新入网地震水氡观测仪校准方式研究

黄仁桂 赵影 李雨泽 宁洪涛 周红艳 毛华 肖健 肖孟仁 黄培

1（江西九江扬子块体东部地球动力学野外科学观测研究站 九江 332006）

2（江西省地震局 南昌 330039）

3（东华理工大学 南昌 330013）

氡是一种无色、无味、无臭且具有放射性的气体元素［1］，在地壳运动时会被释放出来［2］。基于地壳中氡的释放特性，氡观测是我国地震观测台网中最重要的测项之一，应用于地震监测和预测［3］，在地震趋势分析和短临震情研判中发挥着重要作用［4］。近年来，在国内外地震监测与预测领域备受重视［5-8］，用于测量氡浓度的测氡仪在地震监测预报中得到越来越广泛的应用［9-10］。测氡仪的观测过程中，需要定期对仪器进行校准［4］。校准是保证观测数据的可靠性与准确性的最重要、最关键技术环节，对利用氡进行地震监测、预报的效果具有至关重要的作用［4，11-12］。长期以来，我国地震氡观测台网一直采用传统的固体氡气源校准。目前固体源出现不同程度的装置故障［6，12］，大部分装置已报废停止使用。由于高体积活度氡气固体源采购审批手续复杂，一旦购买后不但要长期接受放射性监管，而且国家放射性物质运输管理制度严格，给氡源的定期质检也带来极大困难［4，13-16］。

为了推进地震氡观测技术的发展，中国地震局监测预报司把氡室的开发应用列为重点科技研究项目［11］，委托江西省地震局建立地震氡观测仪检测平台（标准氡室）［16］，对行业内在线观测和新入网测氡仪进行年度校准和定型检测。目前测氡仪校准方法有循环法、真空法和流气法三种方式，由于氡观测仪器检测平台建成不久，需要制定入网水氡观测仪校准相适应的操作规范，针对地震氡观测的测氡仪校准采用一种更适合的校准方法［17］，同时，为更好发挥地震氡观测仪检测平台效能，本文对将入地震氡观测台网的FD-125氡钍分析仪器进行校准方式研究，对三种校准方法进行实验对比，研究结果对制定新入网地震水氡观测仪定型检测规范相关技术有实验参考作用，也可以验证地震氡观测仪检测平台的量值能否可靠地传递给氡浓度测量仪。

1 校准方法及计算介绍

氡室是20世纪80年代发展起来的装置，称为“氡环境试验装置”，配合国际公认标准器AlphaGUARDPQ2000Pro测氡仪进行监控，作为氡室理论参考氡浓度，按照JJG825—2013测氡仪国家计量检定规程对仪器校准环境进行要求，氡室调控温度（20±1） ℃、湿度调控（30±2）%，实验室无影响正常工作的机械振动和电磁干扰［18］。氡室在温湿度控制稳定后，进行氡浓度控制，箱体内达到目标浓度后平衡3 h以上进行校准实验。氡室校准测氡仪以响应系数（R）、相对固有误差（不超过20%）和年偏离量（不超过20%）三个计量参数衡量校准结果是否符合规范要求。本次对新入网地震水氡观测仪进行检测，由于用FD-125氡钍分析仪器的闪烁室为首次校准，所以不做年偏离量计算，仅对闪烁室响应系数（R）和相对固有误差进行计算，为了适应地震氡观测台网需求，测氡仪体积活度响应在JJG825—2013测氡仪国家计量检定规程三个参考氡气体积活度基础上增加三个高浓度进行校准测量，即分别稳定在800 Bq·m-3、1 500 Bq·m-3、3 000 Bq·m-3、6 000 Bq·m-3、10 000 Bq·m-3和15 000 Bq·m-3，R值的相对固有误差按式（1）计算［19］：

式中：Ei为第i个测量点测氡仪响应系数的相对固有误差；Ri为被检测氡仪在第i个测量点的响应系数为被检测氡仪响应系数均值。取各测量点中响应系数相对固有误差绝对值最大值作为被检测氡仪的相对固有误差。

在地震氡观测中，仪器需要读格值，使用同一套仪器，格值是一致的，即地震行业刻度闪烁室通常用校准系数K（R=K×格值），K<0.009（R<18.42）满足规范要求，K值按式（2）计算［20］：

式中：V为闪烁室的体积，500 mL；N为闪烁室的脉冲计数，脉冲·min-1；Cstd为经过气压、室温后校准后的氡浓度，Bq·m-3。

被检测氡仪的体积活度响应取三个测量点的体积活度响应下的K值求平均值［19］，按式（3）计算：

式中：V为闪烁室体积，500 mL。本文用体积活度响应（R）代替校准系数（K）。

2 实验方法及分析

地震氡观测仪检测平台（标准氡室）主要包括温湿度调控氡箱（4 m3）、固体氡发生器、输补氡气路装置、降氡排放系统、氡室控制及管理系统和UPS电源，如图1所示。采用流气式固体氡发生器，在温湿度调控氡箱内提供持续稳定的氡浓度环境。实际上，氡室内氡气衰变、泄漏等导致浓度降低，平台控制系统通过间歇补充氡方式使氡室内氡浓度在一定误差（0.5%）范围内保持动态稳定［21］。平台控制系统通过常量补充氡气方式，首次补充氡气后，氡气浓度稳定控制期间，使用氡标准参考仪器测定或系统理论计算的氡浓度值与氡室氡浓度期望值比较，当氡浓度值小于或等于期望值减去其误差下限时，系统自动开启氡发生器进行间歇补充氡气，保证标准氡室在校准实验期间保持相对稳定的氡浓度环境［22-23］。

图1 地震氡观测仪检测平台（标准氡室）结构图Fig.1 Structure diagram of seismic radon observation platform (standard radon chamber)

FD-125型氡钍分析仪亦称室内射线分析仪，与定标器配合使用能测量放射元素铀钍样品的射气，也能用于测定水样品及坑道中微量氡射气的浓度。闪烁室是两个内部涂ZnS（Ag）闪烁体的有机玻璃半球，圆盘上可同时安装三个闪烁室，其中一个位于光电倍增管的上端，是被测闪烁室，其他两个处于避光状态，等待测量，借助手柄改变圆盘上闪烁室的位置，这样可在不停机条件下，连续更换闪烁室样品，直至测量完毕［22］。仪器选用新采购的中核（北京）核仪器厂氡钍分析仪FH463B/FD125（024/026），选用4个闪烁室（编号分别为1802#、1803#、1804#、1805#）用于实验。实验开始前，对FH463B定标器进行了工作高压和阈值的确定，高压为-580 V，阈值为0.8圈，对4个闪烁室进行了密封性能检查和本底测量，保证实验仪器设备工作正常、性能良好。氡室内配备AlphaGUARDPQ2000Pro测氡仪，采用扩散法测量监控，测值作为理论氡参考浓度。分别采用以下三种方法进行实验：1）循环法校准是将已知的氡气源和测氡仪通过橡皮管或者其他对氡吸附少的管子连接起来，形成循环密封系统，静置1~3 h，使得整个容器达到氡浓度平衡、均匀，再测量计算其校准系数［21］；2）真空法是将要校准的测氡仪容器抽成真空，再将其同氡气源连接，将已知浓度氡气缓慢吸入容器来测量，静置1~3 h，使得整个容器达到氡浓度平衡、均匀，再测量计算其校准系数［21］；3）流气法是将已知的氡气源和测氡仪连接起来，氡气定速进入容器进行实时测量，再计算其校准系数［21］。

2.1 校准实验

体积活度响应是测氡仪定期校准参数，实验在地震氡观测仪检测平台（标准氡室）内6个相对稳定参考氡气体积活度从低到高依次进行实验。标准氡室到达目标浓度并稳定3 h后，取氡气进入闪烁室，根据地震地下流体观测方法中要求封闭静置1 h。本实验也采用选择取气封闭静置1 h，然后测量［20］，单次计数时间为10 min，连续测量三次取平均值。每次实验前对闪烁室进行本底测量，每次测量时间10 min，连续测量三次，计数取平均值。

循环法是将闪烁室、气泵（1.3 L·min-1）、氡箱取气孔用气管连接，形成循环密封系统，打开开关K1、K2，启动气泵进行气体循环，记录气泵开启时间，循环10 min后关闭气泵，封闭闪烁室并记录时间，循环采样见图2（a）。

图2 氡室校准FD125闪烁室 (a) 串联循环采样，(b) 真空取气，(c) 流气法取气Fig.2 Calibration of FD125 scintillation chamber with standard radon chamber(a) Series cycle sampling, (b) Vacuum negative pressure gas extraction, (c) Flow gas extraction

真空法是将闪烁室、真空表和真空泵连接，先打开K1，启动真空泵对闪烁室抽真空（3~5 min），观察真空表基本达到-0.1 MPa，关闭K1，缓慢打开K2，保持真空表指针匀速恢复10 min到常压，封闭闪烁室并记录时间，真空采样示意图见图2（b）。

流气法是将各个闪烁室、气泵（0.5 L·min-1）、氡箱取气孔用气管独立连接，形成流气，从开始启动氡室就连接上，一直连接，测量时把闪烁室放在定标器上测量，依次在氡室内6个参考氡气体积活度稳定3 h后下进行连续测量，连续单次计数时间为10 min，连续测量3次取平均值，流气法采样如图2（c）所示。

2.2 结果分析

1）循环法各测量点闪烁室的响应系数R如表1所示，4个闪烁室在6个浓度下校准的R值小，采样效率高，均满足要求，相对标准偏差小于20%，校准测试结果均满足规程要求。各闪烁室各次校准相对误差看，循环法校准的响应R值比较小，即探测效率比较高。在理论氡参考浓度8 800 Bq·m-3左右时响应R值较小，相对于其他浓度下的响应R值相对误差较大，查看实验日志，该浓度下进行循环时间超过10 min，为12 min左右，循环时间越久闪烁室氡覆盖越充分，即闪烁室探测效率越高。

2）真空法各测量点闪烁室的响应系数R如表2所示，1802#、1805#闪烁室相应R值和相对误差满足要求，1803#、1804#闪烁室都存在R值超过，各闪烁室各次校准系数R较大，超出地震行业R值小于18.42的要求［20］，可能的原因是负压取样时，管道中存在少了的空气，标准氡气被稀释，造成探测效率比较低。

3）流气法各测量点闪烁室的响应系数R如表3所示，1803#闪烁室相应R值接近18.42，其他闪烁室都存在R值和相对误差满足要求。可能是各个闪烁室独立与氡室连接，其各自本底可能存在差异，造成各个R值出现偏差较大。在理论氡参考浓度5 500 Bq·m-3左右时响应R值较大，相对其他浓度下的响应R值相对误差较大，而在理论氡参考浓度13 000 Bq·m-3左右时响应R值较小，相对误差也较大，经查实验日志，无其他影响因素。根据表3发现，响应R值变化规律，从低浓度到高浓度，各闪烁室响应R值总体趋势先增大后减小，理论氡参考浓度5 500 Bq·m-3左右时处于中间测点，闪烁室内的氡及其子体达到“动态稳定”需要时间更久，即响应R值相对于其他测点误差较大。而在高浓度13 000 Bq·m-3左右时，浓度达到最高，同时一直连接氡室，补氡时间也最长，探测效率达到最高，即相对于其他浓度下R值误差也较大。

表3 流气法各测量点闪烁室的响应系数RTable 3 Response coefficient R of scintillation chamber at each measuring point of flow-gas method

3 不确定度分析

在地震氡观测仪检测平台（标准氡室）提供稳定温度、湿度和氡浓度环境条件下，依据JJG825—2013《测氡仪检定规程》开展测量，分析得到数学模型及不确定度来源。

3.1 数学模型

式中：R为被检测氡仪校准因子；Rs为标准氡体积活度测量仪校准因子为被检测氡仪读数平均值，Bq·m-3为标准氡体积活度测量仪读数平均值，Bq·m-3；δ(W)为检定装置的年稳定性。

3.2 不确定度来源

标准氡室氡体积活度值的不确定度u1；测氡仪测量响应重复性u2；标准氡室的年稳定性u3。

1）标准氡室氡体积活度值的不确定度来源于标准氡体积活度测量仪校准因子的不确定度和标准氡室内氡体积活度的测量重复性。

a）标准氡体积活度测量仪校准因子的不确定度引入的标准不确定度，由检定证书给出：

b）标准氡室内氡体积活度的测量重复性引入的标准不确定度，采用A类评定获得，在相同条件下，用标准器对氡室给定氡浓度进行测量，连续测量10次。标准氡体积活度测量仪读数平均值的相对实验标准差按式（6）求得：

则标准氡室氡体积活度值的不确定度引入的标准不确定度u1为：

2）被检测氡仪测量不同浓度下校准结果响应重复性引入的标准不确定度采用A类评定获得，根据相对标准偏差计算u2。

3）标准氡室的年稳定性引入的标准不确定度采用B类评定获得，标准氡室的年稳定性小于2%，满足均匀分布，则区间半宽度a=2%，计算得u3：

不确定度来源相互独立，测氡仪校准因子测量结果的合成标准不确定度可按下式合成：

测氡仪校准因子测量结果的相对扩展不确定度Urel=kuc，计算得到三种校准方法标准不确定度分量如表4所示。

表4 三种校准方法不确定度评定(%)Table 4 Evaluation of uncertainty of three calibration methods (%)

4 结论与讨论

FD125氡钍分析仪采用三种校准方法校准结果活度响应R对比如图3所示，可以看出，应用氡室校准相同的闪烁室，采用循环法校准要比真空法和流气法校准得到的响应系数R要小，且相对固有误差能满足规范要求；采用真空法静置1 h校准和流气法，体积响应系数R已接近不合格。循环法校准比流气法校准相对稳定，且R值一致性更好。

图3 FD-125测氡仪三种校准方法的结果对比Fig.3 Results comparison of three calibration methods for FD-125 radon meter

经分析得到：真空法校准相对于循环法校准得到的R值偏大，主要是真空法采样效率偏低，存在影响因素包括：1）管路气体对标准氡气的稀释，真空法校准气路流向闪烁为单向，气路的空气与氡气混合后稀释，降低了与标准氡气氡浓度；2）存在气压平衡影响，标准氡室内气压为常压，闪烁室为负压，10 min内很难达到完全平衡。流气法校准相对于循环法校准得到的R值偏大，且相对偏差较大，主要原因有：1）流气法校准不断地向闪烁室内充入新的氡气，闪烁室内的氡及其子体达到“动态稳定”；2）由于各闪烁室校准浓度依次从低到高，校准期间未排本底，可能有本底升高造成相对偏差加大。

针对新地震氡观测台网水氡观测仪开展不同采样方式校准实验和不确定度评定分析，得出以下结论：

1）根据地震水氡观测要求，使用闪烁测氡仪进行测量水中氡浓度时，采样方式应选择对应氡活度响应系数R，可以有效减少氡测量误差，在地震氡观测中采样方式可能影响观测结果，应在后续制定规范中进行进一步规定。

2）通过循环法、真空法和流气法三种校准方法对比，采用循环法（循环时间大于10 min）静置1 h校准，采样效率最高；真空法效率最低，流气法由于“动态稳定”造成偏差较大。目前地震氡观测台网氡钍分析仪FH463B/FD125测氡仪校准选择循环法（循环时间大于10 min）效果最佳。

3）根据地震氡观测仪检测平台（氡室）给定温度、湿度和氡浓度环境条件下展开测量，建立测氡仪校准因子测量数学模型。分析校准结果的不确定度来源及合成标准不确定度，得到循环法、真空法和流气法相对扩展不确定度12.6%、12.8%和13.0%，符合JJG825—2013《测氡仪检定规程》要求，因此地震氡观测仪检测平台的量值能够可靠地传递给氡浓度测量仪。

作者贡献说明黄仁桂负责研究的提出及设计、数据的收集和整理、文章的起草和最终版本的修订；赵影负责循环法校准实验，并对进行实验数据的收集；李雨泽负责真空法校准实验，并对进行实验数据的收集；宁洪涛负责流气法校准实验，并对进行实验数据的收集；周红艳负责三种校准方法实验数据处理和分析；毛华负责实验结果不确定的计算和分析；肖健负责课题项目的监督和管理；肖孟仁负责最终版本的修订；黄培负责研究结果绘图及英文翻译。