同步輻射研究中心的輻射源主要有制動輻射、中子、誘發活性及同步輻射光四種。制動輻射是來自電子在產生、加速、注射及儲存這些過程中因偏離軌道而撞擊周圍機器組件的產物，電子在物質內引發電磁串級效應(ElectromagneticCascade)，加馬射線因而大量產生，它們具有很寬的能譜分佈與很強的方向性，是本中心輻射防護最主要的對象，也是工作人員劑量的主要來源。中子是一些高能制動輻射與加速器組件或屏蔽體經光核作用(PhotonuclearReaction)所引發的，其強度遠小於制動輻射，方向性也不顯著，但因中子之穿透力較強，其防護亦不容忽視。加速器組件經電子或制動輻射高劑量持續照射後，視射源能量、功率和物質材料的不同，會造成不同程度的活化現象。一般而言，因為那些被活化的主要核種其半衰期都非常短，很快就衰減至可忽略的程度，並不特別構成輻射防護方面的問題，只有維修像是Septum、Kicker等較高度活化的組件時須要注意。至於同步輻射光，它的強度非常強但能量遠比上述的輻射源低很多，故穿透力不強，除在光束線的管壁內或實驗腔室中，此類輻射不太可能穿透屏蔽而造成人體的深部劑量，但若直接暴露在同步輻射光下則會造成很大的淺部劑量和嚴重的皮膚病變。


同步輻射研究中心的電子加速器包含三個主要的部分(圖1)：直線加速器（LINAC）將由電子槍發射的電子加速至50MeV，之後轉入同步輻射增能環（BoosterRing）將電子能量進一步提升至1.5GeV，最後經由傳輸線注射送入1.5GeV的儲存環（StorageRing）穩定儲存，典型的電子生命期約為10小時。加馬射線與中子輻射場的主要來源是運轉過程中損耗的高能電子撞擊周邊物質後所引發，根據實際運轉的經驗，只有在每次短暫約幾分鐘的電子注射期間，因大量的電子損耗於注射段附近，會在其屏蔽牆外會造成可觀的加馬射線與中子劑量率；除此之外其他時間，特別是當電子長期穩定地儲存於儲存環真空腔內，週遭環境的加馬射線與中子輻射場強度均與一般背景相當。有三個主要的問題使得高能粒子加速器特有之輻射場不同於一般，第一個是輻射場的組成包含多種不同性質的粒子，例如：原始帶電粒子與光子、電子、中子、介子等等二次粒子；另一問題是輻射場帶有因加速機制而來的特定時間結構，不像射源或核反應器週遭的輻射場大致上是穩定的；第三是輻射場的能量範圍非常寬廣，可高達原始帶電粒子的能量。這些問題使得加速器相關的輻射場測量與分析更加複雜與困難，因此需要大量仰賴模擬計算的搭配才能獲得正確的結果。

圖一：國家同步輻射研究中心1.5GeV電子加速器的示意圖

FLUKA是一個能夠模擬強子串級（hadroniccascade）與電磁串級（electromagneticcascade）過程的通用三維蒙地卡羅程式，它可以模擬追蹤的粒子種類多達幾十種，常用的有質子、中子、電子、μ子、π介子、k子（kaon）等等，其有效的能量追蹤範圍亦非常廣，可從熱平衡能量一直高到TeV以上的能量。它的應用範圍從高能加速器與偵檢器設計、輻射屏蔽計算、假體劑量估計到宇宙射線模擬等等皆可適用。FLUKA計算所得之屏蔽牆外中子與加馬射線的能譜如圖2所示，結果正規化到每損耗一個1.5GeV的原始電子所造成的通量以惰性（Lethargy）為單位。加馬射線主要能量範圍由100keV到100MeV，有一明顯尖峰位於0.511MeV，為電子正子互毀所產生的特性加馬射線，這是高能輻射場常見的一個特徵，而且圖中顯示能量高於0.511MeV以上的加馬射線比例與低能部分相當。中子能譜與宇宙射線中子類似有一大一小二個尖峰，大的尖峰來自低能中子產生之主要機制蒸發反應（EvaporationReaction），小尖峰為高能中子減速過程與截面特性的表現，另外圖中顯示低能量中子所佔的比例相當高，這是因為中子產生後在屏蔽體內外之隧道區與實驗區不斷散射的結果。將中子與加馬射線能譜分別乘上各自的通量劑量轉換因子，可以得到每損失一個1.5GeV電子會造成屏蔽牆外1.3×10^-11μSv的加馬射線劑量與5.3×10^-13μSv的中子劑量，再乘上預期穩定運轉每秒所損耗的電子數目，所得到的劑量率與區域輻射監測器實際測量的讀值在同一數量級，而且不同位置的比較也與測量結果一致，顯示FLUKA非常適用於高能粒子加速器輻射屏蔽的設計與劑量評估。

表一：90年度人員體外輻射劑量統計表

個人年累積劑量H (mSv)	人數
H ≦LLD	727
LLD < H ≦ 0.1	110
0.1 < H ≦ 0.2	8
0.2 < H ≦ 0.3	1
0.3 < H ≦ 0.4	0
0.4 < H	0
總計	846

註 : 1.H為個人年累積劑量扣除背景輻射劑量 2. LLD 為最低可測值

要評估因同步輻射加速器運轉所造成的輻射劑量，必須先認識無可避免的自然背景輻射，包括來自宇宙射線、地殼的天然放射性核種、大氣中的核爆落塵、建築物內的輻射背景等等。自然背景輻射所造成的劑量每個地方都不太一樣，會隨著高度、地球緯度和天然地理環境而變化，一般而言，台灣大部分地區自然背景輻射的總劑量大約是每年2mSv，其中體外加馬射線的自然背景劑量率約為0.1μSv/h左右，自然背景的中子劑量率則遠小於加馬射線只有約0.003μSv/h。同步輻射研究中心在制訂各項輻射防護措施時都嚴格遵守我國法規的標準，並充分落實合理抑低的原則，例如法規對輻射工作人員之年劑量限值為50mSv，同時連續五年不得超過100mSv，對一般民眾之年劑量限值為1mSv，但同步輻射研究中心將輻射工作人員與外來用戶年劑量管制目標降低至2mSv。即使如此，我們仍不斷採取各種措施，盡量抑低人員接受的劑量。由90年度人員劑量統計結果(表一)可看出，絕大部份的工作人員所接受的劑量與背景相當，就是累積劑量最大者，其遭受之輻射劑量亦不到一般民眾法規年限劑量的1/10，顯示輻射防護措施計畫已發揮效果，在本中心從事實驗研究，不會有輻射安全方面的問題。


圖3左下平面圖中紅點是偵檢器組的位置，旁邊黑框內的數字是現在加馬射線的劑量率，藍框是中子的讀值；右手邊的長條圖顯示目前所有偵檢器讀值的比較，使我們能馬上了解整體輻射場的變化；也可以任選一台偵檢器觀察當地輻射場變化的即時歷史資訊，如左上角所示；右下角則為現在機器運轉的狀況與劑量率的限值。所有的數據每10秒會自動更新一次，如監測值超過劑量率限值的一半，讀值會由綠變黃為預警狀態，再超過劑量率限值則讀值變紅為警報狀態，輻射及操作安全組會儘快追蹤調查劑量偏高的原因，並要求控制室運轉人員調整運轉條件，以確保人員的安全。因為加速器輻射場有特定時間結構的問題，要量得正確的劑量率，偵檢器無感時間（DeadTime）的考慮非常重要，因此我們主要選用游離腔來測量加馬射線，用緩和式BF₃侖目計（ModeratedBF3remcounter）測量中子；偵檢器的型號有EberlineFHT191N、NRCADM-610IP-100、Reuter-StokesRS-121HPIC等游離腔型式的加馬射線偵檢器，以及EberlineFHT751、NRCADM-610NP-100等緩和式BF₃型式的中子偵檢器。在電子注射時（圖3(a)），不同位置中子或加馬射線劑量率的變化可達好幾個數量級，屏蔽牆內隧道區劑量率約為~10⁴μSv/h左右，屏蔽牆外廠區內約為1~10²μSv/h，場界劑量率則小於10^-1μSv/h；而電子穩定儲存時（圖3(b)），中子或加馬射線的劑量率則都在自然背景附近。同步輻射研究中心的劑量限值為每年不超過2mSv，經由一些假設推導出屏蔽設計參考的劑量率限值分別為注射時不超過500μSv/h與儲存時7.5μSv/h。


上述加馬射線偵檢器的靈敏度與動態範圍在同步輻射研究中心測量沒有問題，參考圖3中長條圖編號1到17不同位置的加馬射線讀值。但是受限於靈敏度的關係，上述中子偵檢器只能用在電子注射時，其他大部分時間中子的讀值則幾乎不具任何意義，如圖3(b)中長條圖編號18到30不同位置的中子劑量率，因此在一些特別有興趣的位置（例如場界），我們也發展了高效率的中子偵檢器來取代。由於中子的穿透能力比加馬射線強，同步輻射研究中心廠界的輻射劑量主要來自中子的貢獻，根據同步輻射研究中心的運轉經驗，廠界的中子劑量率會隨著機器運轉狀況不同而有很大的變化。圖4顯示同步輻射研究中心場界的監測站典型一天內中子劑量率隨著機器運轉變化的情形，此場界監測站安裝有高靈敏度的中子偵測器，離儲存環中心約八十公尺，面向注射段電子損耗最多的地方。圖4上半部顯示中子劑量率的變化，圖下半部顯示對應的儲存環運轉參數包括儲存電流與生命期。由監測的結果清晰可見，當機器停機與電子穩定儲存時，場界幾乎完全感受不到額外的中子來源，由宇宙射線中子造成的背景中子劑量率約為0.003μSv/h；當增能環開始暖機時，額外的中子貢獻就出現了，約為背景的二倍；電子注射時，由於大量高能電子的損耗，場界劑量率達到最高約為中子背景的幾十倍，但是仍然小於加馬射線的背景；電子束Dump時，場界也可感受到明顯的瞬間中子劑量率。整體來說，因為電子注射的時間很短，累積的中子總劑量還是遠小於法規的限制，不至於對環境或人員有任何影響。


同步輻射研究中心的即時輻射監測系統除了整合所有的輻射監測資料、提供清晰美觀的顯示外，還有下述的優點：不受距離的限制、可與連鎖系統連動、方便維護、容易擴充等等。我們並發展了一些分析軟體方便用戶使用，例如利用history程式可以同時存取機器狀態與輻射監測的資料庫，透過交叉比對可以研究輻射劑量隨加速器運轉的各種情況。舉例來說，圖5顯示出加速器運轉參數與輻射監測值隨時間變化的比較（5/19~5/21連續三天），上半部顯示兩個運轉狀態的參數：r3dccti為儲存環的儲存電流、r4bpmy為第四段附近電子軌道的垂直位置；下半部的訊號gMov6為第四段附近屏蔽牆外加馬射線劑量率的監測值。很明顯地，屏蔽牆外的劑量率在電子注射時約比儲存期間高出兩個數量級；在電子儲存時，輻射劑量率會隨電流衰減慢慢降低。比較時間在5/20-12:00之前與之後的情形，由於運轉模式的不同（由low-emittance轉換到high-emittancemode），導致局部電子軌道r4bpm3y的變化。電子軌道的改變會影響電子損耗的速率，這裡的情況是減少了局部電子的損耗，因而大幅降低了屏蔽牆外的輻射劑量率約一個數量級。透過即時輻射監測網路系統的幫助，很多類似的分析可以很快達成。


最後提醒大家，即時輻射監測系統可以幫助你了解同步輻射研究中心的輻射場分布情形，雖然顯示工作廠所的輻射劑量已被抑低在合理的水準，還是不可掉以輕心，任何人員在本中心輻射管制區作業時務必遵守輻射管制措施，並正確配帶人員劑量計，以利追蹤輻射曝露的情形，進而確保自身的安全。

國家同步輻射研究中心儲存環屏蔽牆外中子與加馬射線的能譜

圖三(a)：國家同步輻射研究中心輻射場的即時輻射監測系統(電子注射中)

圖三(b)：國家同步輻射研究中心輻射場的即時輻射監測系統(電子儲存中)

圖四：國家同步輻射研究中心場界中子天空散射的監測

圖五：加速器運轉參數(上半部)與輻射監測(下半部)資料之比較