了電波、光波(紅外線，紫外線等)還有Gamma射線與X射線等。那放射線的種類與特徵又是如何呢？利用表格與圖形來做一個整理就清晰多了。

放射線的種類	特徵	發生來源
Alpha射線	氦的原子核	原子核
Beta射線	帶有電荷的粒子(電子)	原子核
Gamma射線	電磁波	原子核
X 射線	電磁波	原子或裝置
中子	不帶有電荷的粒子(中子)	原子爐，加速器

<<< 放射線的穿透力示意圖。>>>

當然，人類的深層恐懼係來自於人體對於放射線的感受性以及放射性物質的沉澱。

若是就人體內部組織器官對於感受性高低的程度面向來說，順序大約是淋巴組織‧造血組織，唾液腺‧汗腺‧皮膚，肺‧肝臟‧甲狀腺，肌肉‧骨頭‧神經。

而放射性物質的沉澱部位，大致上是：

. 銫(Cs) 137：沉澱於肌肉與全身。

. 碘131：沉澱於甲狀腺。

. 鍶 90：沉澱於骨頭。

放射線看不見摸不著，來時無影無蹤，唯一知道的方法就要仰賴著測試裝置。底下就來談這個在市面上不發生災難不會是熱門的商品。

認識輻射線測試器：

除非您從事專業儀器的領域，否則，電子人很難會連想到要做輻射線測試器的一天。古人說，書到用時方恨少。若是核災來到，一隻家庭用的簡易輻射線測試器，說不定會讓您感恩到痛哭流涕。

在311之前，輻射線測試器是”利基”的產品，會使用到的領域不外乎特定醫療關係者、核能發電關係者、或從事放射性物質的研究開發者等；因此，生產設備相當有限而且生產規模又小，要在短時間內取得並非容易的事情。而且，這種東西又有一個致命的門檻，那就是需要”校正場地”來校準；還有可能需要定時校正的要求。

再說，由於以上這些因素，此類的輻射線測試器通常價格不貲，與很多電子儀器一樣，乃是高價格地帶的製品；當然，在網路上也存在有低價格的貨色。

說到這裡，輻射線測試器就有幾個議題需要釐清楚。首先，輻射線測試器的基本原理何在？類型又存在有幾種呢？當然，還有輻射量的使用單位當然要搞清楚。還有一件事情，怎樣的測試方式會比較理想呢？

若是就小型的輻射線測試器(也就是攜帶式的款式)來說，依據量測的原理方式大致上可以歸納成三種類：

Ø. Geiger Muller計數器輻射線量測試器；簡稱GM計數器。(放射線的電離作用原理，與放射管一樣的原理)。

Ø. Scintillation 型。(螢光體的激勵現象) 。

Ø. 半導體型。(固體之電離現象)。

第一種類型測試，有個故事要說。有一個測量輻射量的專業用語『Geiger Counter』。它是利用了輻射線具有的電離能力，輻射線透過了感應器來測量回數的計測器。在1928年，德國Johannes Wilhelm Geiger與其弟子Walther Muller所開發；因此才以兩人的頭文字來命名。

而感應器其實就是封入Ar、Ne等稀有氣體的真空管，內部安置了正極與負極，施加500~1000V程度電壓。當有放射線通過時，稀有氣體原子電離，分成陽離子與電子。所產生的電子會因為電場而加速與稀有氣體原子衝突，因而發生了雪崩現象，瞬間產生很大的脈衝電流。也就是藉著這個脈衝發生的頻繁度來量測單位時間的放射線量。為了降低動作電壓，在計數管內除了稀有氣體以外，也有添加Br、Cl等場合。

這種量測方式對於Gamma線、 Beat放射線相當卓越。由於Alpha放射線不能通過玻璃，中子線沒有電離能力；若要量測就必須施予特殊的處理。

<<< Geiger Counter的測定方式解說圖之一。取自維基。>>>

<<< Geiger Counter的測定方式解說圖之二。>>>

由於使用了真空管，量產很不容易又要防止不甚落下的品質管理。此種方式產品不適合用於家庭用途。同時，Geiger Muller計數器僅僅能夠測量計數率，換算成放射線量率也是必要的措施。

底下圖示這個產品(日立的TGS-146B)就是Geiger Muller計數器的一個應用產品範例；它也是日本核災事故之後，自治團體所採用的公表值或是基準參考產品。請仔細看，該產品在前端有一個直徑50mm的Geiger Muller管。

<<< TGS-146B。取自日立Aloka。>>>

當然，市面上也是有低價的Geiger Muller管制品；比如說，俄國製的SOEKS01，就採用了一個簡單6mmx16mm的Geiger Muller管。

<<< SOEKS01。>>>

第二種類型測試，是利用了放射線入射時會發出光的螢光體，測量其發光次數以及發光能量。一般來說，此類產品雖然感應度很好，由於”感應器”部份的構造複雜，通常是高價格的東西。也很難成為家庭一般用品，不過在市面上也的確有廉價的攜帶式產品。

以底下圖式的岩通產品為例，基於實際測試的數值換算成年間被曝量的條塊狀表示方式，是屬於日本原子研究開發機構的專利。

注：「獨立行政法人日本原子力研究開發機構」專利發明（特許第4448944 號）。

<<< Scintillation型放射線測試器。>>>

第三種類型測試，係使用了Si半導體的方式。更明確地說，就是利用了PIN光電二極體。這是因為此類元件的p型半導體與n型半導體之間具有空泛層(也就是沒有載子的領域)的構造。當Gamma放射線經過時，會和Si原子發生衝突引起了”固體電離”；因應這個能量而產生了電流。也就是透過了測量這個電流量來計數。

若是考量到若是發生了核災事故，所擴散的放射性物質除了Cs134、Cs 137之外，還有Alpha射線的Pu-239以及Beta射線的Sr-90。不過，如果就外部曝露的觀點，對於人類身體的影響等層面來衡量，利用半導體方式或許是家庭用製品的好選擇之一。

<<< 攜帶式放射線量測器之一。圖為富士電機製品。 >>>

<<< 攜帶式放射線量測器之二。 >>>

<<< 攜帶式放射線量測器之三。 >>>

接著下來，來談放射線的單位議題，以及測試儀器上的表示單位又是為何。此處有幾個重要名詞要先來搞清楚：

. 貝克 (Bq – Becquerel)：放射線強度單位。往往在檢查水道水、食品的時候所使用的單位。

. 西弗 (Sv – Sievert)：游離輻射劑量單位。往往見於放射線對於人體影響所使用的。乃是目前等效劑量的國際專用單位(SI unit)。

. 戈雷 (Gr - Gray )：為目前吸收劑量的國際專用單位(SI unit)。

而不少攜帶式測試器所顯示的測量單位卻是”uSv/h”，這是考慮對於人體影響的放射線均量單位。也就是每小時毫西弗的含意，然後，藉由這個數值換算成一年間的放射線量。

比如說，如果您手中儀器的測試值為0.23 uSv/h，那麼一年間的輻射量大約為2mSv。

至於，倫琴是放射性物質產生的照射量的一個單位。得名於德國物理學家Wilhelm Conrad Röntgen。請留意，“倫琴單位不是國際單位”。在醫學等方面還是很常用，一般用來衡量X射線和γ射線的強度。用倫琴單位衡量其他形式的輻射，倫琴單位表示的是存在的輻射量，不等於生物組織的吸收情況。衡量後者使用的是輻射劑量，單位為雷姆或西弗。1雷姆大致相當於人體全部吸收了1倫琴單位的輻射。

雷姆全稱為人體倫琴當量，為輻射劑量當量的單位，相當於一倫琴的X光射線或伽碼射線。1雷姆 = 0.01 西弗。在國際單位制中，“雷姆為非法定單位”，計量當量的法定單位為西弗。

注：1895年倫琴(Wilhelm Konrad Röntgen，1845－1923)，德國實驗物理學家發現X射線(又叫做倫琴射線)。1901年，首屆諾貝爾獎頒發，倫琴獲得諾貝爾物理學獎。

<<< 輻射劑量的單位說明表格。>>>

注：之所以輻射劑量單位(dosimeteric unit)會存在著多樣化單位的原因就在於應用領域的分類所導致，比如說：

依據曝露量(exposure)與曝露率(exposure rate)：如侖琴。

依據吸收劑量：如戈雷。

依據等效吸收劑量與有效吸收劑量：如西弗。

<<< 日本福島Cs134與Cs137的沉積量。單位為Bq/m²。>>>

至於檢測的方式，考量到來自於自然放射線以及從地表來的放射線，通常離地表一公尺的高度是不錯的測量方式。

<<< 放射線量的測試方法。取材自S.T. Corporation。>>>

<<< 放射線量測試方法實際範例。>>>

<<< 一般家庭用輻射測試器約在正負20%的範圍。>>>

隨著iPhone，iPad的風行，透過感應器與APP的應用，也可以在市面上可以尋得。透過智慧型手機的周邊產品，的確有一大塊的感應器測試空間。

<<< iPhone透過硬體附件與軟體也可以化為測試器。>>>

<<< iPhone化身為放射線測試器。>>>

還有一個人人會憂慮的問題 ─ 食品內部輻射量的問題；比如說，蔬菜/水/肉類/魚。這時候要留意檢測單位的表示往往是貝克/公斤(Bq/Kg)。

結語：

總之，依據日本的災難經驗心得，放射線防護原則可以歸納成六大項，無妨謹記在心，不怕一萬就怕萬一。這6項原則分別是：『距離、遮蔽、短時間、勿吸(帶口罩)、勿食、注意傷口』。

而放射線測試器的選擇大致上有底下三個種類，家庭用途的必備用品也許也是未來趨勢；這個商機的拿捏也是電子人的機會。

<<< Geiger Muller計數器 - Scintillation型 - 半導體型。>>>

還有額外的一件事情也不得忽視，那就是測量資料的可靠性問題。一般消費者使用的產品，誤差範圍可以容許在正負20%的範圍。日本的財團法人國民生活中心，曾經在2011/9發布了訊息，指出有些測試器的資料不足為信。因此，在使用這類裝置來測試時，比較理想的情況不外乎多做點功課就是準備兩台以上的產品，取樣多可靠度也比較好。

比如說，獨立法人國民生活中心以及日經電子都有對於家庭用放射線測試器做過評估的測試與報告。明顯看出彼此產品之間的差異甚大，此類產品畢竟需要精密的校正措施；因此，當在使用這類的儀器時，要有誤差上的認知以及多取樣的概念。