KJD-2000R測氡儀 (α譜儀)觀測結果分析*

李朝明，楊志堅，朱培耀，金明培，褚金學

(1.中國地震局滇西地震預報實驗場辦公室，云南大理671000;2.云南省地震局，云南昆明650224;3.云南省地震局彌渡地震臺，云南彌渡675600)

KJD-2000R測氡儀 (α譜儀)觀測結果分析*

李朝明1，楊志堅1，朱培耀2，金明培1，褚金學3

(1.中國地震局滇西地震預報實驗場辦公室，云南大理671000;2.云南省地震局，云南昆明650224;3.云南省地震局彌渡地震臺，云南彌渡675600)

通過分析KJD-2000R測氡儀 (α譜儀)記錄的下關溫泉水中氡含量的4組α粒子能量脈沖數、氡含量以及影響觀測結果因素，結合傳統水氡觀測儀器FD-125型室內氡釷分析器平行對比觀測結果，認為:KJD-2000R測氡儀觀測對象明確，而且自動鼓泡和讀數，完全避免了人工鼓泡和讀數引起的誤差，對提高氡及其子體變化規律的認識，提高水氡觀測資料質量及映震能力，充分捕獲水氡前兆異常信息都具有一定實際意義，也為地震觀測及臺站水氡觀測儀器選型提供參考。

水氡儀;α粒子;觀測結果;下關溫泉

0 引言

氡是天然放射性元素，是鈾 (238U)系、錒(235Ac)系與釷 (232Th)系中鐳的衰變產物 (張昱等，2010)。氡氣具有很多獨特的物理化學性質，表現出較強的映震效能 (崔勇等，2008)。由鈾系衰變產生的222Rn的半衰期為3.825 d，由錒系衰變產生的219Rn的半衰期為3.92 s，由釷系衰變產生的220Rn的半衰期為54.4 s，它們都是氡的同位素 (中國地震局監測預報司，2007;曹玲玲等，2005)。

氡作為放射性氣體元素，是地球深層信息的指示劑，它能從地下深部運移到地表，可帶來反映地下介質狀態的信息 (劉菁華等，2007)。水氡觀測的目的是為了能及時、準確的在地質構造發生變化時，通過氡的變化來反映其自然變化的動態 (劉學領等，2008)。

水中氡氣的觀測普遍采用電離靜電計法和閃爍脈沖計數法 (張煒等，1988)。前者使用 FD-105K型靜電計，后者使用FD-125型室內氡釷分析器。目前，地震系統普遍使用FD-105K型靜電計和FD-125型室內氡釷分析器觀測水中氡含量，KJD-2000R測氡儀采用金硅面壘型半導體α粒子探測器，3種儀器都是對氡及其子體的α粒子 (射線)進行觀測，FD-105K型靜電計和FD-125型室內氡釷分析器觀測對象為222Rn衰變過程中產生的α粒子;KJD-2000R測氡儀觀測對象為222Rn衰變子體218Po、214Po和220Rn衰變子體216Po、212Po衰變釋放的4組α粒子，觀測對象更加明確。對水中氡含量觀測，提高對氡及其子體變化規律的認識，提高水氡觀測資料質量及映震能力，充分捕獲水氡前兆異常信息都具有一定實際意義，也可為地震觀測及臺站水氡觀測儀器選型提供參考。

1 KJD-2000R測氡儀工作原理

KJD-2000R測氡儀 (α譜儀)是一種新型的連續測氡儀器，它利用靜電收集氡衰變子體進行累積測量，采用金硅面壘型半導體α粒子探測器，直接把α粒子轉換成電信號，通過采用α能譜檢測每個α粒子的能量鑒別出各個核素，主要包括218Po、214Po、216Po、212Po釋放的α粒子，通過這4個能量的脈沖計數率顯示射氣 (或噪聲)大小。該技術即為α能譜測定法，可用于室內、土壤、水溶液中測氡，以及地質構造變化時的放射性氣體異常監測等。

KJD-2000R測氡儀檢測對象為222Rn和220Rn，實時監測并顯示222Rn和220Rn的譜線，可以儲存1 000個氡濃度測量譜數據，測量范圍在4～400 000 Bq/m3間，靈敏度為 2.5(脈沖/min)/(Bq/m3)，本底小于10脈沖/min，氣泵流量1 L/min，正常情況年漂移小于2%。

2 觀測條件與試驗

2.1 下關溫泉概況

下關溫泉位于紅河斷裂以西的次一級張性構造——西洱河斷裂上，區內斷裂發育，主要分布有熱力變質和動力變質疊加而形成的區域變質巖，沿斷裂帶有巖漿侵入，歷史上構造運動劇烈，新構造運動也十分強烈。西洱河斷裂南盤巨厚的碎屑巖起隔水作用，地下水沿構造帶上涌，形成溫泉。水質成分分析結果表明，可溶性SiO2含量高達4.5 mg/L，F為2.80 mg/L，B達1%以上，Li高達0.08%以上，這反映了該溫泉水的深循環特征 (張煒等，1988)。

下關溫泉水氡于1970年4月開始觀測，觀測人員固定，熟悉水氡觀測技術，1996年至今一直使用FD-125型室內氡釷分析器，該儀器性能穩定，并且工作人員按時對儀器進行檢查、標定，充分保證了水氡觀測工作的順利進行。

2.2 觀測條件

KJD-2000R測氡儀和FD-125型室內氡釷分析器在同一間觀測室進行同步對比觀測，觀測室條件嚴格按照地震水文地球化學觀測技術規范要求(國家地震局，1985)，室溫控制在20℃ ～30℃，濕度≤80%，鼓泡水溫與觀測室溫相差≤±5℃，并有空調控溫;取樣方式都采用擴散瓶負壓，取樣間隔不超過3 min;觀測時間間隔不超過5 min。

2.3 試驗

由于KJD-2000R測氡儀是新型氡觀測儀器，測量水氡時把水樣和儀器氣路連接成氣體循環回路，水樣鼓泡脫氣和測數同時自動進行，測數時間20 min，觀測一段時間后，測值低且不穩定。由于目前地震系統內還沒有人使用，無法得知測數多長時間得到的水氡氡含量測值較為合理。為此，我們對水樣在不同測量時間下的水氡測值和可能影響KJD-2000R測氡儀觀測結果的干燥管進行了試驗。

2.3.1 水樣測量時間的選取

如圖1所示，通過4次試驗分析認為，雖然每天水樣的氡含量衰變形態有差異，但也出現了基本相同的衰變特征，最初的15 min左右氡含量增加速度較快，逐漸接近一個穩定的水平，30 min左右水樣氡含量最高，90 min左右氡含量出現明顯緩慢下降趨勢。從2011年3月1日起測數時間由原來的20 min改為30 min。

圖1 不同測量時間的水氡測值曲線Fig.1 Water radon concentration curve of different sampling time

2.3.2 使用不同容積干燥管的水氡測值比較

KJD-2000R測氡儀干燥管容積為0.226 L，水氡常規觀測使用的干燥管容積為0.011 L，測試前用相同的硅膠分別裝滿兩種不同的干燥管。為了不影響常規對比觀測，每天固定對比觀測仍使用KJD-2000R測氡儀配有的干燥管，等本底降下來后使用水氡常規觀測使用的干燥管作為試驗比較(表1)。

從氡的衰變理論得出，水氡觀測中，觀測時間晚比觀測時間早的氡含量測值會有不同程度的減小。表1中使用0.011 L干燥管的觀測時間要比使用0.226 L干燥管的觀測時間晚110 min左右，但是氡含量測值不但沒有減小，反而高得多，說明使用過大的干燥管會堵塞氣路，致使水中脫出氣體的一部分無法循環到探測器中，從而降低測值。從2011年5月1日起干燥管更換為水氡常規觀測使用的干燥管。

表1 使用不同容積干燥管的水氡測值比較Tab.1 Water radon data comparison of using drying tube in different volume

3 觀測結果與分析

KJD-2000R測氡儀全譜顯示的α粒子能量范圍為0～10 MeV，而氡及其子體所產生的α粒子能量在6～9 MeV之間。KJD-2000R測氡儀把0～10 MeV范圍的能量譜線劃分為256個數字道址。其中:218Po峰值的中心位置在5.998 MeV處;214Po峰值的中心位置在7.687 MeV處;216Po峰值的中心位置在6.777 MeV處;212Po峰值的中心位置在8.780 MeV處。

從2010年12月11日開始用KJD-2000R測氡儀對下關溫泉水中氡含量進行觀測，至2011年7月31日停止觀測。

3.1 KJD-2000R測氡儀觀測結果

3.1.1 α粒子觀測數據

KJD-2000R測氡儀把半衰期為3.825 d的222Rn衰變子體218Po和214Po衰變釋放的α粒子能量脈沖數記為R1和R2(圖2)，半衰期為54.4 s的220Rn衰變子體216Po和212Po衰變釋放的α粒子能量脈沖數記為T1和T2。

3.1.2 氡含量觀測數據

KJD-2000R測氡儀與傳統的水氡觀測氡含量計算方法不同，取水樣到鼓泡的衰變時間和水樣體積都不參與氡含量計算，而且觀測到的4組α粒子能量脈沖數只計算R1作為水中氡含量觀測結果(圖3)，KJD-2000R測氡儀氡含量計算公式為

其中:K為儀器標定K值，單位為Bq/m3·(脈沖/min)，R1為水樣測值，單位為脈沖/min。

圖2 KJD-2000R測氡儀下關溫泉α粒子能量脈沖數曲線(a)218Po衰變釋放的α粒子能量脈沖數曲線;(b)214Po衰變釋放的α粒子能量脈沖數曲線;(c)216Po衰變釋放的α粒子能量脈沖數曲線;(d)212Po衰變釋放的α粒子能量脈沖數曲線Fig.2 α-particle energy pulse number curves recorded by KJD-2000R in Xiaguan hot spring(a)α-particle energy pulse number curve of decay and release from218Po;(b)α-particle energy pulse number curve of decay and release from214Po;(c)α-particle energy pulse number curve of decay and release from 216Po;(d)α-particle energy pulse number curve of decay and release from212Po

圖3 KJD-2000R測氡儀下關溫泉水氡曲線Fig.3 Water radon observation curve recorded by KJD-2000R in Xiaguan hot spring

3.2 觀測結果分析

3.2.1 KJD-2000R測氡儀α粒子觀測結果分析

在進行天然放射性核素α能譜測量時，主要是對氡及其α衰變體子體產生的α粒子進行測量，由錒系產生的219Rn半衰期很短，為3.92 s，一般情況下，它對氡氣測量的影響不予考慮，只考慮鈾系和釷系α衰變體產生的α粒子的測量 (賈文懿等，2002;譚延亮等，2008)。由鈾系衰變產生的222Rn的半衰期為3.825 d，氡衰變主要產生218Po(RaA)、214Pb (RaB)、214Bi(RaC) 和214Po(RaC')4種短壽命子體 (趙桂芝，肖德濤，2007)，218Po和214Po半衰期分別為3.04 min和164 μs;由釷系衰變產生的220Rn的半衰期只有54.4 s，220Rn衰變子體216Po和212Po半衰期分別為0.15 s和0.30 μs。KJD-2000R 測氡儀是對222Rn衰變子體218Po、214Po和220Rn衰變子體216Po、212Po衰變產生的α粒子進行測量，根據α粒子能量脈沖數計算出氡濃度。

由于220Rn的半衰期只有54.4 s，220Rn衰變子體216Po和212Po衰變釋放的α粒子有些可能還來不及被收集產生電脈沖就消失了，因而記錄到的脈沖數T1和T2都很小 (圖2)，都在10個脈沖數(0.07 Bq/L)以內，這與傳統水氡觀測認為220Rn和219Rn及其子體的半衰期太短，在實驗室測量氡氣中只有222Rn的結論相近;而222Rn的半衰期為3.825 d，222Rn衰變子體218Po和214Po衰變釋放的α粒子能量脈沖數比216Po和212Po多得多，雖然214Po半衰期很短，但其母體214Pb的半衰期為26.8 min，214Bi的半衰期為19.7 min，因而能記錄到一定的α粒子能量脈沖數，218Po半衰期為3.04 min，記錄到的α粒子能量脈沖數最多，變化也最明顯。因此，把218Po作為計算氡含量的主要元素。

3.2.2 氡含量觀測結果分析

KJD-2000R測氡儀對下關溫泉水中氡含量進行了233 d的觀測 (2010年12月11日至2011年7月31日)，與傳統水氡觀測儀器FD-125型室內氡釷分析器進行平行對比觀測，結果只有少數呈現同步變化。經過試驗，KJD-2000R測氡儀從2011年3月1日起測數時間由原來的20 min改為30 min，從 2011年 5月 1日起原有的干燥管(0.226 L)更換為水氡常規觀測使用的干燥管(0.011 L)，所得測值明顯增大。由于KJD-2000R測氡儀與傳統的水氡觀測氡含量計算方法有所不同，取水樣到鼓泡的衰變時間和水樣體積都不參與氡含量計算，而且觀測到的4組α粒子能量脈沖數只計算R1并作為水中氡含量觀測結果，KJD-2000R測氡儀氡含量觀測結果比FD-125型室內氡釷分析器觀測結果小很多。

氡含量計算方法不同，氡含量觀測結果就不同。參照水氡常規觀測計算方法，把衰變函數值和水樣體積加入KJD-2000R測氡儀氡含量計算公式為

其中:K為儀器標定值，單位為 Bq/m3·(脈沖/min)，R1為水樣測值，單位為脈沖/min，V為水樣體積，單位為L，e－λt為氡衰變函數值。

由圖4可知，把KJD-2000R測氡儀觀測到的4組α粒子能量脈沖數用不同方法計算:R1(218Po)、R2(214Po)、T1(216Po)、T2(212Po)4組 α粒子能量脈沖數總和按KJD-2000R測氡儀氡含量計算公式計算，氡含量增大了一點;R1加入水氡常規觀測中的衰變函數值和水樣體積計算，氡含量明顯增大，變化幅度更加明顯;R1、R2、T1、T2總和加入水氡常規觀測中的衰變函數值和水樣體積計算，氡含量增大更加明顯。通過不同方法計算，KJD-2000R測氡儀觀測結果總體變化趨勢相同，但用加入水氡常規觀測中的衰變函數值和水樣體積計算，變化幅度更加明顯，異常更容易識別。

在對比觀測期間，震中距在300 km范圍內，發生2次MS≥5.0地震。2011年2月26日FD-125測氡儀觀測到水氡出現高值異常 (8.42 Bq/L)，12 d后，即3月10日云南盈江發生MS5.8地震;由于2011年4月30日前KJD-2000R觀測數據受測量時間和干燥管的影響，觀測數據只能作為參考。6月20日云南騰沖MS5.2地震前，FD-125測氡儀在6月5日觀測到小幅度高值異常 (8.11 Bq/L)，而KJD-2000R測氡儀 (R1)分別在5月27日、6月4日觀測到水氡值為1.99 Bq/L、2.18 Bq/L(加入水氡常規觀測中的衰變函數值和水樣體積計算為8.16 Bq/L、8.90Bq/L)的高值異常，就騰沖MS5.2地震而言，KJD-2000R觀測到的水氡異常更突出，變化更明顯。

圖4 KJD-2000R測氡儀與FD-125型室內氡釷分析器平行對比觀測水氡曲線Fig.4 Comparison of water radon observation curves recorded by KJD-2000R and FD-125

3.3 觀測室影響因素分析

3.3.1 鼓泡水溫

氡在水中的溶解度與溫度關系密切，溶解度系數 α與溫度 t的關系式為 α=0.1057+0.405e－0.0502t。從表2看出，地下水中氡的溶解度系數隨著水溫的升高而變小 (中國地震局監測預報司，2007)。水溫上升，氡的溶解度下降，逸出氣體增加;水溫下降，氡的溶解度上升，逸出氣體減小 (王雪瑩等，2002)。

表2 不同溫度下氡的溶解度系數αTab.2 Water radon solubility coefficient under different temperature

對于鼓泡水溫和氡值的關系，劉學領等(2008)進行過“不同的水溫對氡值影響”的實驗。結果證實，水溫不同造成水氡觀測最大誤差達17%，水溫降低，其相對誤差會加大。在0℃～40℃水溫范圍內進行多次實驗，然后取均值，分別計算其相對于40℃測值的相對誤差 (表3)。

從表3可看出，在對水氡進行觀測時，為了降低水溫對氡值的影響，必須找到一個相對合適的鼓泡溫度，同時應考慮實驗室的環境條件，并符合規范要求。在對高溫熱水進行水氡觀測時，水樣的鼓泡溫度尤為重要。

表3 水溫不同時氡值及相對誤差Tab.3 Water radon observation data and their relative error under different water temperature

結合表2、表3得出，鼓泡水溫在20℃～30℃時氡值相對穩定。下關溫泉水氡對比觀測期間，鼓泡水溫在21.9℃ ～27.6℃之間 (圖5c)，由于鼓泡水溫保持相對穩定，氡值不會有太大的變化，對FD-125型室內氡釷分析器與KJD-2000R測氡儀水氡觀測基本不會產生影響 (圖5a、b)。

3.3.2 室溫、濕度

觀測室環境條件主要指室溫、濕度等。KJD-2000R測氡儀工作環境要求:良好環境溫度 (20±5)℃，極限溫度0℃ ～50℃;濕度5% ～99%;實際對比觀測室溫為20.3℃ ～26.8℃ (圖5d)，濕度為33% ～72%(圖5e)，鼓泡水溫與觀測室溫相差≤±5℃，且鼓泡水溫保持在20℃ ～30℃;觀測室條件完全符合規范要求，且滿足KJD-2000R測氡儀工作環境要求。

圖5 KJD-2000R測氡儀與FD-125型室內氡釷分析器平行對比觀測曲線(a)FD-125型室內氡釷分析器水氡曲線;(b)KJD-2000R測氡儀R1測值水氡曲線;(c)鼓泡水溫;(d)觀測室溫度;(e)濕度Fig.5 Paralled observation curves comparison of water radon rearded by KJD-2000R and FD-125(a)Water radon curve recorded by FD-125;(b)Water radon curve of R1recorded by KJD-2000R;(c)Water radon curve influencd by bubbling temperature;(d)Water radon curve influencd by temperature in library;(e)Water radon curve influencd by humidity

在常溫條件下，當使用FD-125型室內氡釷分析器觀測時，氡測值與室溫呈正相關，與濕度呈負相關，同時氡值與鼓泡水溫、氣壓相關顯著。但在恒溫條件下即室溫20℃ ～30℃，濕度＜80%時，氡的濃度與室溫、濕度、鼓泡水溫和氣壓等均無關 (張清秀，陳懿德，2007)。KJD-2000R測氡儀和FD-125型室內氡釷分析器平行對比水氡觀測正是在這種恒溫條件下，按規范和儀器要求嚴格進行的，可見水氡的濃度變化不受室溫、濕度等因素的影響。

4 結論

(1)長期以來我國的水氡觀測一直采用定時人工取樣、脫氣、測試的方法，不可避免的存在一定的人為誤差，影響對氡正常動態規律的認識和映震能力的提高，還可能漏失瞬態的異常信息(中國地震局監測預報司，2007)。KJD-2000R測氡儀 (α譜儀)自動鼓泡和讀數，完全避免了人工鼓泡和讀數引起的誤差，對提高水氡觀測資料質量及映震能力，具有一定實際意義。

(2)FD-105K型靜電計和FD-125型室內氡釷分析器觀測對象為222Rn衰變產生的α粒子，KJD－2000R測氡儀觀測對象為222Rn衰變子體218Po、214Po和220Rn衰變子體216Po、212Po衰變釋放的4組α粒子，觀測對象更加明確。

(3)觀測對象、計算方法不同，觀測結果就不同，這是KJD-2000R測氡儀相對于FD-125型室內氡釷分析器測值低的主要原因。KJD-2000R測氡儀觀測結果加入衰變時間和水樣體積計算水中氡含量，氡含量明顯增大。引入衰變時間和水樣體積計算水中氡含量，在一定程度上可以校正這些因素給水中氡含量觀測帶來的影響。

(4)通過試驗分析認為，雖然每天水樣的氡含量衰變形態不盡相同，但在測數時間30 min左右測到水樣的最高氡含量，因此認為KJD-2000R測氡儀 (α譜儀)觀測水中氡含量時的測數時間為30 min較合適。

(5)通過使用不同容積干燥管的氡含量測值比較，認為KJD-2000R測氡儀配有的干燥管容積(0.226 L)過大，致使干燥管堵塞氣路，水中脫出氣體有一部分無法循環到探測器中，使測值降低，更換為水氡常規觀測使用的干燥管 (0.011 L)后，KJD-2000R測氡儀測值明顯增大。

(6)KJD-2000R測氡儀和FD-125型室內氡釷分析器平行對比水氡觀測嚴格按規范和儀器要求進行，在恒溫條件下即室溫20℃ ～30℃，濕度＜80%時，鼓泡水溫與觀測室溫相差≤±5℃，且鼓泡水溫保持在20℃～30℃，因此水氡觀測結果不受鼓泡水溫、觀測室室溫、濕度等因素的影響。

(7)FD-125型室內氡釷分析器水氡測值穩定，但觀測時間長，異常變化幅度小，閃爍室本底難降;KJD-2000R測氡儀觀測時間短，易于清洗，且異常變化幅度明顯，容易識別，也可用于野外測量。建議在保留原有水氡觀測儀器的基礎上，長期對222Rn衰變子體218Po進行觀測，以期更好、更充分地捕獲水氡前兆異常信息，為地震監測預報服務。

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Research on Observatory result of Water Radon recorded by KJD－2000R Emanometer

LI Chao-ming1，YANG Zhi-jian2，ZHU Pei-yao2，JIN Ming-pei3，CHU Jin-xue3
(1.The Western Yunnan Earthquake Prediction Study Area，Earthquake Administration of Yunnan Province，Dali 671000，Yunnan，China)
(2.Earthquake Administration of Yunnan Province，Kunming 650224，Yunnan，China)
(3.Midu Seismic Station，Earthquake Administration of Yunnan Province，Midu 675600，Yunnan，China)

Combining the parallel observation of radon content in Xiaguan hot spring recorded by the traditional FD-125 indoor Radon-Thorium emanometer and KJD-2000R emanometer(alpha ray spectrometer)which is a newtype instrument of monitoring water radon content，we compared and analyzed 4-set of alpha energy pulse number，radon content and influence factors during observation.The results show that the KJD-2000R emanometer have some advantages than FD-125 emanometer，such as it has clear objects observed，can bubbling and reading automatically，so it can efficiently reduce errors caused by bubbling and reading artificially.These comparisons and tests will be helpful for improving understanding of variation of the radon and its daughter's，and the qualities and earthquake reflecting ability of radon observation data.It has the certain practical significance for finding precursor abnormal information of water radon，and also provides the references for seismic observation and the type selection of water radon observation emanometers.

KJD-2000R emanometer;α particles;observation result;Xiaguan hot spring

P315.62

A

1000－0666(2012)03－0399－07

2011－11－29.