任宏微 姚玉霞 陳其峰

1 中國地震局地球物理研究所，北京市民族大學南路5號，100081 2 應急管理部國家自然災害防治研究院，北京安寧莊路1號，100085 3 甘肅省地震局平?jīng)龅卣鸨O(jiān)測中心站，甘肅省平?jīng)鍪袕V成路中街231號，744000 4 山東省地震局聊城地震監(jiān)測中心站，山東省聊城市中華南路24號，252000

氡觀測是地震前兆地下流體觀測手段中的重點測項，在地震預報中發(fā)揮著重要作用[1-8]。通常采用能提供一定氡氣活度的氡氣固體源(RN-150氡氣固體源、FD-3024氡氣固體源及RN-FD循環(huán)式氡氣固體源)對地震系統(tǒng)的測氡儀進行校準，然而目前存在臺站氡氣固體源老化、新源購置困難、安檢運輸嚴格等問題，導致測氡儀校準出現(xiàn)困難[9]。有學者提出能代替測氡儀有源校準的標準儀器校準法[10]，即在實驗室和臺站分別采用標準儀器與RN-FD循環(huán)式氡氣固體源同時對閃爍法測氡儀(以FD-125測氡儀為代表)進行校準對比實驗，驗證了該方法的可行性。該方法的應用條件為：保證進入標準儀器的氡濃度大于1 000 Bq/m3[10-11]。黃仁桂等[12]使用標準儀器校準法與氡室校準法同時對FD-125測氡儀校準的實驗結果進行對比分析，結果表明，二者相對偏差符合氡觀測計量溯源的技術要求，進一步驗證了標準儀器法的可靠性。

目前地震系統(tǒng)使用最廣泛的氡源是進口RN-150和國產(chǎn)FD-3024小型氡氣固體源，二者的使用原理和校準方法與RN-FD循環(huán)式氡氣固體源和氡室不同：RN-FD循環(huán)式氡氣固體源和氡室均采用與測氡儀串聯(lián)循環(huán)的方式對儀器進行校準[13]；而進口RN-150和國產(chǎn)FD-3024小型氡氣固體源采用測氡儀負壓吸入氡源的方式進行校準[14-15]。

本文將標準儀器校準與RN-150小型氡氣固體源校準進行對比，進一步驗證標準儀器校準方法的可行性，為該方法在臺站的試用推廣提供更多的理論依據(jù)。

1 標準儀器校準法

1.1 AlphaGUARD 系列測氡儀

AlphaGUARD測氡儀是國際公認的具有良好穩(wěn)定性與準確性的脈沖電離法測氡儀，可作為刻度工作的標準傳遞裝置，用來確保其他主動式或被動式測氡儀的校準質(zhì)量[16]。AlphaGUARD測氡儀的主要類型包括AlphaGUARD PQ2000PRO測氡儀與AlphaGUARD P2000F測氡儀。其中 AlphaGUARD PQ2000PRO測氡儀具有被動擴散測量模式，常放置于氡室中實時監(jiān)測氡室濃度[17-18]；AlphaGUARD P2000F測氡儀具有主動測量模式，常用于土壤氡、水氡等日常測量[19-21]。本文將AlphaGUARD P2000F測氡儀作為標準儀器，通過測量水中溶解氡的含量來校準其他測氡儀。

1.2 標準儀器校準法的原理

標準儀器校準法是將AlphaGUARD 測氡儀、FD-125測氡儀的閃爍室、溶解有一定氡氣的水樣、 AquaKIT鼓氣瓶、Alpha抽氣泵及干燥管等進行串聯(lián)，形成閉合的循環(huán)系統(tǒng)，如圖1所示。當水中溶解的氡氣被脫出后，氡氣進入整個閉合系統(tǒng)中，氡濃度被AlphaGUARD測氡儀捕捉。已知濃度的氡氣進入閃爍室后，閃爍室內(nèi)氡活度就能被計算出來，利用活度除以脈沖即可求得K值。

圖1 標準儀器校準法實驗連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of experiment connection of standard instrument calibration method

2 標準儀器校準實驗

2.1 實驗方法

本文選擇山東聊城水化實驗站展開實驗，該臺站是中國地震水化臺網(wǎng)一類基準臺，連續(xù)多年的水氡觀測資料質(zhì)量較好，能保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性。該臺站目前使用RN-150小型氡氣固體源進行測氡儀校準，符合實驗對比條件。實驗過程如圖2所示。

圖2 實驗過程Fig.2 Experiment process

2.2 實驗結果

使用閃爍法或電離法進行儀器校準時，會受到溫度和氣壓的影響[22]，因此需要對FD-125測氡儀及AlpaGUARD P2000F測氡儀的測量結果進行氣壓及溫度校正。

對AlphaGUARD P2000F測氡儀測量的系統(tǒng)氡體積活度及FD-125測氡儀閃爍室脈沖計數(shù)進行溫度和氣壓校準后，得到可參與計算的氡體積活度與脈沖計數(shù)。將校正后的體積活度乘以閃爍室體積(0.000 5 m3)，再除以校正后的脈沖計數(shù)，得到校準系數(shù)。每個閃爍室進行2次校準實驗，每個閃爍室2次校準系數(shù)相對均值偏差均小于5%。將每次得到的校準系數(shù)求平均得到閃爍室校準系數(shù)，相關測量記錄見表1。由表可見，3個閃爍室應用標準儀器校準法得到的校準系數(shù)K分別為0.008 77 Bq/脈沖/min、0.008 71 Bq/脈沖/min及0.008 85 Bq/脈沖/min。

表1 標準儀器校準法測量記錄

3 RN-150氡氣固體源校準實驗

3.1 RN-150氡氣固體源

RN-150氡氣固體源中的氡氣是由放置于儲氣罐底部特制鉛盒內(nèi)的固體放射性鐳源(226Ra)釋放得到，在10～12個氡的半衰期(3.825 d)后達到放射性平衡狀態(tài)，氡氣總量保持不變[15]。使用小型氡氣固體源對測氡儀器進行標定時，首先采用標準體積的定值分配器量取儲氣罐中氡氣總量的0.1%，然后送入測氡儀器中進行測量。由于鐳源的活度、衰變速率和體積都是確定的，因此每次吸取的氡氣量也是已知的。圖3為小型氡氣固體源結構示意圖。

圖3 小型氡氣固體源結構示意圖Fig.3 Structure schematic diagram of small radon gas solid source

由于RN-150氡氣固體源使用年限較長，因此通常將損壞源的固體鐳源取出，放入屏蔽大容器內(nèi)進行內(nèi)部設計，形成RN-FD循環(huán)式氡氣固體源。該容器上方有2個出氣口閥門、2個進氣口閥門和1個雙氣路密封抽氣泵，還有電源插頭等配件，出氣口、進氣口分別與抽氣泵的進氣口、出氣口連接，再與測氡儀連接構成封閉的內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)[13]。循環(huán)式固體氡氣源的結構示意圖如圖4所示。

圖4 循環(huán)式氡氣固體源結構示意圖Fig.4 Structure schematic diagram of circulating radon gas solid source

與RN-150小型氡氣固體源相同，循環(huán)式固體氡氣源中的鐳源從發(fā)生衰變到平衡狀態(tài)，期間氡氣總量保持不變。但與RN-150小型氡氣固體源不同的是，循環(huán)式氡氣固體源沒有安裝定值分配器，整個容器內(nèi)的氡都會參與循環(huán)。

3.2 RN-150氡氣固體源定值

氡氣固體源校準采用的是聊城水化實驗站的RN-150小型氡氣固體源，為保證對比實驗所用儀器的溯源一致性，需要使用AlphaGUARD P2000F測氡儀對該固體源進行定值。由于交通運輸?shù)仍?，聊城地震臺的RN-150氡氣固體源已經(jīng)超過3 a沒有檢定，活度可能已經(jīng)發(fā)生變化，因此有必要對其重新定值。

RN-150小型氡氣固體源定值的具體方法參考中國地震局編制的地震及前兆數(shù)字觀測技術規(guī)范中RN-150小型氡氣固體源校準FD-125測氡儀的方法[23]，僅將FD-125測氡儀換成AlphaGUARD P2000F測氡儀。將RN-150小型氡氣固體源、AlphaGUARD P2000F測氡儀、壓力表及真空泵進行串聯(lián)(圖5)，通過對AlphaGUARD P2000F測氡儀抽真空變?yōu)樨搲旱姆绞?，將氡源里的氡氣吸入AlphaGUARD P2000F測氡儀中，讀取AlphaGUARD P2000F測氡儀的氡體積活度數(shù)值，再將該數(shù)值乘以AlphaGUARD P2000F測氡儀抽真空后的內(nèi)部體積，得到氡氣固體源的活度。RN-150小型氡氣固體源2次定值過程及結果記錄見表2。由表可見，2次定值操作后將每次得到的活度值求平均，得到RN-150小型氡氣固體源的活度為19.01 Bq。

圖5 RN-150小型氡氣固體源定值過程連接示意圖Fig.5 Connection schematic diagram of RN-150 small radon gas solid source calibration process

表2 RN-150小型氡氣固體源定值記錄

3.3 RN-150小型氡氣固體源校準

聊城水化實驗站的研究時段為2017-04-23～25，本文實驗開始時間為2017-05-10，考慮到時間間隔僅為半個月左右，且3個閃爍室還有每日觀測水樣的任務，因此本文不對3個閃爍室重新校準，而是直接利用聊城水化站3次校準得到的脈沖計數(shù)參與計算。

首先將閃爍室的脈沖計數(shù)減去本底后進行溫度和氣壓校正，得到校正后的脈沖值；然后利用RN-150氡氣固體源重新定值后的活度值除以校正后的脈沖計數(shù)，得到閃爍室的校準系數(shù)。每個閃爍室進行3次校準操作，3次校準系數(shù)相對均值偏差均小于5%。FD-125測氡儀3個閃爍室的3次校準過程及結果記錄見表3。由表可見，將3次校準系數(shù)分別求平均，得到1號、2號及3號閃爍室的校準系數(shù)K分別為0.008 75 Bq/脈沖/min、0.008 42 Bq/脈沖/min、0.008 61 Bq/脈沖/min。

表3 FD-125測氡儀校準記錄

4 標準儀器與RN-150氡氣固體源校準結果對比分析

將標準儀器校準得到的校準系數(shù)減去RN-150氡氣固體源校準得到的校準系數(shù)，再除以氡氣固體源校準系數(shù)，乘以100%，得到3個閃爍室(1號、2號及3號)的相對誤差分別為0.2%、3.4%和2.8%(表4)，相對誤差滿足目前地震監(jiān)測中氡觀測的技術要求[24]，說明標準儀器校準法基本可以代替目前使用的氡氣固體源校準方法，驗證了其可行性。

表4 標準儀器與RN-150氡氣固體源校準對比

5 結 語

本文利用目前應用最為廣泛的RN-150氡氣固體源與AlphaGUARD P2000F測氡儀，開展FD-125測氡儀3個閃爍室校準的對比實驗。結果表明，相比于氡氣固體源得到的K值，利用標準儀器校準得到的K值誤差分別為0.2%、3.4%和2.8%，相對誤差均滿足目前地震監(jiān)測中氡觀測的技術要求，驗證了標準儀器校準法的可行性。

標準儀器校準法與臺站廣泛應用的小型氡氣固體源(RN-150氡氣固體源)、RN-FD循環(huán)式氡氣固體源及氡室等校準方式的實驗對比結果均證明，標準儀器校準法可代替有源校準。但使用標準儀器校準法進行校準時還需注意以下幾個問題：

1)為保證測量的準確性，利用標準儀器(AlphaGUARD P2000F測氡儀)校準測氡儀前需要將標準儀器的量值溯源至標準氡室中。

2)根據(jù)之前的實驗結果，利用標準儀器對測氡儀進行校準時，需保證水中脫出的氡氣在整個氣路系統(tǒng)內(nèi)的濃度大于1 000 Bq/m3。

3)由于日常使用閃爍法測氡儀測量氡氣濃度時經(jīng)常會忽略氣壓對閃爍室探測效率的影響，因此為保證校準條件與測量條件的一致性，在利用標準儀器對閃爍法測氡儀進行校準時，閃爍室也無需進行氣壓校正。

需要說明的是，地震系統(tǒng)的閃爍法測氡儀包括水氡測量使用的FD-125測氡儀及氣氡測量使用的SD-3A和BG2015R測氡儀。雖然本文僅以FD-125測氡儀為代表來驗證標準儀器校準法的可行性，但該方法也同樣適用于SD-3A與BG2015R測氡儀。地震系統(tǒng)測氡儀除了包括大部分閃爍法測氡儀外，還包括少量電離法測氡儀。云南省地震局有關專家也曾對電離法測氡儀展開實驗研究，結果表明，標準儀器校準法可對電離法測氡儀進行有效校準[25]。后期可結合氡室校準法進一步驗證并確定校準條件。