新入網(wǎng)地震水氡觀測儀校準方式研究

黃仁桂 趙影 李雨澤 寧洪濤 周紅艷 毛華 肖健 肖孟仁 黃培

1（江西九江揚子塊體東部地球動力學野外科學觀測研究站 九江 332006）

2（江西省地震局 南昌 330039）

3（東華理工大學 南昌 330013）

氡是一種無色、無味、無臭且具有放射性的氣體元素［1］，在地殼運動時會被釋放出來［2］?；诘貧ぶ须钡尼尫盘匦?，氡觀測是我國地震觀測臺網(wǎng)中最重要的測項之一，應(yīng)用于地震監(jiān)測和預(yù)測［3］，在地震趨勢分析和短臨震情研判中發(fā)揮著重要作用［4］。近年來，在國內(nèi)外地震監(jiān)測與預(yù)測領(lǐng)域備受重視［5-8］，用于測量氡濃度的測氡儀在地震監(jiān)測預(yù)報中得到越來越廣泛的應(yīng)用［9-10］。測氡儀的觀測過程中，需要定期對儀器進行校準［4］。校準是保證觀測數(shù)據(jù)的可靠性與準確性的最重要、最關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，對利用氡進行地震監(jiān)測、預(yù)報的效果具有至關(guān)重要的作用［4，11-12］。長期以來，我國地震氡觀測臺網(wǎng)一直采用傳統(tǒng)的固體氡氣源校準。目前固體源出現(xiàn)不同程度的裝置故障［6，12］，大部分裝置已報廢停止使用。由于高體積活度氡氣固體源采購審批手續(xù)復(fù)雜，一旦購買后不但要長期接受放射性監(jiān)管，而且國家放射性物質(zhì)運輸管理制度嚴格，給氡源的定期質(zhì)檢也帶來極大困難［4，13-16］。

為了推進地震氡觀測技術(shù)的發(fā)展，中國地震局監(jiān)測預(yù)報司把氡室的開發(fā)應(yīng)用列為重點科技研究項目［11］，委托江西省地震局建立地震氡觀測儀檢測平臺（標準氡室）［16］，對行業(yè)內(nèi)在線觀測和新入網(wǎng)測氡儀進行年度校準和定型檢測。目前測氡儀校準方法有循環(huán)法、真空法和流氣法三種方式，由于氡觀測儀器檢測平臺建成不久，需要制定入網(wǎng)水氡觀測儀校準相適應(yīng)的操作規(guī)范，針對地震氡觀測的測氡儀校準采用一種更適合的校準方法［17］，同時，為更好發(fā)揮地震氡觀測儀檢測平臺效能，本文對將入地震氡觀測臺網(wǎng)的FD-125氡釷分析儀器進行校準方式研究，對三種校準方法進行實驗對比，研究結(jié)果對制定新入網(wǎng)地震水氡觀測儀定型檢測規(guī)范相關(guān)技術(shù)有實驗參考作用，也可以驗證地震氡觀測儀檢測平臺的量值能否可靠地傳遞給氡濃度測量儀。

1 校準方法及計算介紹

氡室是20世紀80年代發(fā)展起來的裝置，稱為“氡環(huán)境試驗裝置”，配合國際公認標準器AlphaGUARDPQ2000Pro測氡儀進行監(jiān)控，作為氡室理論參考氡濃度，按照JJG825—2013測氡儀國家計量檢定規(guī)程對儀器校準環(huán)境進行要求，氡室調(diào)控溫度（20±1） ℃、濕度調(diào)控（30±2）%，實驗室無影響正常工作的機械振動和電磁干擾［18］。氡室在溫濕度控制穩(wěn)定后，進行氡濃度控制，箱體內(nèi)達到目標濃度后平衡3 h以上進行校準實驗。氡室校準測氡儀以響應(yīng)系數(shù)（R）、相對固有誤差（不超過20%）和年偏離量（不超過20%）三個計量參數(shù)衡量校準結(jié)果是否符合規(guī)范要求。本次對新入網(wǎng)地震水氡觀測儀進行檢測，由于用FD-125氡釷分析儀器的閃爍室為首次校準，所以不做年偏離量計算，僅對閃爍室響應(yīng)系數(shù)（R）和相對固有誤差進行計算，為了適應(yīng)地震氡觀測臺網(wǎng)需求，測氡儀體積活度響應(yīng)在JJG825—2013測氡儀國家計量檢定規(guī)程三個參考氡氣體積活度基礎(chǔ)上增加三個高濃度進行校準測量，即分別穩(wěn)定在800 Bq·m-3、1 500 Bq·m-3、3 000 Bq·m-3、6 000 Bq·m-3、10 000 Bq·m-3和15 000 Bq·m-3，R值的相對固有誤差按式（1）計算［19］：

式中：Ei為第i個測量點測氡儀響應(yīng)系數(shù)的相對固有誤差；Ri為被檢測氡儀在第i個測量點的響應(yīng)系數(shù)為被檢測氡儀響應(yīng)系數(shù)均值。取各測量點中響應(yīng)系數(shù)相對固有誤差絕對值最大值作為被檢測氡儀的相對固有誤差。

在地震氡觀測中，儀器需要讀格值，使用同一套儀器，格值是一致的，即地震行業(yè)刻度閃爍室通常用校準系數(shù)K（R=K×格值），K<0.009（R<18.42）滿足規(guī)范要求，K值按式（2）計算［20］：

式中：V為閃爍室的體積，500 mL；N為閃爍室的脈沖計數(shù)，脈沖·min-1；Cstd為經(jīng)過氣壓、室溫后校準后的氡濃度，Bq·m-3。

被檢測氡儀的體積活度響應(yīng)取三個測量點的體積活度響應(yīng)下的K值求平均值［19］，按式（3）計算：

式中：V為閃爍室體積，500 mL。本文用體積活度響應(yīng)（R）代替校準系數(shù)（K）。

2 實驗方法及分析

地震氡觀測儀檢測平臺（標準氡室）主要包括溫濕度調(diào)控氡箱（4 m3）、固體氡發(fā)生器、輸補氡氣路裝置、降氡排放系統(tǒng)、氡室控制及管理系統(tǒng)和UPS電源，如圖1所示。采用流氣式固體氡發(fā)生器，在溫濕度調(diào)控氡箱內(nèi)提供持續(xù)穩(wěn)定的氡濃度環(huán)境。實際上，氡室內(nèi)氡氣衰變、泄漏等導(dǎo)致濃度降低，平臺控制系統(tǒng)通過間歇補充氡方式使氡室內(nèi)氡濃度在一定誤差（0.5%）范圍內(nèi)保持動態(tài)穩(wěn)定［21］。平臺控制系統(tǒng)通過常量補充氡氣方式，首次補充氡氣后，氡氣濃度穩(wěn)定控制期間，使用氡標準參考儀器測定或系統(tǒng)理論計算的氡濃度值與氡室氡濃度期望值比較，當氡濃度值小于或等于期望值減去其誤差下限時，系統(tǒng)自動開啟氡發(fā)生器進行間歇補充氡氣，保證標準氡室在校準實驗期間保持相對穩(wěn)定的氡濃度環(huán)境［22-23］。

圖1 地震氡觀測儀檢測平臺（標準氡室）結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of seismic radon observation platform (standard radon chamber)

FD-125型氡釷分析儀亦稱室內(nèi)射線分析儀，與定標器配合使用能測量放射元素鈾釷樣品的射氣，也能用于測定水樣品及坑道中微量氡射氣的濃度。閃爍室是兩個內(nèi)部涂ZnS（Ag）閃爍體的有機玻璃半球，圓盤上可同時安裝三個閃爍室，其中一個位于光電倍增管的上端，是被測閃爍室，其他兩個處于避光狀態(tài)，等待測量，借助手柄改變圓盤上閃爍室的位置，這樣可在不停機條件下，連續(xù)更換閃爍室樣品，直至測量完畢［22］。儀器選用新采購的中核（北京）核儀器廠氡釷分析儀FH463B/FD125（024/026），選用4個閃爍室（編號分別為1802#、1803#、1804#、1805#）用于實驗。實驗開始前，對FH463B定標器進行了工作高壓和閾值的確定，高壓為-580 V，閾值為0.8圈，對4個閃爍室進行了密封性能檢查和本底測量，保證實驗儀器設(shè)備工作正常、性能良好。氡室內(nèi)配備AlphaGUARDPQ2000Pro測氡儀，采用擴散法測量監(jiān)控，測值作為理論氡參考濃度。分別采用以下三種方法進行實驗：1）循環(huán)法校準是將已知的氡氣源和測氡儀通過橡皮管或者其他對氡吸附少的管子連接起來，形成循環(huán)密封系統(tǒng)，靜置1~3 h，使得整個容器達到氡濃度平衡、均勻，再測量計算其校準系數(shù)［21］；2）真空法是將要校準的測氡儀容器抽成真空，再將其同氡氣源連接，將已知濃度氡氣緩慢吸入容器來測量，靜置1~3 h，使得整個容器達到氡濃度平衡、均勻，再測量計算其校準系數(shù)［21］；3）流氣法是將已知的氡氣源和測氡儀連接起來，氡氣定速進入容器進行實時測量，再計算其校準系數(shù)［21］。

2.1 校準實驗

體積活度響應(yīng)是測氡儀定期校準參數(shù)，實驗在地震氡觀測儀檢測平臺（標準氡室）內(nèi)6個相對穩(wěn)定參考氡氣體積活度從低到高依次進行實驗。標準氡室到達目標濃度并穩(wěn)定3 h后，取氡氣進入閃爍室，根據(jù)地震地下流體觀測方法中要求封閉靜置1 h。本實驗也采用選擇取氣封閉靜置1 h，然后測量［20］，單次計數(shù)時間為10 min，連續(xù)測量三次取平均值。每次實驗前對閃爍室進行本底測量，每次測量時間10 min，連續(xù)測量三次，計數(shù)取平均值。

循環(huán)法是將閃爍室、氣泵（1.3 L·min-1）、氡箱取氣孔用氣管連接，形成循環(huán)密封系統(tǒng)，打開開關(guān)K1、K2，啟動氣泵進行氣體循環(huán)，記錄氣泵開啟時間，循環(huán)10 min后關(guān)閉氣泵，封閉閃爍室并記錄時間，循環(huán)采樣見圖2（a）。

圖2 氡室校準FD125閃爍室 (a) 串聯(lián)循環(huán)采樣，(b) 真空取氣，(c) 流氣法取氣Fig.2 Calibration of FD125 scintillation chamber with standard radon chamber(a) Series cycle sampling, (b) Vacuum negative pressure gas extraction, (c) Flow gas extraction

真空法是將閃爍室、真空表和真空泵連接，先打開K1，啟動真空泵對閃爍室抽真空（3~5 min），觀察真空表基本達到-0.1 MPa，關(guān)閉K1，緩慢打開K2，保持真空表指針勻速恢復(fù)10 min到常壓，封閉閃爍室并記錄時間，真空采樣示意圖見圖2（b）。

流氣法是將各個閃爍室、氣泵（0.5 L·min-1）、氡箱取氣孔用氣管獨立連接，形成流氣，從開始啟動氡室就連接上，一直連接，測量時把閃爍室放在定標器上測量，依次在氡室內(nèi)6個參考氡氣體積活度穩(wěn)定3 h后下進行連續(xù)測量，連續(xù)單次計數(shù)時間為10 min，連續(xù)測量3次取平均值，流氣法采樣如圖2（c）所示。

2.2 結(jié)果分析

1）循環(huán)法各測量點閃爍室的響應(yīng)系數(shù)R如表1所示，4個閃爍室在6個濃度下校準的R值小，采樣效率高，均滿足要求，相對標準偏差小于20%，校準測試結(jié)果均滿足規(guī)程要求。各閃爍室各次校準相對誤差看，循環(huán)法校準的響應(yīng)R值比較小，即探測效率比較高。在理論氡參考濃度8 800 Bq·m-3左右時響應(yīng)R值較小，相對于其他濃度下的響應(yīng)R值相對誤差較大，查看實驗日志，該濃度下進行循環(huán)時間超過10 min，為12 min左右，循環(huán)時間越久閃爍室氡覆蓋越充分，即閃爍室探測效率越高。

2）真空法各測量點閃爍室的響應(yīng)系數(shù)R如表2所示，1802#、1805#閃爍室相應(yīng)R值和相對誤差滿足要求，1803#、1804#閃爍室都存在R值超過，各閃爍室各次校準系數(shù)R較大，超出地震行業(yè)R值小于18.42的要求［20］，可能的原因是負壓取樣時，管道中存在少了的空氣，標準氡氣被稀釋，造成探測效率比較低。

3）流氣法各測量點閃爍室的響應(yīng)系數(shù)R如表3所示，1803#閃爍室相應(yīng)R值接近18.42，其他閃爍室都存在R值和相對誤差滿足要求?？赡苁歉鱾€閃爍室獨立與氡室連接，其各自本底可能存在差異，造成各個R值出現(xiàn)偏差較大。在理論氡參考濃度5 500 Bq·m-3左右時響應(yīng)R值較大，相對其他濃度下的響應(yīng)R值相對誤差較大，而在理論氡參考濃度13 000 Bq·m-3左右時響應(yīng)R值較小，相對誤差也較大，經(jīng)查實驗日志，無其他影響因素。根據(jù)表3發(fā)現(xiàn)，響應(yīng)R值變化規(guī)律，從低濃度到高濃度，各閃爍室響應(yīng)R值總體趨勢先增大后減小，理論氡參考濃度5 500 Bq·m-3左右時處于中間測點，閃爍室內(nèi)的氡及其子體達到“動態(tài)穩(wěn)定”需要時間更久，即響應(yīng)R值相對于其他測點誤差較大。而在高濃度13 000 Bq·m-3左右時，濃度達到最高，同時一直連接氡室，補氡時間也最長，探測效率達到最高，即相對于其他濃度下R值誤差也較大。

表3 流氣法各測量點閃爍室的響應(yīng)系數(shù)RTable 3 Response coefficient R of scintillation chamber at each measuring point of flow-gas method

3 不確定度分析

在地震氡觀測儀檢測平臺（標準氡室）提供穩(wěn)定溫度、濕度和氡濃度環(huán)境條件下，依據(jù)JJG825—2013《測氡儀檢定規(guī)程》開展測量，分析得到數(shù)學模型及不確定度來源。

3.1 數(shù)學模型

式中：R為被檢測氡儀校準因子；Rs為標準氡體積活度測量儀校準因子為被檢測氡儀讀數(shù)平均值，Bq·m-3為標準氡體積活度測量儀讀數(shù)平均值，Bq·m-3；δ(W)為檢定裝置的年穩(wěn)定性。

3.2 不確定度來源

標準氡室氡體積活度值的不確定度u1；測氡儀測量響應(yīng)重復(fù)性u2；標準氡室的年穩(wěn)定性u3。

1）標準氡室氡體積活度值的不確定度來源于標準氡體積活度測量儀校準因子的不確定度和標準氡室內(nèi)氡體積活度的測量重復(fù)性。

a）標準氡體積活度測量儀校準因子的不確定度引入的標準不確定度，由檢定證書給出：

b）標準氡室內(nèi)氡體積活度的測量重復(fù)性引入的標準不確定度，采用A類評定獲得，在相同條件下，用標準器對氡室給定氡濃度進行測量，連續(xù)測量10次。標準氡體積活度測量儀讀數(shù)平均值的相對實驗標準差按式（6）求得：

則標準氡室氡體積活度值的不確定度引入的標準不確定度u1為：

2）被檢測氡儀測量不同濃度下校準結(jié)果響應(yīng)重復(fù)性引入的標準不確定度采用A類評定獲得，根據(jù)相對標準偏差計算u2。

3）標準氡室的年穩(wěn)定性引入的標準不確定度采用B類評定獲得，標準氡室的年穩(wěn)定性小于2%，滿足均勻分布，則區(qū)間半寬度a=2%，計算得u3：

不確定度來源相互獨立，測氡儀校準因子測量結(jié)果的合成標準不確定度可按下式合成：

測氡儀校準因子測量結(jié)果的相對擴展不確定度Urel=kuc，計算得到三種校準方法標準不確定度分量如表4所示。

表4 三種校準方法不確定度評定(%)Table 4 Evaluation of uncertainty of three calibration methods (%)

4 結(jié)論與討論

FD125氡釷分析儀采用三種校準方法校準結(jié)果活度響應(yīng)R對比如圖3所示，可以看出，應(yīng)用氡室校準相同的閃爍室，采用循環(huán)法校準要比真空法和流氣法校準得到的響應(yīng)系數(shù)R要小，且相對固有誤差能滿足規(guī)范要求；采用真空法靜置1 h校準和流氣法，體積響應(yīng)系數(shù)R已接近不合格。循環(huán)法校準比流氣法校準相對穩(wěn)定，且R值一致性更好。

圖3 FD-125測氡儀三種校準方法的結(jié)果對比Fig.3 Results comparison of three calibration methods for FD-125 radon meter

經(jīng)分析得到：真空法校準相對于循環(huán)法校準得到的R值偏大，主要是真空法采樣效率偏低，存在影響因素包括：1）管路氣體對標準氡氣的稀釋，真空法校準氣路流向閃爍為單向，氣路的空氣與氡氣混合后稀釋，降低了與標準氡氣氡濃度；2）存在氣壓平衡影響，標準氡室內(nèi)氣壓為常壓，閃爍室為負壓，10 min內(nèi)很難達到完全平衡。流氣法校準相對于循環(huán)法校準得到的R值偏大，且相對偏差較大，主要原因有：1）流氣法校準不斷地向閃爍室內(nèi)充入新的氡氣，閃爍室內(nèi)的氡及其子體達到“動態(tài)穩(wěn)定”；2）由于各閃爍室校準濃度依次從低到高，校準期間未排本底，可能有本底升高造成相對偏差加大。

針對新地震氡觀測臺網(wǎng)水氡觀測儀開展不同采樣方式校準實驗和不確定度評定分析，得出以下結(jié)論：

1）根據(jù)地震水氡觀測要求，使用閃爍測氡儀進行測量水中氡濃度時，采樣方式應(yīng)選擇對應(yīng)氡活度響應(yīng)系數(shù)R，可以有效減少氡測量誤差，在地震氡觀測中采樣方式可能影響觀測結(jié)果，應(yīng)在后續(xù)制定規(guī)范中進行進一步規(guī)定。

2）通過循環(huán)法、真空法和流氣法三種校準方法對比，采用循環(huán)法（循環(huán)時間大于10 min）靜置1 h校準，采樣效率最高；真空法效率最低，流氣法由于“動態(tài)穩(wěn)定”造成偏差較大。目前地震氡觀測臺網(wǎng)氡釷分析儀FH463B/FD125測氡儀校準選擇循環(huán)法（循環(huán)時間大于10 min）效果最佳。

3）根據(jù)地震氡觀測儀檢測平臺（氡室）給定溫度、濕度和氡濃度環(huán)境條件下展開測量，建立測氡儀校準因子測量數(shù)學模型。分析校準結(jié)果的不確定度來源及合成標準不確定度，得到循環(huán)法、真空法和流氣法相對擴展不確定度12.6%、12.8%和13.0%，符合JJG825—2013《測氡儀檢定規(guī)程》要求，因此地震氡觀測儀檢測平臺的量值能夠可靠地傳遞給氡濃度測量儀。

作者貢獻說明黃仁桂負責研究的提出及設(shè)計、數(shù)據(jù)的收集和整理、文章的起草和最終版本的修訂；趙影負責循環(huán)法校準實驗，并對進行實驗數(shù)據(jù)的收集；李雨澤負責真空法校準實驗，并對進行實驗數(shù)據(jù)的收集；寧洪濤負責流氣法校準實驗，并對進行實驗數(shù)據(jù)的收集；周紅艷負責三種校準方法實驗數(shù)據(jù)處理和分析；毛華負責實驗結(jié)果不確定的計算和分析；肖健負責課題項目的監(jiān)督和管理；肖孟仁負責最終版本的修訂；黃培負責研究結(jié)果繪圖及英文翻譯。