氡觀測技術在地震監測中的應用與發展趨勢＊

周紅艷 任宏微

1）江西省地震局，南昌 330039

2）中國地震局地殼應力研究所，北京 100085

引言

氡的發現已有百年歷史，氡觀測技術的最早實際應用始于1922年的前蘇聯，該國對水樣實施了氡測量，并依此進行鈾礦勘查［1－2］。此后，工業發達國家逐步在測氡領域開始領先，并將氡測量與地震、建材、環保、大氣物理、溫室效應對全球氣候變暖、癌癥病理研究等當今熱門課題相結合，進一步推動了氡觀測技術的發展。

氡是自然界唯一的氣態放射性元素，由鐳衰變而來，在地殼中能以游離態存在或溶于地下液體，自然界中氡有3個同位素222Rn、220Rn和219Rn，222Rn的半衰期為3.825d，220Rn的半衰期為54.4s，219Rn的半衰期僅為3.92s［3－4］。氡 及 其 母 體、子 體 在 衰 變 過 程中不斷釋放α粒子、β粒子和γ粒子，其特有的物理化學性質是氡觀測技術的發展基礎。早期的氡研究主要是鈾礦山和部分非鈾礦山的輻射防護。20世紀60年代中期，氡觀測技術開始為我國地震監測預報服務。進入80年代，我國開展了室內環境與氡濃度的研究與調查。目前，氡觀測不僅包含土壤中、空氣中和水中氡濃度的觀測，還包括建筑材料中、生物體內氡濃度的測量。本文簡要介紹氡觀測技術在不同領域的應用，歸納當前不同測氡技術的原理、優缺點，并以地震系統使用的幾種儀器為例，分析今后氡觀測技術的發展方向，為測氡儀器的技術發展及應用選型提供參考。

1 氡觀測技術的應用領域

近年來，由于人們對生命、生存、生活關注程度的日益提高，測氡技術隨著應用領域的逐步擴大而取得了一定的發展，這些應用涉及資源勘查、災害預測、科研生產、安全防護、醫療保健等與人民生產生活密切相關的領域，以下簡單介紹測氡技術應用的幾個主要領域［5］。

（1）資源勘查。鈾礦體和油氣的外部常常形成鐳暈圈，對氡及其子體測量非常有利，異常反映強而明顯，鈾礦體和油氣體位于異常高值所夾持的低值區，同時根據異常曲線的特征，可以確定礦體的埋藏深度［6］。所以，利用放射性氡測量方法可以快速、有效地對礦體進行定位。金礦體中常伴生（共生）有鈾、鐳放射性元素、衰變釋放出氡氣，所以，在金礦地勘中氡測量技術也得到了很好的應用［7］。氡溶于地下水，且溶解度受溫度、壓力等環境的影響，近年來，以氡氣異常測量為主的地下水和地熱資源勘查工作在我國應用極為廣泛。

（2）災害預測。地震、滑坡、活斷層等地質災害在孕育過程中，應力積累會導致巖土的變形與破壞，這不僅會改變介質的受力狀態，還會引起孔隙、裂隙和破碎程度的變化，以及水流條件變化和溫度的升高，由此引起巖土中氡射氣量的變化、地下水中氡含量的變化。觀測、記錄構造活動區域范圍內的氡濃度變化，可以判斷地質災害可能發生的地點和時間。

（3）煤田地區的應用［8－9］。陷落柱在形成和長期地質過程中造成鈾的富集，在陷落柱上方，氡的平面等值異常多顯示不規則的橢圓形、似園形，剖面則多為馬鞍形，即在陷落柱邊緣出現高峰值，查明土壤中自然狀態氡濃度的分布規律，可以快速查明煤田的陷落柱。近年來，利用測氡技術圈定采空區邊界、地下煤層自燃位置、預測煤與瓦斯突出也成為煤田地區解決現實問題的重要手段。

（4）水文、地質學上的研究。地下水中222Rn的積累是年齡和流速的函數，利用放射性成因惰性氣體間比值的氦－氡法，可以測定地下水的大體年齡，也可用來研究自流盆地的動力條件。應用氡觀測技術，可以解決地質填圖、喀斯特地形研究等一系列地質學方面的問題。

（5）環境監測與安全防護。環境放射性監測逐漸成為當今環境保護的熱點問題。無論是新建住宅時地基放射性勘測論證，還是家居時放射性水平檢測和環境氡氣的大規模普查，都是一個日益突出的課題。而對室內、外環境中氡濃度測量的目的就是強化環境安全意識，防止輻射污染對生命的傷害。

（6）醫療保健。隨著對氡氣認識的深入，人類不僅在盡力防范氡對人體的危害，還在充分發揮氡的醫療價值。氡可用于癌癥的放射治療，可以利用一定水平濃度的氡水來治療動脈硬化、呼吸道疾病和風濕性、外傷性關節炎等病癥。近年來，應用含氡溫泉進行浴療逐步發展起來。

隨著科學技術的發展，氡觀測技術應用逐漸深入到我們生產生活的各個領域，并且還有繼續擴大和發展的趨勢，這就要求我們必須了解當前主要的氡觀測技術。

2 氡測量方法

隨著測氡技術在不同領域的發展應用，形成了各自主要推薦的氡測量方法，總體上可以歸納為以下幾類：根據采樣方式不同分為瞬時采樣測量、累積采樣測量和連續采樣測量；依據采樣對象不同分為氡測量和氡子體測量；依據探測粒子種類不同，分為α測氡和γ測氡。本文主要依據不同的測量原理，介紹幾種當前比較通用的測量方法。

2.1 電離室法（氣體電離法）

早在20世紀50年代，電離室法就廣泛被用來探測放射性元素的輻射強度，早期的石英絲靜電計、蓋革—彌勒計數管都是應用電離室法。目前，電離室法包括兩種，電流電離室和脈沖電離室。

電流電離室法的工作原理［10－12］：含氡氣體進入電離室，氡及其子體放出的α粒子使空氣電離，產生大量的電子和正離子，在電離室內壁和收集極之間的電場作用下，正電荷形成電離電流，這種微弱的電流使靜電計石英絲系上的電荷積累起來，電位逐漸升高，引起絲系的偏轉，氡氣的濃度直接由絲系偏轉速度來計算。電流電離室代表儀器有上海電子儀器廠的FD－105或FD－105K靜電計。脈沖電離室的工作原理與電流電離室相近，只是觀測信號為在收集電極上形成的電脈沖，由于正離子質量大于電子，運動速度相對較慢，收集電極上主要是正離子產生的慢脈沖，這些脈沖經電子學測量單元放大后，由計數電路記錄。以脈沖電離室為傳感器的代表性產品有AlphaGUARD系列測氡儀，例如P2000和PQ2000。

電離室法的主要優點是：方法可靠，測量速度較快，受濕度影響小，既可以直接收集空氣樣品進行測量，也可以使用含氡氣體不斷流過測量裝置進行連續測量［12］；主要缺點是：靈敏度低，不滿足低濃度氡的測量需要，由于只反映入射粒子電離后的平均效應，不能反映入射粒子的能量大小，因此，不能區分222Rn和220Rn的濃度。

2.2 閃爍室法

閃爍室法是氡測量技術中應用較廣泛的一種，經過幾十年的不斷發展，現在它已成為相當完善的一種測量技術。閃爍室法探測器由閃爍體、光電倍增管和相應的電子儀器3個主要部分組成，閃爍體分為無機閃爍體和有機閃爍體、探測α粒子閃爍體和探測γ射線的閃爍體。

閃爍室法的工作原理［13］：粒子進入閃爍體與之發生作用，閃爍體吸收帶電粒子能量而使原子、分子電離和激發；受激原子、分子退激時發射熒光光子，利用反射物和光導將閃爍光子盡可能多地收集到光電倍增管的光陰極上，由于光電效應，光子在光陰極上擊出光電子，光電子在光電倍增管中轉化為電子流，電子流在陽極負載上產生電信號，此信號由電子儀器記錄和分析。利用此方法研制的儀器有FD－125型氡釷分析儀、SD－3A自動測氡儀、NaI（Tl）閃爍探測器。

閃爍室法的優點是［14－15］：粒子適用范圍廣，探測效率高，探測下限低，準確度高，制作工藝成熟、成本低；其缺點是：儀器由幾部分組成、較笨重，能量分辨率較低，閃爍室的本底隨時間增加，探測效率隨時間減小，需要定期進行系數刻度。

2.3 半導體探測器法（固體電離法）

在核輻射探測領域，半導體探測器的研制和使用是一個重要發展，從20世紀60年代開始生產，最早以探測γ射線為主，很快發展到探測α粒子。目前，半導體α探測器應用較為廣泛。

半導體探測器法的工作原理［16－18］：經干燥、過濾的氡氣體進入探測室，探測室內壁涂有導電材料，探測室內有半導體探測器，氡衰變產生的子體（固體）在靜電場中被收集在半導體探測器表面，釋放出的粒子進入半導體探測器后，產生空穴－電子對，這些空穴－電子對被探測器內電場兩電極分開，并分別被陰極和陽極收集，產生與粒子損失的能量成正比的輸出脈沖信號，從而可探測射線的強度。即入射粒子在靈敏區內損失的能量轉變為與其能量成正比的電脈沖信號，經放大并由多道分析器測出幅度的分布，從而給出帶電粒子的能譜?；诎雽w探測器的測氡儀主要有FD3017、RAD7和DOSEman測氡儀。

半導體α探測器主要依據氡的第1代衰變子體（218Po、216Po）釋放的α粒子能量峰分辨222Rn和220Rn，半導體γ能譜儀則是依據214Pb、214Bi和212Bi、208Tl能量峰來分辨222Rn和220Rn。該方法的優點［17－18］是：具有較高的能量分辨率，快速測量氡子體釋放粒子能量，結構簡單、堅固耐用，線性響應好，探測器體積小、重量輕，適合制成便攜式儀器；缺點是：僅能對氡的衰變子體測量，探測效率低；容易受濕度影響，需要經常換干燥劑。

2.4 徑跡蝕刻法

徑跡蝕刻法是從早期的感光乳劑法發展而來的，用作探測器的材料主要有結晶物質（如云母）、非結晶物質（如玻璃）和聚合物（如聚碳酸酯）。目前，廣泛應用的徑跡蝕刻探測器是能產生輻射徑跡損傷效應的聚碳酸酯片或CR－39。

徑跡蝕刻法測量原理［19］：帶電粒子進入固體材料時，在沿其射程軌跡周圍造成輻射損傷，受損嚴重的狹窄區域稱為潛徑跡，損傷半徑一般只有納米級。當這種潛徑跡經一定條件的化學與電蝕刻處理后，就會因受損傷區域比未受損傷區域容易被腐蝕而使探測器材料中的潛徑跡放大，達到普通光學顯微鏡可觀測的微米級程度。測量固體核徑跡一般包括3個步驟：放射源的照射、探測器的蝕刻和固體核徑跡的觀察分析［20］。

徑跡蝕刻法的主要優點是：價格低廉、體積小、使用方便、靈敏度高；主要缺點是：徑跡蝕刻法為累計采樣測量，采樣時間長，不適合工程應用，且探測器本底差異大，化學蝕刻過程復雜，較難把握。

2.5 其他觀測技術簡介

駐極體測氡法雖然早在20世紀50年代就研制成功并開始應用，但是近年來才發展起來。其工作原理是：氡及其子體使其周圍的空氣電離產生帶電粒子，這些帶電粒子在駐極體靜電場的作用下，異號帶電粒子會使駐極體的表面電荷特性發生變化，利用駐極體表面電位測量儀記錄這種變化，經過刻度就可確定待測空氣中的氡濃度［21］。駐極體測氡設備實際是內裝一塊帶正電荷的駐極體塑料容器，駐極體既是探測器，又是靜電場源。探測器應用的仍是氣體電離的原理。目前，主要有Radom型和Rad Elec E－PERM型駐極體測氡容器。該方法的優點是：成本低、駐極體片可重復使用，體積小、重量輕、無需電源，駐極體表面電荷信息穩定，測量時間不受限制；缺點是：駐極體的使用和保存需特別小心，觸及其表面會改變其上的電位。單獨一片駐極體片的可探測范圍窄，需用不同厚度的駐極體片才能適應較寬的探測范圍。對天然本底輻射較靈敏，測量中需作修正。

活性炭法是基于樣品采集方法命名的，利用活性炭的強吸附性作用將氡及其子體收集在活性炭盒內，通過用γ能譜儀測量活性炭盒的氡子體（214Pb、214Bi）的γ峰或峰群強度，可計算出被測場所的氡濃度［22－23］。該方法適合大量土壤氣樣品采集的工程測量，探測器以 NaI（Tl）為主。

雙濾膜法和氣球法也是對樣品采集而言，原理相似［24－25］：含氡及其子體的氣體經進口濾膜過濾，使“純凈”氡氣進入采集器，經過一段時間衰變，再經過出口濾膜過濾，氡子體吸附在出口濾膜上，通過測量濾膜上吸附的氡子體衰變釋放的α粒子，計算得到氡濃度；雙濾膜法和氣球法為瞬時采樣測量，探測器一般應用半導體探測器。因濾膜的自吸收效應，探測效率較低。

氡測量技術種類較多，選擇時需要考慮測量環境、目的、時間、費用等因素。氡濃度的測量會受到人為因素、環境因素、氣候因素的影響。通過選擇適宜的方法、適合的儀器可以盡量避開或消除相應的影響因素，從而獲得較為合理的測量結果。

3 氡測量儀器

伴隨氡測量方法的成熟，氡測量儀器研發逐漸走向快速、精確和自動化。相對于γ測氡技術，α測氡在各領域應用更普遍、測量儀器種類更多。20世紀70年代初期，我國自己設計的FD－125型室內氡釷分析器，至今仍在地震系統廣泛應用。目前，地震系統氡觀測分為定點連續觀測和定期流動觀測，定點連續觀測地下水氡濃度變化，主要目的是為地震前兆信息的獲取提供基礎數據；定期流動觀測巖土氡濃度變化，主要目的是探測隱伏斷層及分析其活動特性。下面介紹幾種地震系統常用的測氡儀。

3.1 FD－125型氡釷分析儀

FD－125型氡釷分析儀［26］采用閃爍室法測量氡濃度。該閃爍室為球形，被螢光片分隔為4個互相聯通的小室，含氡氣體進入后探測效率較高。閃爍室放置測量和待測閃爍室的轉盤上，該圓盤可同時放3個閃爍室。射氣進入閃爍室后需靜置一小時，測量時間100s，測量完畢可轉動圓盤，使下一個樣品閃爍室轉至光電倍增管上進行測量。測量過程為人工取水樣、閃爍室真空負壓鼓泡脫氣、人工計算氡濃度，觀測時間一般為2小時左右，測量完畢后人工抽空氣清洗閃爍室降本底。該儀器測水氡在地震系統應用時間久，主要在定點（臺站）長期觀測氡濃度變化，曾在地震預測預報中發揮過作用。

應用中存在的問題：①測量氡及其子體混合釋放的α粒子，不能區分222Rn和220Rn；②單個樣品觀測時間長，限制了觀測數據密度，可獲取的信息量少；③氡濃度較高的觀測點，會縮短閃爍室的有效使用時間；④人為因素影響測量的準確度。

3.2 SD－3A型自動測氡儀

SD－3A型自動測氡儀為連續觀測儀器，使用閃爍室法測量氡濃度，觀測對象以水中逸出氣氡為主，觀測系統包括井口脫氣－集氣裝置、氡探測裝置和主機。該儀器可以選擇兩種工作模式：一種為氣泵抽氣模式，一種是擴散模式。觀測過程是：井水通過井管進入脫氣－集氣裝置，經過濺散使自由氣氡逸出進入0.37L的圓柱形閃爍室內，通過光電倍增管、主機等輸出氣氡濃度。SD－3A型自動測氡儀實現了樣品自動采集、自動測量、數據網絡傳輸等功能，每天產出24個讀數。該儀器對ZnS（Ag）屏進行了高溫高壓和鍍膜處理，解決了ZnS（Ag）怕潮的難題，同時提高了儀器抗腐蝕能力，大幅度延長了ZnS（Ag）閃爍室的壽命［27］。

觀測中存在的問題：①樣品進入探測室的測量時間短，觀測數據穩定性較差，經常出現類似脈沖的奇異數，脫氣－集氣裝置影響程度大；②氣體進入探測腔前未經子體過濾，測量的為氡及其子體衰變α粒子的混合量；③標定系數變化較大，造成數據連續性差。

3.3 AlphaGUARD系列PQ2000測氡儀

AlphaGUARD系列測氡儀是近幾年地震系統引進的新式觀測儀器。該儀器基于最優化脈沖電離室原理，是目前國內外最穩定的測氡儀之一，在國際上作為氡測量標準傳遞裝置廣泛應用。

AlphaGUARD系列測氡儀為瞬時測氡，可以快速測量空氣、土壤和水中氡濃度，并同時顯示樣品測量誤差值、測量時的溫度、濕度和大氣壓等。其電離室為一個0.6L的圓柱，中間為中心電極，通過保護環固定在圓柱中央，保護環都由高性能聚四氟乙烯絕緣體隔開［28］。PQ2000有抽氣模式和擴散模式兩種測量方式。根據不同濃度的樣品可選擇1min或10min抽氣模式測量，也可選擇10min或60 min的擴散模式測量。該儀器無濕度效應、無須干燥管除濕；測氡無累積效應，高低動態變化響應速度快；儀器輕便、操作簡單，適合臺站和野外觀測使用；儀器穩定性極佳，刻度因子5年內不會改變；用內置電池可自動工作10天（40天備選）、自動存儲4 800個數據。

應用中存在的問題：①氣體進入探測器前經子體過濾，測量對象為純氡釋放的α粒子，不適合低濃度氡樣品測量，不能分辨222Rn和220Rn；②數據存儲空間有限，尚未實現自動化網絡傳輸。

3.4 RAD7測氡儀

RAD7測氡儀是應用半導體探測器的快速測氡儀，在國內氡觀測的各領域應用較為廣泛。該儀器最特殊的技術要求是采用干燥管消除進入探測腔內氣體的濕度，避免濕度對測量的影響，提高觀測精度。

該儀器內部樣品腔是一個0.7L的半球，半球的內壁涂層為電導體，在球的中心是固態離子植入硅α探測器，儀器為主動式采樣，內置（在進氣口）標準流速為1L／min的氣泵、腔體及氣管組成一個密封性能良好的進出氣系統［29－30］。樣品測量完給出觀測氡濃度及α能譜，儀器主要通過218Po和214Po的信號來確定222Rn的濃度。該儀器操作簡便，針對不同的觀測目的可給出合適的工作參數，還可以根據個人需要自定義工作參數。自配小型打印機直接打印結果。

應用中存在的問題：①為避免濕度對測量精度的影響，需要經常更換干燥劑，且不同體積的干燥管對觀測值的影響較大，計算時采用的修正系數有偏差；②該儀器為便攜式測氡儀，適合野外觀測，但不適合在地震系統開展水氡的長期觀測；③儀器價格較高，難以廣泛普及使用。

以上4種儀器中，FD－125氡釷分析儀在地震系統應用最久，觀測數據穩定。老型號定標器智能化程度低，而新設計的定標器已經可以存儲觀測數據和自動觀測坪曲線；SD－3A自動測氡儀實現了氣氡從樣品采集到數據存儲的自動化，但因受脫氣－集氣裝置影響明顯，數據穩定性差；PQ2000穩定性和可靠性最好，但目前只能用來作為氡觀測標準的傳遞設備；RAD7型測氡儀樣品需要進行干燥處理，否則會造成觀測結果偏低，也不適合在臺站進行長期觀測使用。

4 總結與展望

各種觀測技術和儀器均有其適用的領域和觀測優勢，且在不同的應用領域中發揮著重要作用。隨著地震監測預報研究的不斷深入和發展，人們需要了解更多的信息，如需要獲取強震前氡的前兆信息，就要求監測氡異常變化的全過程，因此提出研制智能化連續自動測氡儀。氡的數字化觀測技術是實現儀器自動取樣、自動進行觀測、自動進行計算，并將測量計算結果自動發送的一整套技術。類似AlphaGUARD系列、RAD7測氡儀瞬間采樣、快速測量可以進行短期的連續觀測或定期的流動觀測，而定點連續觀測儀器需要儀器長期穩定、受濕度影響小、快速降低本底等特殊要求，國外進口儀器成本高、維修不及時，數據采集與存儲不能直接進入地震臺網等，所以自動化氡觀測儀器主要是依賴國內自主研發。從目前儀器使用的情況來看，閃爍室探測器工藝相對成熟、制作成本低。電離室法儀器研制工藝有待進一步提高，國產儀器的觀測精度、穩定性與進口儀器相比還有一定差距。

在未來閃爍法氡測量儀器的開發使用中，高探測效率、低本底是測量技術所追求的目標。為了適應更高精度的測量要求，近些年光電倍增管研發和其他光電子器件一樣，向小型化、高可靠性、多功能、模塊化和集成化方向發展，關鍵技術涉及光電陰極、電子倍增系統和陽極輸出結構的創新設計和對工藝方面的進一步優化。

未來電離室技術的發展，應著重于電離室內部各個器件，包括高壓電極以及收集極等器件技術的發展，提高探測效率，使得檢測結果更加精確、穩定。有時還需要根據不同輻射射線檢測的要求，包括α、β、γ、X等射線，對其接收方式、收集效率等進行針對性的改進。另外，對其前端放大器的改進也至關重要，能提高檢測器的靈敏度。

脫氣－集氣裝置是數字化連續氡濃度觀測中的重要技術環節，脫氣效率直接關系到測量的靈敏度、穩定性；在特定條件下，穩定地將地下水中的氡氣脫出，并有效地將脫出和匯集的新鮮氣體傳送到觀測儀器進行觀測非常重要［31］。未來針對水中氡濃度觀測，脫氣－集氣裝置的科學合理設計也將是地震系統中測氡技術的發展重點之一。

總之，能夠檢測放射性的微弱異常、精確度高、穩定可靠、現場分析處理數據能力強、簡便易維護、性價比高是氡觀測技術今后的發展趨勢。隨著未來現代核物理方法、電子技術、計算機技術、網絡和信息技術的不斷發展，相信今后會有性能更為優秀的氡濃度觀測儀器出現，為地震監測預報工作提供堅實的技術支撐。

致謝：本文在編寫中得到劉耀煒研究員的指導和幫助，在此表示衷心感謝。

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