氡观测技术在地震监测中的应用与发展趋势＊

周红艳 任宏微

1）江西省地震局，南昌 330039

2）中国地震局地壳应力研究所，北京 100085

引言

氡的发现已有百年历史，氡观测技术的最早实际应用始于1922年的前苏联，该国对水样实施了氡测量，并依此进行铀矿勘查［1－2］。此后，工业发达国家逐步在测氡领域开始领先，并将氡测量与地震、建材、环保、大气物理、温室效应对全球气候变暖、癌症病理研究等当今热门课题相结合，进一步推动了氡观测技术的发展。

氡是自然界唯一的气态放射性元素，由镭衰变而来，在地壳中能以游离态存在或溶于地下液体，自然界中氡有3个同位素222Rn、220Rn和219Rn，222Rn的半衰期为3.825d，220Rn的半衰期为54.4s，219Rn的半衰期仅为3.92s［3－4］。氡 及 其 母 体、子 体 在 衰 变 过 程中不断释放α粒子、β粒子和γ粒子，其特有的物理化学性质是氡观测技术的发展基础。早期的氡研究主要是铀矿山和部分非铀矿山的辐射防护。20世纪60年代中期，氡观测技术开始为我国地震监测预报服务。进入80年代，我国开展了室内环境与氡浓度的研究与调查。目前，氡观测不仅包含土壤中、空气中和水中氡浓度的观测，还包括建筑材料中、生物体内氡浓度的测量。本文简要介绍氡观测技术在不同领域的应用，归纳当前不同测氡技术的原理、优缺点，并以地震系统使用的几种仪器为例，分析今后氡观测技术的发展方向，为测氡仪器的技术发展及应用选型提供参考。

1 氡观测技术的应用领域

近年来，由于人们对生命、生存、生活关注程度的日益提高，测氡技术随着应用领域的逐步扩大而取得了一定的发展，这些应用涉及资源勘查、灾害预测、科研生产、安全防护、医疗保健等与人民生产生活密切相关的领域，以下简单介绍测氡技术应用的几个主要领域［5］。

（1）资源勘查。铀矿体和油气的外部常常形成镭晕圈，对氡及其子体测量非常有利，异常反映强而明显，铀矿体和油气体位于异常高值所夹持的低值区，同时根据异常曲线的特征，可以确定矿体的埋藏深度［6］。所以，利用放射性氡测量方法可以快速、有效地对矿体进行定位。金矿体中常伴生（共生）有铀、镭放射性元素、衰变释放出氡气，所以，在金矿地勘中氡测量技术也得到了很好的应用［7］。氡溶于地下水，且溶解度受温度、压力等环境的影响，近年来，以氡气异常测量为主的地下水和地热资源勘查工作在我国应用极为广泛。

（2）灾害预测。地震、滑坡、活断层等地质灾害在孕育过程中，应力积累会导致岩土的变形与破坏，这不仅会改变介质的受力状态，还会引起孔隙、裂隙和破碎程度的变化，以及水流条件变化和温度的升高，由此引起岩土中氡射气量的变化、地下水中氡含量的变化。观测、记录构造活动区域范围内的氡浓度变化，可以判断地质灾害可能发生的地点和时间。

（3）煤田地区的应用［8－9］。陷落柱在形成和长期地质过程中造成铀的富集，在陷落柱上方，氡的平面等值异常多显示不规则的椭圆形、似园形，剖面则多为马鞍形，即在陷落柱边缘出现高峰值，查明土壤中自然状态氡浓度的分布规律，可以快速查明煤田的陷落柱。近年来，利用测氡技术圈定采空区边界、地下煤层自燃位置、预测煤与瓦斯突出也成为煤田地区解决现实问题的重要手段。

（4）水文、地质学上的研究。地下水中222Rn的积累是年龄和流速的函数，利用放射性成因惰性气体间比值的氦－氡法，可以测定地下水的大体年龄，也可用来研究自流盆地的动力条件。应用氡观测技术，可以解决地质填图、喀斯特地形研究等一系列地质学方面的问题。

（5）环境监测与安全防护。环境放射性监测逐渐成为当今环境保护的热点问题。无论是新建住宅时地基放射性勘测论证，还是家居时放射性水平检测和环境氡气的大规模普查，都是一个日益突出的课题。而对室内、外环境中氡浓度测量的目的就是强化环境安全意识，防止辐射污染对生命的伤害。

（6）医疗保健。随着对氡气认识的深入，人类不仅在尽力防范氡对人体的危害，还在充分发挥氡的医疗价值。氡可用于癌症的放射治疗，可以利用一定水平浓度的氡水来治疗动脉硬化、呼吸道疾病和风湿性、外伤性关节炎等病症。近年来，应用含氡温泉进行浴疗逐步发展起来。

随着科学技术的发展，氡观测技术应用逐渐深入到我们生产生活的各个领域，并且还有继续扩大和发展的趋势，这就要求我们必须了解当前主要的氡观测技术。

2 氡测量方法

随着测氡技术在不同领域的发展应用，形成了各自主要推荐的氡测量方法，总体上可以归纳为以下几类：根据采样方式不同分为瞬时采样测量、累积采样测量和连续采样测量；依据采样对象不同分为氡测量和氡子体测量；依据探测粒子种类不同，分为α测氡和γ测氡。本文主要依据不同的测量原理，介绍几种当前比较通用的测量方法。

2.1 电离室法（气体电离法）

早在20世纪50年代，电离室法就广泛被用来探测放射性元素的辐射强度，早期的石英丝静电计、盖革—弥勒计数管都是应用电离室法。目前，电离室法包括两种，电流电离室和脉冲电离室。

电流电离室法的工作原理［10－12］：含氡气体进入电离室，氡及其子体放出的α粒子使空气电离，产生大量的电子和正离子，在电离室内壁和收集极之间的电场作用下，正电荷形成电离电流，这种微弱的电流使静电计石英丝系上的电荷积累起来，电位逐渐升高，引起丝系的偏转，氡气的浓度直接由丝系偏转速度来计算。电流电离室代表仪器有上海电子仪器厂的FD－105或FD－105K静电计。脉冲电离室的工作原理与电流电离室相近，只是观测信号为在收集电极上形成的电脉冲，由于正离子质量大于电子，运动速度相对较慢，收集电极上主要是正离子产生的慢脉冲，这些脉冲经电子学测量单元放大后，由计数电路记录。以脉冲电离室为传感器的代表性产品有AlphaGUARD系列测氡仪，例如P2000和PQ2000。

电离室法的主要优点是：方法可靠，测量速度较快，受湿度影响小，既可以直接收集空气样品进行测量，也可以使用含氡气体不断流过测量装置进行连续测量［12］；主要缺点是：灵敏度低，不满足低浓度氡的测量需要，由于只反映入射粒子电离后的平均效应，不能反映入射粒子的能量大小，因此，不能区分222Rn和220Rn的浓度。

2.2 闪烁室法

闪烁室法是氡测量技术中应用较广泛的一种，经过几十年的不断发展，现在它已成为相当完善的一种测量技术。闪烁室法探测器由闪烁体、光电倍增管和相应的电子仪器3个主要部分组成，闪烁体分为无机闪烁体和有机闪烁体、探测α粒子闪烁体和探测γ射线的闪烁体。

闪烁室法的工作原理［13］：粒子进入闪烁体与之发生作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子电离和激发；受激原子、分子退激时发射荧光光子，利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子，光电子在光电倍增管中转化为电子流，电子流在阳极负载上产生电信号，此信号由电子仪器记录和分析。利用此方法研制的仪器有FD－125型氡钍分析仪、SD－3A自动测氡仪、NaI（Tl）闪烁探测器。

闪烁室法的优点是［14－15］：粒子适用范围广，探测效率高，探测下限低，准确度高，制作工艺成熟、成本低；其缺点是：仪器由几部分组成、较笨重，能量分辨率较低，闪烁室的本底随时间增加，探测效率随时间减小，需要定期进行系数刻度。

2.3 半导体探测器法（固体电离法）

在核辐射探测领域，半导体探测器的研制和使用是一个重要发展，从20世纪60年代开始生产，最早以探测γ射线为主，很快发展到探测α粒子。目前，半导体α探测器应用较为广泛。

半导体探测器法的工作原理［16－18］：经干燥、过滤的氡气体进入探测室，探测室内壁涂有导电材料，探测室内有半导体探测器，氡衰变产生的子体（固体）在静电场中被收集在半导体探测器表面，释放出的粒子进入半导体探测器后，产生空穴－电子对，这些空穴－电子对被探测器内电场两电极分开，并分别被阴极和阳极收集，产生与粒子损失的能量成正比的输出脉冲信号，从而可探测射线的强度。即入射粒子在灵敏区内损失的能量转变为与其能量成正比的电脉冲信号，经放大并由多道分析器测出幅度的分布，从而给出带电粒子的能谱。基于半导体探测器的测氡仪主要有FD3017、RAD7和DOSEman测氡仪。

半导体α探测器主要依据氡的第1代衰变子体（218Po、216Po）释放的α粒子能量峰分辨222Rn和220Rn，半导体γ能谱仪则是依据214Pb、214Bi和212Bi、208Tl能量峰来分辨222Rn和220Rn。该方法的优点［17－18］是：具有较高的能量分辨率，快速测量氡子体释放粒子能量，结构简单、坚固耐用，线性响应好，探测器体积小、重量轻，适合制成便携式仪器；缺点是：仅能对氡的衰变子体测量，探测效率低；容易受湿度影响，需要经常换干燥剂。

2.4 径迹蚀刻法

径迹蚀刻法是从早期的感光乳剂法发展而来的，用作探测器的材料主要有结晶物质（如云母）、非结晶物质（如玻璃）和聚合物（如聚碳酸酯）。目前，广泛应用的径迹蚀刻探测器是能产生辐射径迹损伤效应的聚碳酸酯片或CR－39。

径迹蚀刻法测量原理［19］：带电粒子进入固体材料时，在沿其射程轨迹周围造成辐射损伤，受损严重的狭窄区域称为潜径迹，损伤半径一般只有纳米级。当这种潜径迹经一定条件的化学与电蚀刻处理后，就会因受损伤区域比未受损伤区域容易被腐蚀而使探测器材料中的潜径迹放大，达到普通光学显微镜可观测的微米级程度。测量固体核径迹一般包括3个步骤：放射源的照射、探测器的蚀刻和固体核径迹的观察分析［20］。

径迹蚀刻法的主要优点是：价格低廉、体积小、使用方便、灵敏度高；主要缺点是：径迹蚀刻法为累计采样测量，采样时间长，不适合工程应用，且探测器本底差异大，化学蚀刻过程复杂，较难把握。

2.5 其他观测技术简介

驻极体测氡法虽然早在20世纪50年代就研制成功并开始应用，但是近年来才发展起来。其工作原理是：氡及其子体使其周围的空气电离产生带电粒子，这些带电粒子在驻极体静电场的作用下，异号带电粒子会使驻极体的表面电荷特性发生变化，利用驻极体表面电位测量仪记录这种变化，经过刻度就可确定待测空气中的氡浓度［21］。驻极体测氡设备实际是内装一块带正电荷的驻极体塑料容器，驻极体既是探测器，又是静电场源。探测器应用的仍是气体电离的原理。目前，主要有Radom型和Rad Elec E－PERM型驻极体测氡容器。该方法的优点是：成本低、驻极体片可重复使用，体积小、重量轻、无需电源，驻极体表面电荷信息稳定，测量时间不受限制；缺点是：驻极体的使用和保存需特别小心，触及其表面会改变其上的电位。单独一片驻极体片的可探测范围窄，需用不同厚度的驻极体片才能适应较宽的探测范围。对天然本底辐射较灵敏，测量中需作修正。

活性炭法是基于样品采集方法命名的，利用活性炭的强吸附性作用将氡及其子体收集在活性炭盒内，通过用γ能谱仪测量活性炭盒的氡子体（214Pb、214Bi）的γ峰或峰群强度，可计算出被测场所的氡浓度［22－23］。该方法适合大量土壤气样品采集的工程测量，探测器以 NaI（Tl）为主。

双滤膜法和气球法也是对样品采集而言，原理相似［24－25］：含氡及其子体的气体经进口滤膜过滤，使“纯净”氡气进入采集器，经过一段时间衰变，再经过出口滤膜过滤，氡子体吸附在出口滤膜上，通过测量滤膜上吸附的氡子体衰变释放的α粒子，计算得到氡浓度；双滤膜法和气球法为瞬时采样测量，探测器一般应用半导体探测器。因滤膜的自吸收效应，探测效率较低。

氡测量技术种类较多，选择时需要考虑测量环境、目的、时间、费用等因素。氡浓度的测量会受到人为因素、环境因素、气候因素的影响。通过选择适宜的方法、适合的仪器可以尽量避开或消除相应的影响因素，从而获得较为合理的测量结果。

3 氡测量仪器

伴随氡测量方法的成熟，氡测量仪器研发逐渐走向快速、精确和自动化。相对于γ测氡技术，α测氡在各领域应用更普遍、测量仪器种类更多。20世纪70年代初期，我国自己设计的FD－125型室内氡钍分析器，至今仍在地震系统广泛应用。目前，地震系统氡观测分为定点连续观测和定期流动观测，定点连续观测地下水氡浓度变化，主要目的是为地震前兆信息的获取提供基础数据；定期流动观测岩土氡浓度变化，主要目的是探测隐伏断层及分析其活动特性。下面介绍几种地震系统常用的测氡仪。

3.1 FD－125型氡钍分析仪

FD－125型氡钍分析仪［26］采用闪烁室法测量氡浓度。该闪烁室为球形，被萤光片分隔为4个互相联通的小室，含氡气体进入后探测效率较高。闪烁室放置测量和待测闪烁室的转盘上，该圆盘可同时放3个闪烁室。射气进入闪烁室后需静置一小时，测量时间100s，测量完毕可转动圆盘，使下一个样品闪烁室转至光电倍增管上进行测量。测量过程为人工取水样、闪烁室真空负压鼓泡脱气、人工计算氡浓度，观测时间一般为2小时左右，测量完毕后人工抽空气清洗闪烁室降本底。该仪器测水氡在地震系统应用时间久，主要在定点（台站）长期观测氡浓度变化，曾在地震预测预报中发挥过作用。

应用中存在的问题：①测量氡及其子体混合释放的α粒子，不能区分222Rn和220Rn；②单个样品观测时间长，限制了观测数据密度，可获取的信息量少；③氡浓度较高的观测点，会缩短闪烁室的有效使用时间；④人为因素影响测量的准确度。

3.2 SD－3A型自动测氡仪

SD－3A型自动测氡仪为连续观测仪器，使用闪烁室法测量氡浓度，观测对象以水中逸出气氡为主，观测系统包括井口脱气－集气装置、氡探测装置和主机。该仪器可以选择两种工作模式：一种为气泵抽气模式，一种是扩散模式。观测过程是：井水通过井管进入脱气－集气装置，经过溅散使自由气氡逸出进入0.37L的圆柱形闪烁室内，通过光电倍增管、主机等输出气氡浓度。SD－3A型自动测氡仪实现了样品自动采集、自动测量、数据网络传输等功能，每天产出24个读数。该仪器对ZnS（Ag）屏进行了高温高压和镀膜处理，解决了ZnS（Ag）怕潮的难题，同时提高了仪器抗腐蚀能力，大幅度延长了ZnS（Ag）闪烁室的寿命［27］。

观测中存在的问题：①样品进入探测室的测量时间短，观测数据稳定性较差，经常出现类似脉冲的奇异数，脱气－集气装置影响程度大；②气体进入探测腔前未经子体过滤，测量的为氡及其子体衰变α粒子的混合量；③标定系数变化较大，造成数据连续性差。

3.3 AlphaGUARD系列PQ2000测氡仪

AlphaGUARD系列测氡仪是近几年地震系统引进的新式观测仪器。该仪器基于最优化脉冲电离室原理，是目前国内外最稳定的测氡仪之一，在国际上作为氡测量标准传递装置广泛应用。

AlphaGUARD系列测氡仪为瞬时测氡，可以快速测量空气、土壤和水中氡浓度，并同时显示样品测量误差值、测量时的温度、湿度和大气压等。其电离室为一个0.6L的圆柱，中间为中心电极，通过保护环固定在圆柱中央，保护环都由高性能聚四氟乙烯绝缘体隔开［28］。PQ2000有抽气模式和扩散模式两种测量方式。根据不同浓度的样品可选择1min或10min抽气模式测量，也可选择10min或60 min的扩散模式测量。该仪器无湿度效应、无须干燥管除湿；测氡无累积效应，高低动态变化响应速度快；仪器轻便、操作简单，适合台站和野外观测使用；仪器稳定性极佳，刻度因子5年内不会改变；用内置电池可自动工作10天（40天备选）、自动存储4 800个数据。

应用中存在的问题：①气体进入探测器前经子体过滤，测量对象为纯氡释放的α粒子，不适合低浓度氡样品测量，不能分辨222Rn和220Rn；②数据存储空间有限，尚未实现自动化网络传输。

3.4 RAD7测氡仪

RAD7测氡仪是应用半导体探测器的快速测氡仪，在国内氡观测的各领域应用较为广泛。该仪器最特殊的技术要求是采用干燥管消除进入探测腔内气体的湿度，避免湿度对测量的影响，提高观测精度。

该仪器内部样品腔是一个0.7L的半球，半球的内壁涂层为电导体，在球的中心是固态离子植入硅α探测器，仪器为主动式采样，内置（在进气口）标准流速为1L／min的气泵、腔体及气管组成一个密封性能良好的进出气系统［29－30］。样品测量完给出观测氡浓度及α能谱，仪器主要通过218Po和214Po的信号来确定222Rn的浓度。该仪器操作简便，针对不同的观测目的可给出合适的工作参数，还可以根据个人需要自定义工作参数。自配小型打印机直接打印结果。

应用中存在的问题：①为避免湿度对测量精度的影响，需要经常更换干燥剂，且不同体积的干燥管对观测值的影响较大，计算时采用的修正系数有偏差；②该仪器为便携式测氡仪，适合野外观测，但不适合在地震系统开展水氡的长期观测；③仪器价格较高，难以广泛普及使用。

以上4种仪器中，FD－125氡钍分析仪在地震系统应用最久，观测数据稳定。老型号定标器智能化程度低，而新设计的定标器已经可以存储观测数据和自动观测坪曲线；SD－3A自动测氡仪实现了气氡从样品采集到数据存储的自动化，但因受脱气－集气装置影响明显，数据稳定性差；PQ2000稳定性和可靠性最好，但目前只能用来作为氡观测标准的传递设备；RAD7型测氡仪样品需要进行干燥处理，否则会造成观测结果偏低，也不适合在台站进行长期观测使用。

4 总结与展望

各种观测技术和仪器均有其适用的领域和观测优势，且在不同的应用领域中发挥着重要作用。随着地震监测预报研究的不断深入和发展，人们需要了解更多的信息，如需要获取强震前氡的前兆信息，就要求监测氡异常变化的全过程，因此提出研制智能化连续自动测氡仪。氡的数字化观测技术是实现仪器自动取样、自动进行观测、自动进行计算，并将测量计算结果自动发送的一整套技术。类似AlphaGUARD系列、RAD7测氡仪瞬间采样、快速测量可以进行短期的连续观测或定期的流动观测，而定点连续观测仪器需要仪器长期稳定、受湿度影响小、快速降低本底等特殊要求，国外进口仪器成本高、维修不及时，数据采集与存储不能直接进入地震台网等，所以自动化氡观测仪器主要是依赖国内自主研发。从目前仪器使用的情况来看，闪烁室探测器工艺相对成熟、制作成本低。电离室法仪器研制工艺有待进一步提高，国产仪器的观测精度、稳定性与进口仪器相比还有一定差距。

在未来闪烁法氡测量仪器的开发使用中，高探测效率、低本底是测量技术所追求的目标。为了适应更高精度的测量要求，近些年光电倍增管研发和其他光电子器件一样，向小型化、高可靠性、多功能、模块化和集成化方向发展，关键技术涉及光电阴极、电子倍增系统和阳极输出结构的创新设计和对工艺方面的进一步优化。

未来电离室技术的发展，应着重于电离室内部各个器件，包括高压电极以及收集极等器件技术的发展，提高探测效率，使得检测结果更加精确、稳定。有时还需要根据不同辐射射线检测的要求，包括α、β、γ、X等射线，对其接收方式、收集效率等进行针对性的改进。另外，对其前端放大器的改进也至关重要，能提高检测器的灵敏度。

脱气－集气装置是数字化连续氡浓度观测中的重要技术环节，脱气效率直接关系到测量的灵敏度、稳定性；在特定条件下，稳定地将地下水中的氡气脱出，并有效地将脱出和汇集的新鲜气体传送到观测仪器进行观测非常重要［31］。未来针对水中氡浓度观测，脱气－集气装置的科学合理设计也将是地震系统中测氡技术的发展重点之一。

总之，能够检测放射性的微弱异常、精确度高、稳定可靠、现场分析处理数据能力强、简便易维护、性价比高是氡观测技术今后的发展趋势。随着未来现代核物理方法、电子技术、计算机技术、网络和信息技术的不断发展，相信今后会有性能更为优秀的氡浓度观测仪器出现，为地震监测预报工作提供坚实的技术支撑。

致谢：本文在编写中得到刘耀炜研究员的指导和帮助，在此表示衷心感谢。

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