夏县台AlphaGUARD测氡仪与FD-125水氡仪对比观测试验

姚林鹏，樊春燕，薛 亮，李 民，李晓锐，刘国俊，穆慧敏

(1.山西省地震局运城地震监测中心站,山西 夏县 044400；2.中国地震台网中心，北京 100045；3.山西省地震局，山西 太原 030021；4.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站,山西 太原 030025)

0 引言

氡是地下流体观测研究中映震能力较敏感的组分，是地震地下流体科学研究中观测时间长、得到广泛研究的地下流体测项之一[1]。长期的观测结果表明，氡等流体的地球化学组分存在显著的震前异常变化与震后效应[2-3]。连续测量地下水中氡含量的变化，有益于捕捉到地震孕育与发生的信息[4]。

夏县地震台(以下简称夏县台)水氡观测始于1984年，使用FD-125测氡仪进行水氡日常观测，观测质量较好，为山西南部及周边地震趋势分析提供参考数据。近几年，因固体氡源运输过程的不便及严格的放射性监管要求，对FD-125测氡仪的校准工作、水氡观测资料的可靠性均造成一定影响。为此，夏县台引进AlphaGUARD测氡仪。研究表明，用AlphaGUARD P2000测氡仪作为计量标准器开展无源量值传递实验，已在一些站点取得较好效果并在小范围内广泛应用[5]。有研究者以该测氡仪作为标准仪器，对地震系统SD-3A测氡仪和新入网的BG2015R测氡仪进行氡值响应和断电恢复实验,取得较好结果[6]；也有研究者采用水中溶解氡加标准仪器的校准技术代替氡气固体源校准的方法，基本确定了开展标准仪器校准所需条件[7]。

该文使用AlphaGUARD测氡仪对夏县台热水井水氡浓度进行观测试验，通过与FD-125测氡仪观测结果进行对比，判定AlphaGUARD测氡仪用于水氡校测工作的可行性。

1 AlphaGUARD测氡仪性能及观测方法

1.1 仪器性能简介[6]

AlphaGUARD P2000F测氡仪是一款便携式仪器，可持续测量氡及氡子体浓度、γ剂量率和工作环境参数。基于成熟的脉冲电离室原理，对氡元素有高探测效率；长期使用时免于维护，在高空气湿度条件下，数据传输可靠，不会受到震动冲击的影响。AlphaGUARD P2000F具有实时全天测量氡浓度的功能，内部集成气压、相对湿度及温度传感器，使用DateEXPERT软件存储和分析测量数据，是国际上公认的氡标准参照仪器(见表1)。

表1 AlphaGUARD测氡仪主要技术指标Table 1 Main technical indexes of AlphaGUARD radon detector

1.2 AlphaGUARD测氡仪观测原理及方法

AlphaGUARD测氡仪的水氡观测在常压下进行，FD-125水氡仪属负压测量；其使用原装AlphaGUARD 500 ml测量瓶，采用恒流泵封闭抽气循环方式，在常压下脱出水中氡气并鼓入仪器内部电离室进行观测。实验观测连接方式如图1所示，水中氡气自排气瓶中脱出，流经防水安全瓶后，通过恒流泵鼓入测氡仪电离室，然后再次循环，整个气路保持封闭。

图1 AlphaGUARD测氡仪实验连接方式示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental connection mode of AlphaGUARD radon detector

观测时，首先打开AlphaGUARD测氡仪预热30 min，待仪器本底值降到100 (Bq/m3)以下时，取500 mL待测水样与排气瓶中，恒流泵以1.0 (L/min)流速打开进行脱气，脱气10 min后，将恒流泵停止运行，使用止水夹夹紧测氡仪的进气端与出气端。测氡仪10 min一个读数，读取停泵后的10个测值进行分析。

2 观测结果分析

2.1 测值结果误差分析

AlphaGUARD测氡仪的测量结果需进行气压与温度校正[7]，该仪器自带温度与气压测量结果，因此，测氡仪脉冲电离室气压与温度校正工作使用的是厂家提供的计算程序。采用前述AlphaGUARD测氡仪观测方法对夏县热水井水氡进行观测，表2和第8页图2为3次测量的校正结果及误差。可以看出，AlphaGUARD测氡仪观测值较平稳，标准差占均值比例较小，超过一倍标准差数据个数较少。若在浓度计算中去除超过标准差后的数据再平均，其结果更可靠。

图2 AlphaGUARD测氡仪实验测值误差Fig.2 Experimental measurement error of AlphaGUARD radon detector

表2 AlphaGUARD测氡仪3次实验测量校正值Table 2 Correction value of three experimental measurements of AlphaGUARD radon detector

2.2 水氡浓度计算方法及结果

AlphaGUARD测氡仪经过校正后的测值平均结果代表整个测量气路的氡气浓度Cair，进行浓度换算，得到水氡浓度Cwater。已知气路氡浓度Cair，气路体积V(1 967 mL，其中AlphaGUARD测氡仪680 mL+Alpha恒流泵18 mL+AlphaKIT自带管路33 mL+500 mL鼓泡瓶618 mL+500 mL安全瓶618 mL)和水样体积Vwater，则：

.

式中：e-γt为氡衰变函数值。通过该公式计算夏县台30组水氡测值(见第8页图3)。可以看出，AlphaGUARD测氡仪水氡计算结果在23.3～27.0 (Bq/L)之间变化，相对中值变化率为7.4%，与夏县台水氡长期观测的波动值相当(10%左右)，数据较稳定。故具备与同期FD-125水氡仪的测值进行对比的可行性。

2.3 两套仪器测值对比分析

将AlphaGUARD测氡仪测量结果换算成水氡值后的30组测值，与同一天FD-125水氡仪的测值进行对比(见图3)。结果表明，AlphaGUARD测氡仪测量结果均值为25.3 (Bq/L),FD-125水氡仪的均值为24.7 (Bq/L)。两种仪器测值较接近，均在23～27 (Bq/L)之间，相对偏差较小，平均为2.1%。AlphaGUARD测氡仪测值整体较FD-125的高，差值波动范围为-0.9～1.7 (Bq/L)，从以下四方面进行分析。

图3 AlphaGUARD与FD-125测氡仪测值Fig.3 AlphaGUARD and FD-125 radon detector measured values

(1) 两种测氡仪的溯源不同。夏县台FD-125水氡仪使用RN-150固体氡气源进行标定，该氡源已超过其刻度期；AlphaGUARD测氡仪由江西省地震氡观测仪检测平台定期检测与更新参数，能保证其刻度的准确性。

(2) 标定线性差异。FD-125水氡仪使用活度为10 Bq的固体氡气源标定得到校准系数K值，目前，无相关试验证明各个活度所测校准系数K值是线性关系，因活度的差异，可能造成FD-125水氡仪测值发生偏移[8]；AlphaGUARD测氡仪在观测系统内氡体积活度>1 000 (Bq/m3)时，线性关系稳定。

(3) 取样及鼓泡方式的差异。两种仪器测量氡值的过程中，FD-125使用负压取样及鼓泡；AlphaGUARD测氡仪使用常压取样及鼓泡，可能会造成测值的差异及波动。

(4) 系统误差。FD-125水氡仪每日主副样差值在8%左右波动，AlphaGUARD测氡仪测值稳定。

3 结论与讨论

通过对夏县台两套水氡观测仪的对比试验，可得出如下结论与建议：

(1) 使用AlphaGUARD测氡仪观测水氡，测值较平稳，超标个数较少，操作使用简单。

(2) 两种测氡仪测值接近，具有相似的动态变化。AlphaGUARD测氡仪具备替代FD-125水氡仪观测及对其进行标定的条件。

(3) 两种仪器的测值差异，主要与标定溯源、标定线性、取样及鼓泡方式和系统误差有关。

(4) 限于试验条件，此次使用一台AlphaGUARD测氡仪，结果有一定的局限性。因固体氡源使用不便，无法进行AlphaGUARD测氡仪对固体氡源的刻度比较，建议后续研究时开展AlphaGUARD测氡仪对FD-125水氡仪的标定。

感谢山西省地震局范雪芳高级工程师为此次试验提供的指导与帮助！