摘要：新疆地震局地球物理觀測(cè)中心流體實(shí)驗(yàn)室目前測(cè)氡采用的儀器為FD-125，購(gòu)置時(shí)間為1979年，由于長(zhǎng)時(shí)間使用致該儀器老化嚴(yán)重，且沒(méi)有備用儀器，無(wú)廠家生產(chǎn)更換。如果儀器出現(xiàn)故障未及時(shí)修理，缺少備用觀測(cè)儀器，將會(huì)造成數(shù)據(jù)斷測(cè)，影響觀測(cè)數(shù)據(jù)的整體科學(xué)質(zhì)量。因此，本文中以新疆水磨溝15泉水樣為測(cè)量對(duì)象，引入DDL-2測(cè)氡儀在相同環(huán)境條件下與FD-125測(cè)氡儀進(jìn)行檢測(cè)并開(kāi)展對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。研究表明：DDL-2測(cè)氡儀性能穩(wěn)定，測(cè)值波動(dòng)區(qū)間小，能滿(mǎn)足前兆觀測(cè)規(guī)范要求，能夠正確反映地下水中氡含量的變化，研究認(rèn)為DDL-2測(cè)氡儀有潛力代替FD-125測(cè)氡儀作為水氡日常測(cè)量?jī)x器。

關(guān)鍵詞： 測(cè)氡儀； 前兆觀測(cè)； 水磨溝； 15泉

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2024.03.007

地下流體觀測(cè)作為中國(guó)地震監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)的主要觀測(cè)項(xiàng)目，已在地震系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用并取得較多成果［1-3］。氡元素由于化學(xué)性質(zhì)不活潑，不易形成化合物，在地震預(yù)報(bào)中以水氡的形式被觀測(cè)是當(dāng)下地震預(yù)報(bào)的主要內(nèi)容之一［4-6］。在對(duì)水氡長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的觀測(cè)中，很多地震發(fā)生前都出現(xiàn)了明顯的前兆異常［7-9］。目前國(guó)內(nèi)水氡觀測(cè)儀大多使用FD-125測(cè)氡儀。FD-125測(cè)氡儀作為水氡觀測(cè)的主流儀器，在地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)發(fā)揮了不可替代的作用［10-11］。FD-125測(cè)氡儀采取負(fù)壓采樣，手動(dòng)鼓泡，鼓泡時(shí)間控制在10～11 min；通過(guò)BHC-336定標(biāo)器記錄脈沖數(shù)，從而計(jì)算氡含量。DDL-2測(cè)氡儀由鄭州晶微電子科技有限公司生產(chǎn)，采用電離法連續(xù)自動(dòng)觀測(cè)氡濃度。主要元器件采用進(jìn)口芯片，整機(jī)實(shí)現(xiàn)了模塊化、小型化，數(shù)字化輸出，實(shí)時(shí)化顯示，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)長(zhǎng)達(dá)1年，具有本底污染小、性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)等特點(diǎn)。其鼓泡采用常壓法，使用JWTQ-1自動(dòng)循環(huán)鼓泡儀器，該儀器在測(cè)樣過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)鼓泡脫氣，自動(dòng)測(cè)試，自動(dòng)排氣清洗傳感器，有效解決了人為操作造成的實(shí)驗(yàn)誤差。本文中通過(guò)DDL-2測(cè)氡儀與FD-125測(cè)氡儀開(kāi)展對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，以新疆水磨溝15泉為例，分析DDL-2水氡儀操作的便捷性、觀測(cè)效率和穩(wěn)定性。

1 觀測(cè)點(diǎn)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)介

水磨溝15泉于1979年開(kāi)始觀測(cè)水氡，地理位置如圖1所示。大地構(gòu)造位置位于天山山系北天山西段與東段的結(jié)合部，東、南、西三面環(huán)山，地勢(shì)東南高、西北低，北為準(zhǔn)噶爾盆地南緣［12-15］。具體位置處于水磨溝背斜軸部，巖石破碎，裂隙發(fā)育，泉水沿二疊系砂巖及薄層灰?guī)r中滲出，地下水屬基巖裂隙潛水型，水溫常年在10 ℃左右，海拔高度831 m。水磨溝15泉富含Sr、B、F等徽量元素以及N2、CO2、O2等，水化學(xué)屬HCO-3-Cl--Ca2+-Na+型。

2 實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)介

2.1 DDL-2測(cè)氡儀工作原理

DDL-2測(cè)氡儀是人工觀測(cè)的測(cè)氡儀器，可適用于自流泉中溶解氣氡觀測(cè)。利用電離法對(duì)水中溶解氣氡含量進(jìn)行檢測(cè)，該儀器內(nèi)部由檢測(cè)氡氣的傳感器和主機(jī)組成，結(jié)合我國(guó)地震臺(tái)站觀測(cè)現(xiàn)狀，對(duì)電離室進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，可在進(jìn)樣后自動(dòng)輸出測(cè)定值。其原理是利用氡氣具有放射性作用可以將周?chē)慕橘|(zhì)電離的特性，當(dāng)氡氣鼓入電離室后，氡衰變產(chǎn)生α粒子和Rn-A氣體，使電離電流得以積累。而Rn-A也是α輻射體，半衰期短（僅有3.05 min），所以在前十幾分鐘內(nèi)電離電流急劇增加，而后有所減緩，這是由于Rn-A衰變產(chǎn)生的Ra-B和Ra-C半衰期都較長(zhǎng)（分別為26.8 min和17.9 min），而Rn-C又是α輻射體積累不快所致，約經(jīng)30 min Rn-A與氡達(dá)到衰變平均，這里電離電流主要由Rn-C決定，緩慢增加。到3 h后， Rn-A的衰變速度與Ra-C的增長(zhǎng)速度相當(dāng)，電離電流值趨于最大值，而后便按氡的半衰期衰減。氡氣通過(guò)鼓泡從進(jìn)氣口不斷進(jìn)入電離室中，在一定正電場(chǎng)的作用下將這些雜散離子形成向圓心流動(dòng)的電離離子流，這些定向流動(dòng)的離子流將在電離室中心的接收極上進(jìn)行累積。在接收極上累積的離子數(shù)與電離室中氡氣含量成正比關(guān)系，含量越高，其接收極上的累積離子流越多。最終通過(guò)接收極上積累的離子數(shù)反應(yīng)氡氣含量。儀器氡含量計(jì)算公式：

Rn=N×KVDDL-2 ·（1）

式中：Ｒn 為氡測(cè)量值，單位為Bq/L；N為DDL-2測(cè)氡儀的水樣讀數(shù)，單位為Bq/mV；K為DDL-2測(cè)氡儀標(biāo)定K值，單位為Bq/mV；VDDL-2為電離室體積，單位為L(zhǎng)［16］。

2.2 FD-125測(cè)氡儀工作原理

FD-125氡釷分析儀作為地震地下流體監(jiān)測(cè)主要儀器之一，其工作原理是流體中的氡經(jīng)過(guò)鼓泡后吸附在閃爍室內(nèi)壁，氡原子在閃爍室中發(fā)生衰變［17］。閃爍室由2個(gè)內(nèi)側(cè)涂有 ZnS（Ag） 粉末的鋁制半球組成，當(dāng)存儲(chǔ)在閃爍室中的氣體樣品含有氡氣時(shí)，氡氣衰變產(chǎn)生的 α 粒子會(huì)轟擊 ZnS（Ag） 粉末產(chǎn)生光子，生成的光子立刻被閃爍室下方的探測(cè)器（探測(cè)器內(nèi)含光電倍增管和前置信號(hào)放大器）收集、放大、轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最終輸出到定標(biāo)器產(chǎn)生計(jì)數(shù)［18］。儀器氡含量計(jì)算公式：

Rn=（N-N0）×Ke-λt·L ·（2）

式中：Rn為氡測(cè)量值，單位為Bq/L；N為鼓泡后FD-125測(cè)氡儀定標(biāo)器讀數(shù)，單位為脈沖/min；N0為鼓泡前FD-125測(cè)氡儀定標(biāo)器讀數(shù)，單位為脈沖/min；K為FD-125測(cè)氡儀標(biāo)定K值，單位為Bq·CMP-1；e-λt為衰變函數(shù)值；L為所取水樣體積。

3 測(cè)氡儀結(jié)構(gòu)

3.1 DDL-2測(cè)氡儀結(jié)構(gòu)

DDL-2測(cè)氡儀內(nèi)部主要由傳感器、電源模塊和數(shù)字處理模塊3部分組成。傳感器主要有電離室、前置放大器、主放大器、濾波電路組成。電源模塊由交直流切換模塊，高壓模塊，供電模塊等組成。數(shù)字處理模塊由數(shù)據(jù)采集模塊、ARM數(shù)字處理傳輸模塊組成。主要技術(shù)指標(biāo)：K值相對(duì)誤差≤±5%，探測(cè)下限≤0.1 Bq/L，固有本底≤0.2 Bq/L，運(yùn)行環(huán)境溫度0～40 ℃，環(huán)境相對(duì)濕度＜80%。其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 FD-125測(cè)氡儀結(jié)構(gòu)

FD-125測(cè)氡儀主要由閃爍室、定標(biāo)器、圓盤(pán)、光電倍增管及前放組成（圖3）。閃爍室采用RN-FD循環(huán)式氡源進(jìn)行檢查和標(biāo)定，濃度為79.9 Bq/L。定標(biāo)器檢查采用α檢查源，標(biāo)準(zhǔn)值為10.86×104±3%（脈沖/min）。

4 觀測(cè)方法和觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

4.1 實(shí)驗(yàn)操作對(duì)比分析

兩款水氡觀測(cè)儀在校準(zhǔn)后，以水磨溝15泉水樣為測(cè)量對(duì)象，在相同的測(cè)試環(huán)境下測(cè)量水氡含量，比較分析操作實(shí)用性和測(cè)量數(shù)據(jù)一致性。兩款儀器操作對(duì)比如表1所示。

水氡日常實(shí)驗(yàn)操作主要有取樣、測(cè)本底、鼓泡、計(jì)數(shù)、計(jì)算等。在本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中，兩款儀器采取同時(shí)段采樣，同時(shí)段測(cè)量。DDL-2水氡儀測(cè)量步驟為打開(kāi)儀器測(cè)量主副樣本底，將水樣移至測(cè)量玻璃管內(nèi)，等主副樣本底測(cè)完之后，點(diǎn)擊儀器主樣副樣開(kāi)始測(cè)量，實(shí)驗(yàn)測(cè)試完成后移出水樣。FD-125儀器測(cè)樣采取負(fù)壓取樣，鼓泡時(shí)間人為控制在10～11 min。相比于傳統(tǒng)FD-125測(cè)氡儀，DDL-2測(cè)氡儀在測(cè)量過(guò)程中實(shí)現(xiàn)測(cè)本底、鼓泡、計(jì)數(shù)、計(jì)算等自動(dòng)化，操作過(guò)程更為便捷。

4.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

兩套儀器對(duì)比實(shí)驗(yàn)選在新疆地震局地球物理觀測(cè)中心地下流體實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。操作過(guò)程嚴(yán)格按照定時(shí)、定量、定點(diǎn)、同時(shí)進(jìn)行。測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

（1） DDL-2水氡儀穩(wěn)定性：44組數(shù)據(jù)主副樣測(cè)試相對(duì)誤差絕對(duì)值在0.4～5.9%之間，相對(duì)誤差絕對(duì)值平均值為2.0%（圖4）。前兆觀測(cè)規(guī)范要求水氡含量在50 Bq/L以上時(shí)［19］，其主副樣測(cè)量相對(duì)誤差在±10%以?xún)?nèi)，所測(cè)數(shù)據(jù)有效。實(shí)驗(yàn)表明DDL-2水氡儀能夠反映地下水中氡含量的真實(shí)變化、捕捉到地下水中氡含量變化的異常信息，能滿(mǎn)足前兆觀測(cè)規(guī)范要求。

（2） DDL-2水氡儀主樣與FD-125測(cè)樣對(duì)比：FD-125所測(cè)水氡含量在50.4～57.6 Bq/L之間。DDL-2水氡儀主樣所測(cè)水氡含量在47.2～55.1 Bq/L之間（圖5）。按照地下流體學(xué)科組的要求，每年3月底、6月底、9月底、12月底對(duì)FD-125測(cè)氡儀BHC-336定標(biāo)器進(jìn)行檢查；每年3月底對(duì)FD-125測(cè)氡儀閃爍室進(jìn)行標(biāo)定，9月初進(jìn)行檢查。經(jīng)儀器檢查與閃爍室標(biāo)定檢查，F(xiàn)D-125測(cè)氡儀各項(xiàng)性能正常。因此計(jì)算兩套儀器測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差時(shí)，以FD-125測(cè)氡儀為準(zhǔn)。DDL-2水氡儀主樣與FD-125測(cè)樣結(jié)果相對(duì)誤差絕對(duì)值在0.8%～13.5%之間，其中有7組數(shù)據(jù)的相對(duì)誤差絕對(duì)值大于10%，還需要后續(xù)實(shí)驗(yàn)不斷驗(yàn)證（表2）。但是鑒于兩套儀器測(cè)量數(shù)值相對(duì)誤差絕對(duì)值大多數(shù)小于10%，研究認(rèn)為DDL-2測(cè)氡儀有潛力代替FD-125測(cè)氡儀作為水氡日常測(cè)量?jī)x器。

（3） FD-125測(cè)氡儀測(cè)值大多數(shù)高于DDL-2測(cè)氡儀測(cè)值（圖5），由于FD-125測(cè)氡儀在取樣和測(cè)量過(guò)程中采取負(fù)壓法，而DDL-2測(cè)氡儀在采樣和取樣的過(guò)程中采取常壓法，常壓法采樣會(huì)導(dǎo)致所采樣品中的氡有少量的流失，從而表現(xiàn)出FD-125測(cè)氡儀測(cè)值高于DDL-2測(cè)氡儀測(cè)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)DDL-2測(cè)氡儀和FD-125測(cè)氡儀對(duì)新疆水磨溝15泉水氡的同步對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1） 在觀測(cè)數(shù)據(jù)方面，F(xiàn)D-125測(cè)氡儀數(shù)值大多數(shù)高于DDL-2測(cè)氡儀所測(cè)數(shù)值。本文中認(rèn)為DDL-2測(cè)氡儀采取常壓采樣測(cè)量，在采集水樣過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致所采樣品中的氡有少量的流失。因此，在相同環(huán)境條件測(cè)量下，采用真空負(fù)壓法采集水樣的FD-125測(cè)氡儀測(cè)值高于DDL-2 測(cè)氡儀測(cè)值。

（2） 在儀器操作方面，DDL-2測(cè)氡儀較FD-125測(cè)氡儀更先進(jìn)。JWTQ-1作為DDL-2測(cè)氡儀的鼓泡儀器，在氡測(cè)量過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)鼓泡脫氣，自動(dòng)測(cè)試，之后自動(dòng)排氣清洗傳感器，有效解決了人為實(shí)驗(yàn)誤差。DDL-2測(cè)氡儀有效解決了閃爍法測(cè)氡儀閃爍室容易污染的問(wèn)題，其傳感器受污染的程度遠(yuǎn)小于閃爍法。同時(shí)DDL-2測(cè)氡儀對(duì)電離室進(jìn)行了改進(jìn)，采用雙電離室工作模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)主、副樣自動(dòng)觀測(cè)。

（3） 在性能方面，DDL-2測(cè)氡儀能滿(mǎn)足前兆觀測(cè)規(guī)范要求，電離法對(duì)水中溶解氣的氡氣含量進(jìn)行檢測(cè)，能夠正確反映地下水中氡含量的變化。由于在測(cè)量過(guò)程中，有少部分?jǐn)?shù)據(jù)與FD-125 測(cè)量數(shù)值的相對(duì)誤差絕對(duì)值大于10%，還需要后續(xù)實(shí)驗(yàn)不斷驗(yàn)證。本研究初步認(rèn)為DDL-2水氡儀有潛力代替FD-125測(cè)氡儀作為水氡日常觀測(cè)儀器。

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COMPARATIVE OBSERVATION OF DDL-2 AND

FD-125 RADON METERS：

A CASE STUDY OF SHUIMOGOU 15 SPRING IN XINJIANG

JIA Yong-Bin， HUANG Jian-ming， WANG Cheng-guo， LI Xin-yong， LI Si-yan， WANG Bin

（Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011，Xinjiang，China）

Abstract： The instrument used to measure radon in the underground fluid chamber of the Geophysical Observation Center of Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region is FD-125， which was purchased in 1979. Due to the serious aging of the instrument for a long time， there is no spare instrument and no manufacturer to replace it. If the instrument fails to be repaired in time and there is a lack of spare observation instruments， it will cause data disconnection and affect the overall scientific quality of observation data. Therefore， in this paper， the water sample of Shuimogou 15 spring in Xinjiang is taken as the measurement object， and the DDL-2 radon detector is introduced to detect and compare with the FD-125 radon detector under the same environmental conditions. The results show that the DDL-2 radon monitor has stable performance and small fluctuation range of measured values， which can meet the requirements of precursory observation specifications and correctly reflect the change of radon content in groundwater. It is considered that the DDL-2 radon monitor has the potential to replace the FD-125 radon monitor as the daily measurement instrument of water radon.

Key words： Radon meter; Precursor observation; Shuimogou; 15 Spring