AlphaGUARD測氡儀對 BG2015R測氡儀標定的探索

黎己余　林稚穎　鄭辰禾　楊鼎鴻　程慶斌

摘要氡對地震前后地層應力變化反應較為敏感，是示蹤構造與地震活動的一種有效的化學元素。氡觀測在我國地震前兆流體觀測手段中占很大權重，但由于近年來儀器老化及更新換代較多，許多臺站測氡儀的標定工作受到制約，因而影響了氡觀測資料的準確性和可靠性。本文利用高精度的AlphaGUARD測氡儀，分別采用含有一定濃度的新鮮井水、固定源對寧德一號井 BG2015R 測氡儀進行標定實驗，其結果是新 K 值與舊 K 值相對誤差分別為2.83%和1.1%，標定結果符合中國地震臺網的觀測要求；同時對標定實驗中AlphaGUARD測氡儀、BG2015R 測氡儀測值進行了均值、一致性等指標計算分析，給出了對兩套儀器標定時的取值建議。文中所述的標定實驗的流程和方法可以為在網運行測氡儀的標定提供一定的技術參考。

關鍵詞 P2000測氡儀；標定；一致性

中圖分類號： P315.62文獻標識碼： A文章編號：2096-7780（2023）07-0315-08

doi：10.19987/j.dzkxjz.2022-109

Exploration on calibration of BG2015R radon meter by AlphaGUARD radon meter

Li Jiyu，Lin Zhiying，Zheng Chenhe，Yang Dinghong，Cheng Qingbin

（Fujian Earthquake Agency， Fujian Fuzhou 350001， China）

AbstractRadon is sensitive to the change of strata stress before and after the earthquake. It is an effective element fortracingthestructureandseismicactivity，andaccountsforalargeproportioninChinasearthquakeprecursor observation network. In recent years，due to the aging and updating of instruments，the calibration of radon metersat many stations has been restricted，which further affects the accuracy and reliability of radon observation data. In this paper，the high-precision AlphaGUARD radon meter is used to calibrate the BG2015R radon meter inNingde No.1 well by using fresh well water and fixed sources with a certain concentration. The relative errors between the new K value and the old K value are 2.83% and 1.1% respectively，and the calibration results meet the observation requirements of China Earthquake Networks Center；At the same time，the average and consistency of the measured values of AlphaGUARD radon meter and BG2015R radon meter in the calibration experiment are calculated and analyzed，and the value sugges-tions for the calibration of the two sets of instruments are given. The flow and method of the calibration experiment described in this paper can provide a certain technical reference for the calibration of the radon meter operating in the network.

KeywordsP2000 radon meter; calibration; consistency

引言

在地震發生前后，地層板塊運動加劇，會釋放出更多的氣體，其中無色無味的氡，已經在中外取得許多震例，有前兆異常、同震響應以及震后效應[1-2]。因此測量氡濃度的變化是地震監測預報領域的重要工作之一，目前在我國地震前兆觀測網中有氡觀測點 300余個，其中人工模擬觀測儀器占比為53.9%，數字化觀測儀器占比為46.1%（2020年統計），數字化觀測中以 SD-3（ A）系列測氡儀為主，在網運行的 BG2015系列測氡儀僅有8套，占總比5%（2020年）；在 SD-3（ A）系列測氡儀的不斷老化及停測現狀下， BG2015系列測氡儀逐漸被引入到多個地震臺站使用。

為確保觀測值的真實可靠，要定期對觀測儀器進行檢查和標定。地震行業中應用最早的氡氣固定源是加拿大 RN-150型與國產 FD-3024型氡氣固定源，受氡源老化及管控影響，以上兩款氡源在使用上存在不便，后經孔令昌教授改造的 RN-FD 型循環式氡氣固定源被用于測氡儀日常標定[3]，但缺點是操作繁瑣，需要在使用期間用計量傳遞測氡儀重新標定。受諸多條件限制，現有大多臺站已對測氡儀停止了標定，從而嚴重影響觀測值的質量[4]。AlphaGUARD測氡儀（以下簡稱 P2000測氡儀）具有國際認可的測量精度高、誤差小及其可作為傳遞的功能，國外學者已開展了大量實驗證實了這一特性，并利用上述功能開展了一些檢測和校準實驗[4-6]；國內氡測量技術方面的專家通過 P2000測氡儀對含一定氡濃度水樣進行準確定值，進而實現代替氡氣固定源進行氡觀測儀器標定的實驗，并取得較好的效果[7]；同時利用 P2000測氡儀作為標定儀器進行的標定實驗，結果表明，當系統內氡體積活度（即氡濃度）＞1 Bq/L 時，所得到的 K 值相對于均值的偏差均≤5%，而且相對于氡氣固定源校準得到的 K 值相對誤差均≤5%[8]。起衛羅等[9]認為氡體積活度大于5 Bq/L，即可進行水中溶解氡校準實驗，且氡濃度越大，實驗效果越理想。行業內參與日常地震監測的地震臺站一線工作人員對 BG2015R、P2000測氡儀從運行、標定等角度也開展了研究，但均存在各自臺站的特色[10-12]。儀器運行方面的有關研究文章主要是開展儀器比測的工作，通過對 BG2015R 與 FD-125測氡儀閃爍、SD-3A 測氡儀等串聯觀測，發現測值曲線變化趨勢較為同步，存在一定的數值差異，認為是不同儀器間的標定差異造成的，但未具體展開說明；儀器標定方面的有關研究主要是介紹利用 P2000測氡儀和含一定濃度氡氣的水對 FD-125測氡儀、DDL-1型氣氡儀校準的可行性，并未對 BG2015R 測氡儀標定展開研究。

寧德一號井 SD-3A 年度標定時一直采用 GD-L2 小型流通式氡源進行標定，標定結果均能符合學科要求。作為新引進到臺站的 BG2015R 測氡儀，儀器說明書上未提供儀器的標定方法。筆者結合寧德地震臺高氡濃度水氡觀測井及未知氡濃度的 RN-FD 型循環式氡氣固定源，利用 P2000測氡儀具有精度高、誤差小和具有傳遞功能等優勢，在寧德地震臺開展 P2000測氡儀對 BG2015R 測氡儀進行標定方法的探索。

1 寧德一號井氡觀測系統

寧德一號井于2004年開始數字化改造，SD-3A 測氡儀在網運行至今，2019年新增 BG2015R 測氡儀與 SD-3A 測氡儀串聯觀測（圖1），寧德一號井供電、防雷等系統穩定健全，觀測測項受周邊場地環境、觀測系統及自然環境（降雨、雷電、氣壓等）等因素干擾較小。

SD-3A 型、BG2015R 型數字式測氡儀的核心均是氡探測器，它由 ZnS（Ag）閃爍室和光電倍增管組成，與模擬測氡儀 FD-125相類似（圖2）。氡進入閃爍室后，氡及其子體衰變發出的α粒子使閃爍室采樣器壁上的“熒光體”—ZnS（ Ag）產生微弱的閃光，儀器內部的光電倍增管收集到閃光，并把這種光信號變成電脈沖，經過電子元件把電脈沖放大，最后被處理器記錄下來。根據單位時間內的脈沖數（cpm）與氡濃度（Bq/L）成正比的理論，可以換算出被測氣（或土壤）中的氡濃度。

2 標定實驗

標定是在一定條件下開展的，其目的是測量儀器或測量系統所指示的觀測值，或實物量具或參考物質所代表的量值，與對應的由標準所復現的量值之間關系的規定操作。標定可在檢驗儀器準度后對其有關參數或部件進行矯正、調整來消除偏差。本次標定實驗是利用 P2000測氡儀具有精度高、誤差小和傳遞功能等特點，在 P2000測氡儀和 BG2015R 測氡儀串聯系統中串聯上氡源（固定氡源/水中氡），經充分循環后，開始記錄儀器讀數，P2000測氡儀讀數經過氣溫、氣壓修正后即可用于 K 值的計算；為確保 BG2015R 測氡儀日常測試時穩定工作，標定前進行了工作高壓枰曲線實驗，目的是要確定其工作高壓的范疇，并設定儀器工作高壓；本臺 BG2015R 測氡儀通過高壓枰曲線測試實驗，工作高壓區間在55—650 V 之間均可（圖3），當前設定在630 V。整個實驗流程如圖4所示。

為了能減少標定結果對后期儀器觀測值的影響，標定過程主要在寧德一號井房進行；標定時，對 RN-FD 型循環式氡氣固定源進行氡源采集時在寧德地震臺測氡室進行，確保 P2000測氡儀、BG2015R 測氡儀標定時觀測環境（溫度、濕度、氣壓等）相對穩定。標定分別采用了觀測井中的新鮮水和固定源作為標定源。

2.1 標定實驗設計及實施

為了能排除實驗結果的偶然性，同時證明實驗具有可重復性，每組實驗共做3次，每組實驗方案及實施過程介紹如下。

實驗1

實驗目的：驗證 P2000測氡儀、含有氡濃度的水結合可用于測氡儀標定。

實驗地點：寧德地震臺寧德一號井房。

實驗材料：BG2015R 測氡儀（1號閃爍室），P2000測氡儀，AquaKIT鼓氣瓶250 mL（含配套硅膠管），寧德一號井新鮮井水，純凈水，4只止血鉗，硅膠管，泡沫水等。

實驗過程：將閃爍室內氣體排出，實時監測閃爍本底測值，記錄穩定的本底值，BG2015R 測氡儀本底值 N0（1）（上標表示實驗序號，下標表示該實驗中讀數的序號，如 N1（3）2中，3表示第3組實驗，12表示第12個讀數，下同）（≤4 cpm），P2000測氡儀本底值 C0（1）；將 P2000、BG2015R 測氡儀采樣間隔設置為10 min，將AquaKIT鼓氣瓶、BG2015 R 測氡儀閃爍室、 P2000測氡儀、抽氣泵通過硅膠管串聯成閉合的循環系統，并用泡沫水檢查氣密性，鼓氣瓶中加入250 mL 新鮮的井水（圖5a）；將抽氣泵流速設定為1 L/min，打開抽氣泵，進行循環鼓泡15 min；鼓泡結束后，關閉氣泵，用止血鉗分別將 BG2015R、P200010 min 后開始測試讀數，BG2015R 測氡儀觀測值記錄為 N1（1），N2（1），······ ， N2（1）4，P2000測氡儀觀測值記錄為C1（1），C2（1），······ ，C2（1）4，每套儀器各記錄24個測值（4小時）。觀測結束后，將AquaKIT鼓氣瓶中的水倒出，將閃爍室本底進行排空，并記錄本底值。重復上述實驗2次，其中不同的是，后2次實驗中AquaKIT鼓氣瓶（250 mL）分別加入寧德一號井新鮮井水150 mL、純凈水100 mL 和寧德一號井新鮮井水100 mL、純凈水150 mL，不同量的寧德一號井新鮮井水是為了使每次測試的氡濃度有所不一樣，確保測試結果具有一定普適性。第1組3次實驗觀測值詳見圖6（實驗 1-1、實驗1-2、實驗1-3）。

實驗2

實驗目的：驗證 P2000測氡儀、固定源結合可用于測氡儀標定。

實驗地點：寧德地震臺寧德一號井房、寧德地震臺測氡室。

實驗材料：BG2015 R 測氡儀（1號閃爍室）， P2000測氡儀，RN-FD 型循環式氡氣固定源，4只止血鉗，硅膠管等。

實驗過程：將閃爍室內氣體排出，實時監測閃爍室本底測值，記錄穩定的本底值，BG2015R 測氡儀本底值為 N0（2），P2000測氡儀本底值為 C0（2）；將 P2000、BG2015R 測氡儀采樣間隔設置為10 min，將 RN - FD 型循環式氡氣固定源、BG2015R 測氡儀閃爍室、 P2000測氡儀、抽氣泵通過硅膠管串聯成閉合的循環系統（圖5b）；將抽氣泵流速設定為1 L/min，打開抽氣泵，進行循環15 min；循環鼓氣結束后，關閉氣泵，用止血鉗分別將 BG2015R、P2000測氡儀閃爍室進、出氣兩端硅膠管夾住，并靜置10 min 后開始測試讀數，BG2015 R 測氡儀觀測值記錄為 N 12、N2（2），······ ，N224，P2000測氡儀觀測值記錄為 C1（2）、C2（2），······ ，C2（2）4，每套儀器共記錄24個測值（4小時），重復上述實驗2次。第2組3次實驗觀測值詳見圖6（實驗2-1、實驗2-2、實驗2-3）。

2.2 實驗結果分析

從 P2000測氡儀測試的結果分析，每次實驗測試的24個中，前4個觀測值間變化幅度相對較大且呈上升的趨勢，在第5—20個數據之間的數據相對穩定，波動較小；在取第7—12中的6個數據與第5—20個數據進行均值、誤差、一致性等指標分析；計算結果顯示：通過計算兩組數據的均值一致性，計算結果顯示最大為1.10%，符合國際標準一致性計算結果小于10%；第7—12個數據在均值、誤差方面，具有明顯的優勢（表1）。綜上所述，認為 P2000測氡儀觀測值擇取第7—12個測值的平均值作為最后觀測值進行標定結果計算較為科學；這也進一步說明了 P2000測氡儀測值在70—120 min 內觀測值較為精確。P2000測氡儀讀數經過溫度、氣壓校正后即可得出實際氡濃度值（氡值、溫度、氣壓值輸入水氡計算軟件進行修正）。

從 BG2015R 測氡儀實驗測試的結果分析，每次實驗測試的24個測值曲線顯示，測值在觀測前期具有較為明顯的上升趨勢，特別是前6個讀數變化顯著，從第7個測值起，數據變化較為緩慢，在第19—24個測值相對穩定，波動較小；通過計算第7—12個讀數與第19—24個測值進行均值、偏差、一致性等指標計算分析（表2）。結果顯示一致性最大值為5.46%，符合國際標準一致性計算結果小于10%，一致性結算結果小于3.00%有4組；第19—24個測值在偏差上存在明顯優勢。綜上所述，BG2015R 測氡儀測試結果選用第19—24個測值的均值作為用于標定結果的計算較科學。

3 標定結果的計算

3.1 計算方法

標定結果的計算主要是 K 值計算，計算公式為K = N=CRn，N 為凈計數率N =∑n（m）Ni =（m-n+1）- N0，CRn =∑j（h）Ci =（h-j+1）- C0，K 即單位時間內的脈沖數（脈沖計數率/cpm）與氡濃度（Bq/L）的比值；m，n，h， j 的取值，按照2.2實驗結果對 BG2015R、P2000測氡儀24個10 min 中讀數進行分析，認為 BG2015R 測值選擇第19—24個測值參與標定結果的計算，即 m=24，n=19，P2000測值選擇第7—12個測值參與標定結果的計算，即 h=12，j=7。

3.2 計算結果

通過計算每組實驗可得出3個 K 值，并將3個 K 值取平均值作為新 K 值，在同組實驗中可計算每個 K 值與平均值之間相對偏差，2組實驗中相對偏差絕對值最大的分別為6.45%和0.97%；同時對每組實驗確定的新 K 值與舊 K 值進行偏差計算，實驗1新—舊 K 值偏差絕對值最大為19.1%，實驗2新—舊 K 值偏差絕對值為1.1%，可見實驗2標定結果符合要求。

為能更好驗證實驗2方法的可行性，筆者按照實驗2的方法，將1號閃爍室更換為2號閃爍室開展實驗3。

實驗3

實驗目的：驗證實驗2方法具有可重復性。

實驗地點：寧德地震臺寧德一號井房、寧德地震臺測氡室。

實驗材料：BG2015 R 測氡儀（2號閃爍室）， P2000測氡儀，RN-FD 型循環式氡氣固定源，4只止血鉗，硅膠管等。

實驗過程：實驗3與實驗2操作一樣，只是將 BG2015R 測氡儀1號閃爍室更換為2號閃爍室，其他情況未有變化，重復實驗2過程3次，并按照實驗2的方法計算了 K值及相對誤差，結果如表3所示，符合學科要求。

從實驗1與實驗2（閃爍室1）數據分析，利用寧德一號井新鮮水作為氡源進行儀器標定時，新—舊 K 值相對誤差較大，不符合學科要求，初步認為可能原因有：①管路連接的氣密性不足，導致氡氣逸出，從而觀測值存在偏差；②水作為氡源（鼓泡脫氣）與氡氣固定源濕度存在差別導致的；P2000測氡儀對測值有濕度校正的功能，BG2015R 測氡儀在濕度≤90 rH%時，儀器重復性≤10%，對觀測值無濕度校正，致使在較高濕度環境工作下測值存在較大偏差，從而水作為氡源進行標定，存在標定結果誤差較大的現象；③水作為氡源在氣體循環過程中，鼓氣瓶中水體會影響氣體循環均勻性，導致標定結果偏差較大。為更好說明實驗1所受影響因素，筆者利用泡沫水對管路，特別是接頭處進行了排查，未發現漏氣問題；為了能更好地說明問題，采用4號閃爍室（已知—值為0.0766 cpm · m3· Bq ?1），開展了實驗4、實驗5。

實驗4是在閉環循環系統中加入干燥管進行標定，其目的是說明濕度是否為影響標定結果的一個主要因素，連接如圖7所示，觀測值如圖8所示。

實驗5按實驗1方法連接，并進行循環10 min 后，移除鼓氣瓶，繼續循環5 min，使得氣體充分均勻，其目的是驗證鼓泡瓶的水體是否影響循環氣體均勻分布，觀測值如圖8所示，并按上述方法取數計算 K 值和相對誤差（表2）。

從實驗4、實驗5結果分析，實驗4標定結果新—舊 K 值的相對誤差為?17.10%，超出5%，不符合要求；實驗5標定結果新—舊 K 值的相對誤差為2.83%，且同組內的 K 值相對誤差均小于5%，符合規范要求；綜上所述，認為濕度不是造成標定結果誤差的主要原因，鼓氣瓶中水體的干擾是影響標定結果主要因素，通過移除鼓氣瓶，繼續循環，可使得氣體分布均勻，再進行標定讀數，結果符合規范要求。

同時通過實驗1、實驗5的實驗過程及結果分析，利用新鮮的井水作為氡源進行標定時，通過鼓泡方式，將溶解在AquaKIT鼓氣瓶水中的溶解氡稀釋出來；在實驗中AquaKIT鼓氣瓶水體作為氡源的來源，同時也是溶解氡的載體之一，在循環過程中循環氣體在AquaKIT鼓氣瓶中有溶解也有逸出，但是兩者的量不是完全對等的，因此氣體的一進一出會改變循環時循環系統中逸出氡的濃度，在循環一定程度時，移出AquaKIT鼓氣瓶，此時的循環系統中氡的含量是固定的，在經過充分的循環，氡濃度可均勻地分布在各個管路及閃爍室內，此時兩套儀器的觀測量是相對統一的。

4 結論與討論

通過開展標定實驗，并對實驗結果進行分析認為利用AlphaGUARD測氡儀對 BG2015R 測氡儀進行標定是可行的。AlphaGUARD測氡儀對 BG2015R 測氡儀可結合固定源或者含一定濃度的地下水均可進行標定。在操作過程中要確保氣路氣密性較好，氣體循環不夠均勻會影響標定結果。P2000測氡儀進行其他測氡儀的標定，特別是結合一定氡濃度的水進行標定，并能取得較好的效果，這將給測氡儀的標定提供便利。

經過多次的實驗證明，P2000測氡儀觀測值可選取在氣體循環均勻后，靜置1h 開始測試，測試60 min 的觀測值的平均數；BG2015R 測氡儀觀測值則是選擇氣體循環均勻后，靜置3h 開始60 min 的觀測值的平均數，用于標定結果的計算。

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