姚林鵬，樊春燕，薛 亮，李 民，李曉銳，劉國(guó)俊，穆慧敏

(1.山西省地震局運(yùn)城地震監(jiān)測(cè)中心站,山西 夏縣 044400；2.中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045；3.山西省地震局，山西 太原 030021；4.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,山西 太原 030025)

0 引言

氡是地下流體觀測(cè)研究中映震能力較敏感的組分，是地震地下流體科學(xué)研究中觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、得到廣泛研究的地下流體測(cè)項(xiàng)之一[1]。長(zhǎng)期的觀測(cè)結(jié)果表明，氡等流體的地球化學(xué)組分存在顯著的震前異常變化與震后效應(yīng)[2-3]。連續(xù)測(cè)量地下水中氡含量的變化，有益于捕捉到地震孕育與發(fā)生的信息[4]。

夏縣地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱夏縣臺(tái))水氡觀測(cè)始于1984年，使用FD-125測(cè)氡儀進(jìn)行水氡日常觀測(cè)，觀測(cè)質(zhì)量較好，為山西南部及周邊地震趨勢(shì)分析提供參考數(shù)據(jù)。近幾年，因固體氡源運(yùn)輸過程的不便及嚴(yán)格的放射性監(jiān)管要求，對(duì)FD-125測(cè)氡儀的校準(zhǔn)工作、水氡觀測(cè)資料的可靠性均造成一定影響。為此，夏縣臺(tái)引進(jìn)AlphaGUARD測(cè)氡儀。研究表明，用AlphaGUARD P2000測(cè)氡儀作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器開展無源量值傳遞實(shí)驗(yàn)，已在一些站點(diǎn)取得較好效果并在小范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用[5]。有研究者以該測(cè)氡儀作為標(biāo)準(zhǔn)儀器，對(duì)地震系統(tǒng)SD-3A測(cè)氡儀和新入網(wǎng)的BG2015R測(cè)氡儀進(jìn)行氡值響應(yīng)和斷電恢復(fù)實(shí)驗(yàn),取得較好結(jié)果[6]；也有研究者采用水中溶解氡加標(biāo)準(zhǔn)儀器的校準(zhǔn)技術(shù)代替氡氣固體源校準(zhǔn)的方法，基本確定了開展標(biāo)準(zhǔn)儀器校準(zhǔn)所需條件[7]。

該文使用AlphaGUARD測(cè)氡儀對(duì)夏縣臺(tái)熱水井水氡濃度進(jìn)行觀測(cè)試驗(yàn)，通過與FD-125測(cè)氡儀觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，判定AlphaGUARD測(cè)氡儀用于水氡校測(cè)工作的可行性。

1 AlphaGUARD測(cè)氡儀性能及觀測(cè)方法

1.1 儀器性能簡(jiǎn)介[6]

AlphaGUARD P2000F測(cè)氡儀是一款便攜式儀器，可持續(xù)測(cè)量氡及氡子體濃度、γ劑量率和工作環(huán)境參數(shù)?；诔墒斓拿}沖電離室原理，對(duì)氡元素有高探測(cè)效率；長(zhǎng)期使用時(shí)免于維護(hù)，在高空氣濕度條件下，數(shù)據(jù)傳輸可靠，不會(huì)受到震動(dòng)沖擊的影響。AlphaGUARD P2000F具有實(shí)時(shí)全天測(cè)量氡濃度的功能，內(nèi)部集成氣壓、相對(duì)濕度及溫度傳感器，使用DateEXPERT軟件存儲(chǔ)和分析測(cè)量數(shù)據(jù)，是國(guó)際上公認(rèn)的氡標(biāo)準(zhǔn)參照儀器(見表1)。

表1 AlphaGUARD測(cè)氡儀主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indexes of AlphaGUARD radon detector

1.2 AlphaGUARD測(cè)氡儀觀測(cè)原理及方法

AlphaGUARD測(cè)氡儀的水氡觀測(cè)在常壓下進(jìn)行，F(xiàn)D-125水氡儀屬負(fù)壓測(cè)量；其使用原裝AlphaGUARD 500 ml測(cè)量瓶，采用恒流泵封閉抽氣循環(huán)方式，在常壓下脫出水中氡氣并鼓入儀器內(nèi)部電離室進(jìn)行觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)連接方式如圖1所示，水中氡氣自排氣瓶中脫出，流經(jīng)防水安全瓶后，通過恒流泵鼓入測(cè)氡儀電離室，然后再次循環(huán)，整個(gè)氣路保持封閉。

圖1 AlphaGUARD測(cè)氡儀實(shí)驗(yàn)連接方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental connection mode of AlphaGUARD radon detector

觀測(cè)時(shí)，首先打開AlphaGUARD測(cè)氡儀預(yù)熱30 min，待儀器本底值降到100 (Bq/m3)以下時(shí)，取500 mL待測(cè)水樣與排氣瓶中，恒流泵以1.0 (L/min)流速打開進(jìn)行脫氣，脫氣10 min后，將恒流泵停止運(yùn)行，使用止水夾夾緊測(cè)氡儀的進(jìn)氣端與出氣端。測(cè)氡儀10 min一個(gè)讀數(shù)，讀取停泵后的10個(gè)測(cè)值進(jìn)行分析。

2 觀測(cè)結(jié)果分析

2.1 測(cè)值結(jié)果誤差分析

AlphaGUARD測(cè)氡儀的測(cè)量結(jié)果需進(jìn)行氣壓與溫度校正[7]，該儀器自帶溫度與氣壓測(cè)量結(jié)果，因此，測(cè)氡儀脈沖電離室氣壓與溫度校正工作使用的是廠家提供的計(jì)算程序。采用前述AlphaGUARD測(cè)氡儀觀測(cè)方法對(duì)夏縣熱水井水氡進(jìn)行觀測(cè)，表2和第8頁圖2為3次測(cè)量的校正結(jié)果及誤差。可以看出，AlphaGUARD測(cè)氡儀觀測(cè)值較平穩(wěn)，標(biāo)準(zhǔn)差占均值比例較小，超過一倍標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)較少。若在濃度計(jì)算中去除超過標(biāo)準(zhǔn)差后的數(shù)據(jù)再平均，其結(jié)果更可靠。

圖2 AlphaGUARD測(cè)氡儀實(shí)驗(yàn)測(cè)值誤差Fig.2 Experimental measurement error of AlphaGUARD radon detector

表2 AlphaGUARD測(cè)氡儀3次實(shí)驗(yàn)測(cè)量校正值Table 2 Correction value of three experimental measurements of AlphaGUARD radon detector

2.2 水氡濃度計(jì)算方法及結(jié)果

AlphaGUARD測(cè)氡儀經(jīng)過校正后的測(cè)值平均結(jié)果代表整個(gè)測(cè)量氣路的氡氣濃度Cair，進(jìn)行濃度換算，得到水氡濃度Cwater。已知?dú)饴冯睗舛菴air，氣路體積V(1 967 mL，其中AlphaGUARD測(cè)氡儀680 mL+Alpha恒流泵18 mL+AlphaKIT自帶管路33 mL+500 mL鼓泡瓶618 mL+500 mL安全瓶618 mL)和水樣體積Vwater，則：

.

式中：e-γt為氡衰變函數(shù)值。通過該公式計(jì)算夏縣臺(tái)30組水氡測(cè)值(見第8頁圖3)?？梢钥闯觯珹lphaGUARD測(cè)氡儀水氡計(jì)算結(jié)果在23.3～27.0 (Bq/L)之間變化，相對(duì)中值變化率為7.4%，與夏縣臺(tái)水氡長(zhǎng)期觀測(cè)的波動(dòng)值相當(dāng)(10%左右)，數(shù)據(jù)較穩(wěn)定。故具備與同期FD-125水氡儀的測(cè)值進(jìn)行對(duì)比的可行性。

2.3 兩套儀器測(cè)值對(duì)比分析

將AlphaGUARD測(cè)氡儀測(cè)量結(jié)果換算成水氡值后的30組測(cè)值，與同一天FD-125水氡儀的測(cè)值進(jìn)行對(duì)比(見圖3)。結(jié)果表明，AlphaGUARD測(cè)氡儀測(cè)量結(jié)果均值為25.3 (Bq/L),FD-125水氡儀的均值為24.7 (Bq/L)。兩種儀器測(cè)值較接近，均在23～27 (Bq/L)之間，相對(duì)偏差較小，平均為2.1%。AlphaGUARD測(cè)氡儀測(cè)值整體較FD-125的高，差值波動(dòng)范圍為-0.9～1.7 (Bq/L)，從以下四方面進(jìn)行分析。

圖3 AlphaGUARD與FD-125測(cè)氡儀測(cè)值Fig.3 AlphaGUARD and FD-125 radon detector measured values

(1) 兩種測(cè)氡儀的溯源不同。夏縣臺(tái)FD-125水氡儀使用RN-150固體氡氣源進(jìn)行標(biāo)定，該氡源已超過其刻度期；AlphaGUARD測(cè)氡儀由江西省地震氡觀測(cè)儀檢測(cè)平臺(tái)定期檢測(cè)與更新參數(shù)，能保證其刻度的準(zhǔn)確性。

(2) 標(biāo)定線性差異。FD-125水氡儀使用活度為10 Bq的固體氡氣源標(biāo)定得到校準(zhǔn)系數(shù)K值，目前，無相關(guān)試驗(yàn)證明各個(gè)活度所測(cè)校準(zhǔn)系數(shù)K值是線性關(guān)系，因活度的差異，可能造成FD-125水氡儀測(cè)值發(fā)生偏移[8]；AlphaGUARD測(cè)氡儀在觀測(cè)系統(tǒng)內(nèi)氡體積活度>1 000 (Bq/m3)時(shí)，線性關(guān)系穩(wěn)定。

(3) 取樣及鼓泡方式的差異。兩種儀器測(cè)量氡值的過程中，F(xiàn)D-125使用負(fù)壓取樣及鼓泡；AlphaGUARD測(cè)氡儀使用常壓取樣及鼓泡，可能會(huì)造成測(cè)值的差異及波動(dòng)。

(4) 系統(tǒng)誤差。FD-125水氡儀每日主副樣差值在8%左右波動(dòng)，AlphaGUARD測(cè)氡儀測(cè)值穩(wěn)定。

3 結(jié)論與討論

通過對(duì)夏縣臺(tái)兩套水氡觀測(cè)儀的對(duì)比試驗(yàn)，可得出如下結(jié)論與建議：

(1) 使用AlphaGUARD測(cè)氡儀觀測(cè)水氡，測(cè)值較平穩(wěn)，超標(biāo)個(gè)數(shù)較少，操作使用簡(jiǎn)單。

(2) 兩種測(cè)氡儀測(cè)值接近，具有相似的動(dòng)態(tài)變化。AlphaGUARD測(cè)氡儀具備替代FD-125水氡儀觀測(cè)及對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定的條件。

(3) 兩種儀器的測(cè)值差異，主要與標(biāo)定溯源、標(biāo)定線性、取樣及鼓泡方式和系統(tǒng)誤差有關(guān)。

(4) 限于試驗(yàn)條件，此次使用一臺(tái)AlphaGUARD測(cè)氡儀，結(jié)果有一定的局限性。因固體氡源使用不便，無法進(jìn)行AlphaGUARD測(cè)氡儀對(duì)固體氡源的刻度比較，建議后續(xù)研究時(shí)開展AlphaGUARD測(cè)氡儀對(duì)FD-125水氡儀的標(biāo)定。

感謝山西省地震局范雪芳高級(jí)工程師為此次試驗(yàn)提供的指導(dǎo)與幫助！