夏縣臺AlphaGUARD測氡儀與FD-125水氡儀對比觀測試驗

姚林鵬，樊春燕，薛 亮，李 民，李曉銳，劉國俊，穆慧敏

(1.山西省地震局運城地震監(jiān)測中心站,山西 夏縣 044400；2.中國地震臺網中心，北京 100045；3.山西省地震局，山西 太原 030021；4.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站,山西 太原 030025)

0 引言

氡是地下流體觀測研究中映震能力較敏感的組分，是地震地下流體科學研究中觀測時間長、得到廣泛研究的地下流體測項之一[1]。長期的觀測結果表明，氡等流體的地球化學組分存在顯著的震前異常變化與震后效應[2-3]。連續(xù)測量地下水中氡含量的變化，有益于捕捉到地震孕育與發(fā)生的信息[4]。

夏縣地震臺(以下簡稱夏縣臺)水氡觀測始于1984年，使用FD-125測氡儀進行水氡日常觀測，觀測質量較好，為山西南部及周邊地震趨勢分析提供參考數據。近幾年，因固體氡源運輸過程的不便及嚴格的放射性監(jiān)管要求，對FD-125測氡儀的校準工作、水氡觀測資料的可靠性均造成一定影響。為此，夏縣臺引進AlphaGUARD測氡儀。研究表明，用AlphaGUARD P2000測氡儀作為計量標準器開展無源量值傳遞實驗，已在一些站點取得較好效果并在小范圍內廣泛應用[5]。有研究者以該測氡儀作為標準儀器，對地震系統SD-3A測氡儀和新入網的BG2015R測氡儀進行氡值響應和斷電恢復實驗,取得較好結果[6]；也有研究者采用水中溶解氡加標準儀器的校準技術代替氡氣固體源校準的方法，基本確定了開展標準儀器校準所需條件[7]。

該文使用AlphaGUARD測氡儀對夏縣臺熱水井水氡濃度進行觀測試驗，通過與FD-125測氡儀觀測結果進行對比，判定AlphaGUARD測氡儀用于水氡校測工作的可行性。

1 AlphaGUARD測氡儀性能及觀測方法

1.1 儀器性能簡介[6]

AlphaGUARD P2000F測氡儀是一款便攜式儀器，可持續(xù)測量氡及氡子體濃度、γ劑量率和工作環(huán)境參數?；诔墒斓拿}沖電離室原理，對氡元素有高探測效率；長期使用時免于維護，在高空氣濕度條件下，數據傳輸可靠，不會受到震動沖擊的影響。AlphaGUARD P2000F具有實時全天測量氡濃度的功能，內部集成氣壓、相對濕度及溫度傳感器，使用DateEXPERT軟件存儲和分析測量數據，是國際上公認的氡標準參照儀器(見表1)。

表1 AlphaGUARD測氡儀主要技術指標Table 1 Main technical indexes of AlphaGUARD radon detector

1.2 AlphaGUARD測氡儀觀測原理及方法

AlphaGUARD測氡儀的水氡觀測在常壓下進行，FD-125水氡儀屬負壓測量；其使用原裝AlphaGUARD 500 ml測量瓶，采用恒流泵封閉抽氣循環(huán)方式，在常壓下脫出水中氡氣并鼓入儀器內部電離室進行觀測。實驗觀測連接方式如圖1所示，水中氡氣自排氣瓶中脫出，流經防水安全瓶后，通過恒流泵鼓入測氡儀電離室，然后再次循環(huán)，整個氣路保持封閉。

圖1 AlphaGUARD測氡儀實驗連接方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental connection mode of AlphaGUARD radon detector

觀測時，首先打開AlphaGUARD測氡儀預熱30 min，待儀器本底值降到100 (Bq/m3)以下時，取500 mL待測水樣與排氣瓶中，恒流泵以1.0 (L/min)流速打開進行脫氣，脫氣10 min后，將恒流泵停止運行，使用止水夾夾緊測氡儀的進氣端與出氣端。測氡儀10 min一個讀數，讀取停泵后的10個測值進行分析。

2 觀測結果分析

2.1 測值結果誤差分析

AlphaGUARD測氡儀的測量結果需進行氣壓與溫度校正[7]，該儀器自帶溫度與氣壓測量結果，因此，測氡儀脈沖電離室氣壓與溫度校正工作使用的是廠家提供的計算程序。采用前述AlphaGUARD測氡儀觀測方法對夏縣熱水井水氡進行觀測，表2和第8頁圖2為3次測量的校正結果及誤差?？梢钥闯?，AlphaGUARD測氡儀觀測值較平穩(wěn)，標準差占均值比例較小，超過一倍標準差數據個數較少。若在濃度計算中去除超過標準差后的數據再平均，其結果更可靠。

圖2 AlphaGUARD測氡儀實驗測值誤差Fig.2 Experimental measurement error of AlphaGUARD radon detector

表2 AlphaGUARD測氡儀3次實驗測量校正值Table 2 Correction value of three experimental measurements of AlphaGUARD radon detector

2.2 水氡濃度計算方法及結果

AlphaGUARD測氡儀經過校正后的測值平均結果代表整個測量氣路的氡氣濃度Cair，進行濃度換算，得到水氡濃度Cwater。已知氣路氡濃度Cair，氣路體積V(1 967 mL，其中AlphaGUARD測氡儀680 mL+Alpha恒流泵18 mL+AlphaKIT自帶管路33 mL+500 mL鼓泡瓶618 mL+500 mL安全瓶618 mL)和水樣體積Vwater，則：

.

式中：e-γt為氡衰變函數值。通過該公式計算夏縣臺30組水氡測值(見第8頁圖3)?？梢钥闯?，AlphaGUARD測氡儀水氡計算結果在23.3～27.0 (Bq/L)之間變化，相對中值變化率為7.4%，與夏縣臺水氡長期觀測的波動值相當(10%左右)，數據較穩(wěn)定。故具備與同期FD-125水氡儀的測值進行對比的可行性。

2.3 兩套儀器測值對比分析

將AlphaGUARD測氡儀測量結果換算成水氡值后的30組測值，與同一天FD-125水氡儀的測值進行對比(見圖3)。結果表明，AlphaGUARD測氡儀測量結果均值為25.3 (Bq/L),FD-125水氡儀的均值為24.7 (Bq/L)。兩種儀器測值較接近，均在23～27 (Bq/L)之間，相對偏差較小，平均為2.1%。AlphaGUARD測氡儀測值整體較FD-125的高，差值波動范圍為-0.9～1.7 (Bq/L)，從以下四方面進行分析。

圖3 AlphaGUARD與FD-125測氡儀測值Fig.3 AlphaGUARD and FD-125 radon detector measured values

(1) 兩種測氡儀的溯源不同。夏縣臺FD-125水氡儀使用RN-150固體氡氣源進行標定，該氡源已超過其刻度期；AlphaGUARD測氡儀由江西省地震氡觀測儀檢測平臺定期檢測與更新參數，能保證其刻度的準確性。

(2) 標定線性差異。FD-125水氡儀使用活度為10 Bq的固體氡氣源標定得到校準系數K值，目前，無相關試驗證明各個活度所測校準系數K值是線性關系，因活度的差異，可能造成FD-125水氡儀測值發(fā)生偏移[8]；AlphaGUARD測氡儀在觀測系統內氡體積活度>1 000 (Bq/m3)時，線性關系穩(wěn)定。

(3) 取樣及鼓泡方式的差異。兩種儀器測量氡值的過程中，FD-125使用負壓取樣及鼓泡；AlphaGUARD測氡儀使用常壓取樣及鼓泡，可能會造成測值的差異及波動。

(4) 系統誤差。FD-125水氡儀每日主副樣差值在8%左右波動，AlphaGUARD測氡儀測值穩(wěn)定。

3 結論與討論

通過對夏縣臺兩套水氡觀測儀的對比試驗，可得出如下結論與建議：

(1) 使用AlphaGUARD測氡儀觀測水氡，測值較平穩(wěn)，超標個數較少，操作使用簡單。

(2) 兩種測氡儀測值接近，具有相似的動態(tài)變化。AlphaGUARD測氡儀具備替代FD-125水氡儀觀測及對其進行標定的條件。

(3) 兩種儀器的測值差異，主要與標定溯源、標定線性、取樣及鼓泡方式和系統誤差有關。

(4) 限于試驗條件，此次使用一臺AlphaGUARD測氡儀，結果有一定的局限性。因固體氡源使用不便，無法進行AlphaGUARD測氡儀對固體氡源的刻度比較，建議后續(xù)研究時開展AlphaGUARD測氡儀對FD-125水氡儀的標定。

感謝山西省地震局范雪芳高級工程師為此次試驗提供的指導與幫助！