新型水氡仪质量检测及台站比测实验研究

赵 影, 胡旭东, 肖孟仁, 鲍志诚, 宁洪涛, 王成楠, 黄仁桂(. 江西九江扬子块体东部地球动力学野外科学观测研究站, 江西 九江 006;

2. 江西省地震局, 江西 南昌 330026; 3. 东华理工大学, 江西 南昌 330013;4. 江西省地质环境调查研究院, 江西 南昌 330026)

0 引言

氡是国际上公认的对地壳应力应变响应灵敏的地震前兆观测手段之一,在许多大震前后都表现一定的前兆与后效异常,近年来在国内外地震监测与预测领域备受重视,用于测量氡浓度的测氡仪新技术得到快速发展[1]。在中国地震监测台网中,水氡观测是开展最为广泛的前兆测项之一[2]。连续观测地下水中氡含量的变化,有可能捕捉到地震的孕育与发生信息[3-8]。目前,中国大陆地震系统水氡观测普遍使用上世纪70年代生产 FD-105K静电计(已经停产) 和FD-125测氡仪。FD-125测氡仪作为水氡观测的主流仪器,在地震监测台网发挥了不可替代的作用。但近几年来,氡源运输的不便与放射性监管严格制约了 FD-125测氡仪的校准工作[9-13];日常观测中发现,FD-125测氡仪负压采样、负压手动鼓泡、数据计算、抽本底等过程较为繁琐,工作效率低下,人工操作不当也在一定程度上影响到观测资料的内在质量。

目前,国内外较为认可的水氡测量仪器有AlphaGUARD P2000测氡仪和RAD7测氡仪,测量过程无需人工过多干预[14]。但相比于国产水氡测量仪,以上两种仪器主机、耗材和相关配件采购成本昂贵,且返厂维修周期过长、费用过高,以致未能在地震水氡日常监测中推广开来。因此,探索使用国产新型水氡观测仪应用于水氡日常监测,减少人工参与测量过程,提升水氡观测效率和质量平显得尤为重要。本文利用中广核贝谷科技有限公司生产的BG2015D双通道测氡仪(以下简称“新型水氡观测仪”)(图1),与FD-125测氡仪开展对比实验研究,分析了该款水氡仪操作便捷性、观测效率、稳定性以及与FD-125测氡仪观测数据的一致性。

1 新型水氡观测仪简介

新型水氡观测仪采用两套独立的气路和探测器,配有水样量取器、玻璃扩散瓶、冷凝球等配件,能够同时完成2组样品的测量,满足地震行业水氡主、副样同时测量,输出水氡浓度及主副样偏差结果。在日常水氡测量时,该仪器将本底测量、鼓泡采样、静置、计数、计算等过程全程自动化处理,无需对水氡观测人员培训,准备工作完成后可远程查看测量结果。仪器采用可更换ZnS闪烁室,闪烁室内壁使用活化的ZnS(Ag)涂层,防潮、防脱落、抗污染性能强(表1)。

图1 新型水氡观测仪Fig.1 Novel water radon observation instrument

技术指标仪器型号BG2015D闪烁室类型ZnS闪烁室体积256 mL测量范围10^(5×107) Bq/m3灵敏度约为36 cpm/Bq/L(针对222Rn测量)泵运行模式0.15、0.5、1.0、1.5 L/min可选数据存储配置8 GB内存卡,可存储4年以上的数据供电模式AC220V、DC12V和内置锂电池

2 校准结果分析

2.1 校准指标实验

校准实验使用地震监测氡观测仪器检测平台的标准氡室,标准氡室采用动态平衡的循环补氡方式,提供稳定可调、量值准确的氡浓度,可用于各种主动及被动式测氡仪器的检定和校准。校准实验引入了重复性V、校准系数K、K值的相对误差f、K值的相对固有误差E和灵敏度S、本底等指标,由于此次实验只有一台新型水氡观测仪,无法开展一致性检测。

(1) 重复性:在稳定氡气体积活度下进行重复测量,设置单次测量时间一般不少于10 min,次数不低于10次。被检测的氡观测仪重复性按下式计算:

(1)

(2) 校准系数K:在3个标准氡气体积活度下进行重复测量,至少测量5次,每次测量时间不少于10 min,取5次测量的平均值作为测量值。取各目标浓度点校准系数Ki的平均值作为被测氡仪的校准系数K。

(2)

式中:Ki为待校准氡观测仪在第i个浓度点的校准系数,单位:Bq/cpm;C标准仪器为AlphaGUARD PQ2000 PRO测氡仪测得的氡浓度,代表整个标准氡室内的氡体积活度,单位:Bq /m3;V为待校准氡观测仪闪烁室体积,单位:mL;N为待校准氡观测仪闪烁室的脉冲读数,单位:cpm;N0为闪烁室本底脉冲读,单位:cpm。

(3) 按下式计算被检测氡仪的K值的相对误差:

(3)

(4) 校准系数K值的相对固有误差:由各体积活度点的校准系数Ki,经式(4)得出K值的相对固有误差:

(4)

式中:Ei为第i个浓度点测氡仪的相对固有误差;Ki为第i个浓度点测氡仪的校准系数K,单位:Bq/cpm;K为各浓度点测氡仪的校准系数Ki值的平均值,单位:Bq/cpm;

取各体积活度点中相对固有误差绝对值最大者作为被检测氡仪的相对固有误差。

(5) 闪烁室灵敏度:

(5)

2.2 标准氡室校准实验

实验前,先用定标器测量FD-125测氡仪3个闪烁室(体积500 mL)和新型水氡观测仪主、副闪烁室的本底(体积256 mL),然后用气管将标准氡室、FD-125测氡仪闪烁室、新型水氡观测仪闪烁室及气泵连接成一个闭合循环系统(图2),设置标准氡室目标浓度为4 000 Bq/m3,待标准氡室内氡浓度稳定后,再循环30 min(气泵流量1 L/min)。测试完成后,将闪烁室从环路取下密封静置1 h,再测定其脉冲计数后测量,单次计数时间为10 min,连续测量5次取平均值。以标准氡室内氡浓度作为FD-125测氡仪闪烁室和新型水氡观测仪闪烁室内氡的浓度,结合式(1)、式(2)、式(3)分别计算校准系数K、K值的相对固有误差和闪烁室灵敏度。计算完毕后,用真空泵对闪烁室抽气降本底。同理,分别在标准氡室目标浓度6 000 Bq/m3和9 000 Bq/m3下对FD-125测氡仪3个闪烁室和新型水氡观测仪主、副闪烁室进行校准实验。

图2 标准氡室闪烁室循环采样示意图Fig.2 Schematic diagram of cyclic sampling in standard chamber

通过标准氡室校准,结果表明:

(1) 新型水氡仪本底≤10 cpm、重复性≤10%、K值的相对误差≤5%、K值的相对固有误差≤15%,均满足中国地震台网中心所发布《JSLT201903 测氡仪定型技术要求》技术指标;

表2 新型水氡观测仪校准结果

(2) 灵敏度不满足《JSLT201903 测氡仪定型技术要求》中灵敏度不小于90 cpm/Bq·L-1的要求。实验过程参照地震水氡观测流程静置1 h后立即测量,此时闪烁室内部的氡气及其子体的衰变情况就是一个不稳定状态,在这个不稳定的状态下所获得的校准系数K、灵敏度等指标也是不稳定的。参考闪烁室测氡法相关经验,闪烁室内氡气及其子体3 h左右达到衰变平衡状态[15]。前期,水氡测量以人工操作为主,考虑到整个过程繁琐、耗费时间长,将静置时间设置为1 h。新型水氡观测仪是针对地震行业人工模拟水氡测量专门研发的一款双通道式水氡仪,只需在测量前人工把气路连接好,后续选择自动模式并输入开始测量时间后,点“开始”即可。全部过程自动化、无需人工参与鼓泡等、自动显示主、副样水氡浓度和相对偏差,且准备工作完成后无需守在现场,办公室远程可查看测量结果。因此,若实践中使用新型水氡观测仪开展地震水氡测量,完全可以将静置时间设置为2.5～3 h,提高观测结果测稳定性,灵敏度校准结果也能反映衰变平衡状态下仪器真实灵敏度校准结果(表2)。

通过标准氡室对两款测氡仪校准并计算校准系数K值的相对固有误差结果表明:

(1) 新型水氡观测仪主、副闪烁室校准系数K均明显小于FD-125测氡仪1802#、1803#、1804#闪烁室,显示新型水氡观测仪探测效率高于FD-125测氡仪;

(2) 新型水氡观测仪主、副闪烁室相对固有误差分别为4.560%、7.692%,FD-125测氡仪1802#、1803#、1804#闪烁室相对固有误差分别为1.706%、6.464%、2.987%,新型水氡观测仪主、副闪烁室和FD-125测氡仪1803#闪烁室相对固有误差相对偏高,但整体相对固有误差水平新型水氡观测仪要高于FD-125测氡仪,显示新型水氡观测仪探测稳定性要低于FD-125测氡仪。采用相同氡气源条件下,FD125测氡仪闪烁室体积大且其结构设计能够使氡及其子体均匀分布,而体积小的新型水氡观测仪闪烁室氡气含量就少,不稳定状态下由放射性衰变统计涨落就尤为明显,相应地获得的测量计数必然会波动很大(表3)。

3 对比测量实验

两款水氡观测仪在标准氡室校准后,启用新的校准系数,在九江地震台九江2井相同水样和测试环境下开展了20次水氡对比测量,比较操作实用性和测量数据趋势。

3.1 日常操作对比

水氡日常操作的主要技术流程为仪器预热、水样采集、测本底、鼓泡、测定读数及计算等。操作过程中,新型水氡观测仪与FD-125测氡仪同时段在九江2井采样、测本底、鼓泡、测数等。其中,新型水氡观测仪采用注射器常压采样;主、副闪烁室同时自动测本底;主、副样同时常压自动鼓泡;自动测量脉冲计数、计数水样氡浓度并评价测量结果;鼓泡环节采用安全瓶替代干燥剂;气路采用免更换抗氧化硬管和气动接头。相比FD-125测氡仪,新型水氡观测仪在满足水氡日常观测流程基础上,实现了测本底、鼓泡、计数和计算的自动化、同步化,使操作过程更为便捷、实用(表4)。

3.2 观测数据对比分析

两套仪器对比测量过程选在台站实验条件相对完善的地震氡观测仪器检测平台实验室。操作过程严格按照定时、定点、定量、定人、同步进行,对两款仪器共开展20次对比观测实验。结果表明:通过标准氡室校准启用新校准系数后,两套仪器观测数据趋势变化具有一定的一致性,其中新型水氡观测仪测值普遍高于FD-125测氡仪测值(图3);校准过后,新型水氡观测仪主、副闪烁室测量数据同样具有>一定的趋势一致性,但主、副样数据相对偏差绝对值最大值8.38%,超出了《地震水文地球化学观测技术规范》中水氡背景浓度不小于111 Bq/L时,平行样测值的相对偏差绝对值不大于5%的要求[16](图4)。

4 结论与讨论

本文通过对新型水氡观测仪和FD-125测氡仪在地震监测氡观测仪检测平台标准氡室校准,依托九江台相同水样和环境下开展对比测量表明:在静置时间为1 h前提下,新型水氡观测仪重复性、相对误差、相对固有误差符合技术要求,与FD-125测氡仪对比测量数据的一致性较好,整体设计和性能基本满足地震模拟水氡测量发展需求,并在一定程度上减轻了台站模拟水氡测量实操人员工作量,降低了人工操作带来的测量误差,提升了测量效率和数据质量。但该新型水氡观测仪测量在静置1 h条件下,整体稳定性和灵敏度相对偏低,结合目前地震水氡观测流程和该仪器本身建议如下:

表3 两款测氡仪闪烁室标准氡室校准相关指标对比

表4 新型水氡观测仪与FD-125测氡仪操作比较

图3 新型水氡观测仪与FD-125测氡仪测量数据对比Fig.3 Comparison of measuring data by two radon measuring instruments

图4 新型水氡观测仪主、副样测量数据对比Fig.4 Comparison of primary and secondary sample data by the novel radon observation instrument

(1) 结合氡衰变平衡规律,建议使用该仪器开展水氡观测过程中可将静置时间调整为2.5～3 h,以更加真实反映测量结果;

(2) 进一步提升闪烁室、光电倍增管、高压阈值等探测模块技术工艺,提高设备整体稳定性;

(3) 继续优化仪器界面程序设计,减少人工设置输入内容、丰富数据信息显示量,提升用户体验便捷性、实用性;

(4) 可结合不同取样条件设计自动量化取样配件,针对部分高浓度水氡观测背景台站匹配设计自动化抽本底配件。