汕頭地震臺氡固體標(biāo)準(zhǔn)源優(yōu)化改造方案

柯 璟， 柯玉龍

(汕頭地震臺， 廣東 汕頭 515063）

0 前言

氡是放射性元素鐳衰變后的產(chǎn)物， 地表含量極少， 一般集中在地下深處。 地震的孕育與發(fā)生過程中， 地殼介質(zhì)出現(xiàn)復(fù)雜的物理、 化學(xué)變化， 會使地下水中氡的逸出條件產(chǎn)生變化， 從而使地下水中氡的含量出現(xiàn)突然減少或升高的現(xiàn)象。 地下水中氡含量的急劇變化說明地殼內(nèi)部應(yīng)力環(huán)境出現(xiàn)變化， 其含量的突然變化可以用來預(yù)測地震， 因此， 全國大多數(shù)地震臺將水氡（氣氡）觀測作為地震前兆觀測的主要手段之一[1]。

1 測氡儀器標(biāo)定用固體標(biāo)準(zhǔn)源的工作原理

為了獲得準(zhǔn)確可靠的觀測數(shù)據(jù)資料， 定期對測氡儀器進(jìn)行標(biāo)定， 保證測氡儀器的準(zhǔn)確性、 可靠性和穩(wěn)定性是十分必要的。

測氡儀器的標(biāo)定， 就是在正常工作環(huán)境條件下， 用一已知氡含量的標(biāo)準(zhǔn)鐳源， 按測定樣品的相同方法和操作步驟進(jìn)行測量， 由此求得換算系數(shù)K 值， 作為測試計算未知樣品中氡濃度的衡量標(biāo)準(zhǔn)。 K 值的表達(dá)式為：

（1）式中： A 為標(biāo)準(zhǔn)氡氣固體源的分配活度值， 單位： 貝可； I 為標(biāo)定電離電流讀數(shù)， 單位： 格/min； I0為本底電離電流； N 為每分鐘的脈沖計數(shù)值， 單位： 脈沖/min； N0為本底脈沖計數(shù)值。

（1）式表明， 儀器K 值就是測氡儀器在一分鐘測得讀數(shù)格或脈沖值所相當(dāng)?shù)碾绷俊?K值的準(zhǔn)確性和真實性主要取決于氡量的標(biāo)準(zhǔn)性和穩(wěn)定性。 氡氣固體標(biāo)準(zhǔn)源中的大儲氣罐底部特制鉛盒內(nèi)裝有固體放射性鐳源（226Ra）， 該鐳源不斷衰變產(chǎn)生氡氣， 在10~12個氡的半衰期（3.825 d）后， 達(dá)到放射性平衡（即1-e-μ≈1）狀態(tài)， 氡氣的量保持不變。 使用氡氣固體標(biāo)準(zhǔn)源時， 用標(biāo)準(zhǔn)體積的定值分配器量取儲氣罐中氡氣總量的約0.1%， 送入測氡儀器進(jìn)行測量。 由于鐳源的活度、 衰變速率和體積都是確定的， 所以每次吸取的氡氣的量也是已知的[2]。

圖1 固體標(biāo)準(zhǔn)源改造前標(biāo)定過程流程圖Fig.1 Flow chart of the calibration process of solid standard source before reconstruction

汕頭地震臺自1987年正式投入水氡觀測至今， 一直使用的是FD-105（K）型測氡儀。 從多年來的觀測資料看， 該測項對汕頭臺附近中等地震及臺灣強(qiáng)震有一定的映震能力（圖2）①葉秀薇， 楊馬陵， 葉東華， 等. 廣東汕頭東山湖水氡異常落實報告， 2010.。

圖2 汕頭東山湖水氡日值曲線Fig.2 Daily-value curve of water radon in Shantou Dongshan lake

2 汕頭地震臺固體標(biāo)準(zhǔn)源的使用情況

2．1 改造前固體標(biāo)準(zhǔn)源的使用情況

汕頭地震臺標(biāo)定測氡儀器起初采用的標(biāo)準(zhǔn)源是液體鐳源， 1990～2011年使用固體標(biāo)準(zhǔn)源標(biāo)定。 2010年汕頭臺使用的固體標(biāo)準(zhǔn)源出現(xiàn)問題， 因汕頭臺和新豐江臺的固體標(biāo)準(zhǔn)源均無法使用， 所以廣東省的三個專業(yè)臺（汕頭臺、 新豐江臺和信宜臺）只能共用一個固體標(biāo)準(zhǔn)源。 由于這三個專業(yè)臺相距較遠(yuǎn)， 造成部分臺站無法在規(guī)范規(guī)定的時間段內(nèi)完成儀器標(biāo)定， 而且在長距離的運送過程中難免會對固體標(biāo)準(zhǔn)源造成震動以致影響其配件之間的連接緊密性， 極大影響廣東省三個專業(yè)臺的測氡儀器的標(biāo)定工作。 2011年8月， 學(xué)科組對廣東省的問題固體標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行改造， 具體是利用固體鐳源， 更換較大的金屬外殼， 整體密封，僅留進(jìn)出氣兩根管子（另兩根備用管子）如圖3。

固體標(biāo)準(zhǔn)源完成改造后， 汕頭臺于2012年2月開始使用改造后的固體標(biāo)準(zhǔn)源對測氡儀進(jìn)行試標(biāo)定， 并對標(biāo)定環(huán)節(jié)進(jìn)行完善改進(jìn)， 使標(biāo)定過程更加合理， 操作更簡單， 標(biāo)定結(jié)果有較高的準(zhǔn)確度和精密度。

2．2 改造后固體標(biāo)準(zhǔn)源的使用情況及優(yōu)化改造方案

結(jié)合中國地震局監(jiān)測預(yù)報司臺網(wǎng)改造項目驗收工作的安排， 汕頭臺于2012-02-01 ～2012-03-15 開 展FD-125 (FD-125+BHC336 定標(biāo)器) 與FD-105（K）對比觀測工作。 2012-02-01～2012-02-03 使用改造后的固體標(biāo)準(zhǔn)源對3個新的閃爍室（編號為01#、 02# 和03#）在FD-125 (FD-125+BHC336 定標(biāo)器) 進(jìn)行K 值標(biāo)定， 標(biāo)定方法如圖4。

按圖4 標(biāo)識， 在開始連接各接口時，先連接固體標(biāo)準(zhǔn)源氣泵出氣口-氡氣進(jìn)氣口、 氣泵進(jìn)氣口-閃爍室， 打開氡氣進(jìn)氣口的閥門， 然后連接氡氣出氣口-閃爍室并打開氡氣出氣口的閥門， 接通啟動氣泵30 min， 使閃爍室里的空氣與固體標(biāo)準(zhǔn)源容器里的氡氣充分混合均勻。 30 min 后關(guān)閉氣泵電源、 關(guān)閉固體標(biāo)準(zhǔn)源的進(jìn)、 出氣閥門，將閃爍室進(jìn)、 出氣口用止血鉗夾緊， 這樣，就完成了一個閃爍室取源的步驟。 以止血鉗夾緊閃爍室進(jìn)出氣膠管的時間作為吸源開始時間， 靜置1 h 后， 開始讀數(shù)， 并計算K 值。

本標(biāo)定法氡氣標(biāo)稱活度計算：

（1）汕頭臺原固體標(biāo)準(zhǔn)源參數(shù)

鐳源放射性強(qiáng)度23.99 kBq； 氡氣標(biāo)稱分配活度22.9 Bq。

圖3 改造后固體標(biāo)準(zhǔn)源俯視圖Fig.3 Planform of solid standard source after reconstruction

圖4 固體標(biāo)準(zhǔn)源改造后標(biāo)定過程流程圖Fig.4 Flow chart of the calibration process of solid standard source after reconstruction

（2）改造后固體源參數(shù)

鐳源放射性強(qiáng)度23.99 kBq； 封裝體積119 200 mL； 每次額定分配計量取樣體積500 mL； 對應(yīng)氡氣標(biāo)稱分配活度=23.99 k÷119 200×500=100.6 Bq。

標(biāo)定結(jié)果各次標(biāo)定相對誤差過大是因為上述的標(biāo)定操作方法氡氣標(biāo)稱活度太大（額定分配計量取樣體積太大）， 每次標(biāo)定都造成固體標(biāo)準(zhǔn)源氡氣濃度的下降， 因此必須逐次對標(biāo)稱活度進(jìn)行校正， 當(dāng)天多次標(biāo)定后， 第二天再次標(biāo)定儀器時要根據(jù)前一天最后一次取源后的氡氣飽和度及取源時間， 用氡氣積累函數(shù)對固體源的氡氣飽和度進(jìn)行校正。

根據(jù)固體標(biāo)準(zhǔn)源體積119.2 L， 取源體積0.500 L， n 次取源的標(biāo)稱活度值應(yīng)為100.6×(99.58%) n。

表1 FD-125 型測氡儀各次標(biāo)定結(jié)果Table 1 Results of calibration of FD-125

表2 FD-125 型測氡儀各次標(biāo)定（校正后）結(jié)果Table 2 Results of calibration of FD-125 model radon measurement instrument after correction

從校正后標(biāo)定結(jié)果看， 各次標(biāo)定相對誤差都小于±3%， 說明上述標(biāo)定方法應(yīng)用于FD-125 測氡儀標(biāo)定的重復(fù)性、 精度， 是符合要求的。 但本標(biāo)定法存在的問題是， 每次取源體積太大， 造成要逐次對氡氣標(biāo)稱活度進(jìn)行計算， 且計算過程繁瑣， 容易出錯， 而且閃爍室進(jìn)樣方式和日常觀測時的進(jìn)樣方式不一致， 即本標(biāo)定法的氡氣在閃爍室中分布是均勻的， 而日常觀測時樣品是負(fù)壓吸入， 由于閃爍室內(nèi)部被交叉隔板隔成四個小室， 樣品在閃爍室內(nèi)部的分布是不均勻的， 所以， 標(biāo)定的K 值不一定能表示實際觀測的K 值。

2．3 對標(biāo)定過程中取源方式的優(yōu)化改進(jìn)

考慮到上述標(biāo)定方法的缺點（即進(jìn)樣方式和日常觀測時的進(jìn)樣方式不一致）， 況且汕頭臺現(xiàn)在正式使用的觀測儀器仍是FD-105（K）型測氡儀， 該儀器根本無法應(yīng)用上述標(biāo)定方法標(biāo)定。 如果用上述方法標(biāo)定， 即使采用50 格讀數(shù)， 讀數(shù)時間也不足5 s， 上述條件根本無法測量， 為此， 本臺采用了另外一種取源方法， 即使用自制的定值分配器取樣裝置對FD-105（K）型測氡儀進(jìn)行標(biāo)定。

汕頭臺設(shè)計組裝的定值分配器取樣裝置如圖5、 6， 定值分配器通過四個連接口與外界聯(lián)通， 依次順序分別為A 端、 B 端、 A1 端、 B1 端， 分別由兩個雙向開關(guān)控制A-A1 端及B-B1 端打開與閉合。 當(dāng)兩個開關(guān)同時撥到左側(cè)（即A-A1 端）時則A-A1 端閥門打開， 使分配器內(nèi)部通過A-A1 端與外界聯(lián)通， 相應(yīng)的B-B1 端的閥門閉合； 當(dāng)兩個開關(guān)同時撥到右側(cè)（即B-B1 端）時則B-B1 端閥門打開， 使分配器內(nèi)部通過B-B1 端與外界聯(lián)通， 相應(yīng)的A-A1 端的閥門閉合。

改造后固體標(biāo)準(zhǔn)源參數(shù)： 鐳源放射性強(qiáng)度23.99 kBq； 封裝體積119 200 mL； 每次額定分配計量取樣體積100 mL； 對應(yīng)氡氣標(biāo)稱分配活度=23.99 k÷119 200×100=20.1 Bq。

圖5 取源定值分配器實物圖Fig.5 Physical diagram of taking source fixed value distributor

圖6 取源定值分配器示意圖Fig.6 Sketch map of taking source fixed value distributor

采用此定值分配器取樣裝置， 對FD-105（K）型測氡儀進(jìn)行標(biāo)定。

步驟1（如圖7）： 定值取源。 將定值分配器的雙向開關(guān)手柄撥到B-B1 端； 進(jìn)、 出氣口B-B1 的B 端連接固體標(biāo)準(zhǔn)源氣泵的進(jìn)氣口， 氣泵的出氣口與固體標(biāo)準(zhǔn)源的氡標(biāo)準(zhǔn)氣進(jìn)氣口連接， 并打開氡標(biāo)準(zhǔn)氣進(jìn)氣口的閥門； 然后將固體源的氡標(biāo)準(zhǔn)氣出氣口與定值分配器的B1端連接， 并打開氡標(biāo)準(zhǔn)氣出氣口的閥門； 接通固體標(biāo)準(zhǔn)源電源啟動氣泵， 讓定值分配器里的空氣和固體標(biāo)準(zhǔn)源里的氡標(biāo)準(zhǔn)氣充分混合均勻。

步驟2（如圖8）： 將定值分配器里的氡標(biāo)準(zhǔn)氣轉(zhuǎn)移到電離室（閃爍室）。 30 min 后（第二次起， 取源混合時間10 min 即可）， 定值分配器的空氣和固體源里的氡標(biāo)準(zhǔn)氣混合均勻，斷開固體標(biāo)準(zhǔn)源電源關(guān)閉氣泵， 關(guān)閉固體標(biāo)準(zhǔn)源氡標(biāo)準(zhǔn)氣的進(jìn)、 出口閥門， 把定值分配器的雙向開關(guān)手柄撥到A-A1 方向。 將定值分配器A 端連接到已抽真空完畢的電離室（閃爍室）上， 取下連接A 端-閃爍室（電離室）的膠管上的止血鉗， 讓取源定值分配器中的氡標(biāo)準(zhǔn)氣隨空氣一道吸入進(jìn)電離室（閃爍室）內(nèi)。 靜置1 h 后， 進(jìn)行讀數(shù)并計算K 值。 用本標(biāo)定法的標(biāo)定結(jié)果如下表3、 4。 從標(biāo)定結(jié)果看， 用本標(biāo)定方案對儀器標(biāo)定， 標(biāo)定結(jié)果有較高精度。

圖7 定值取源Fig.7 Fixed value taking source

圖8 轉(zhuǎn)移混合氡氣Fig.8 Radon standard gas transition

表3 FD-105(K)型測氡儀各次標(biāo)定結(jié)果Table 3 Results of calibration of FD-105(K) model radon measurement instrument

3 氣象因素對標(biāo)定結(jié)果影響的討論

3．1 室溫對標(biāo)定結(jié)果的影響

表4 FD-125 型測氡儀各次標(biāo)定結(jié)果Table 4 Results of calibration of FD-125 model radon measurement instrument

室溫對標(biāo)定結(jié)果的影響可理解為室溫對氡氣標(biāo)稱分配活度的影響， 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT， 定值分配器吸取氡標(biāo)準(zhǔn)氣體積為固定值， 定值分配器所吸取氡標(biāo)準(zhǔn)氣的摩爾數(shù)和室溫值成反比， 當(dāng)觀測室室溫每相差10℃（規(guī)范要求南方觀測室室溫變化控制在20℃~30℃范圍以內(nèi)[3]）， 定值分配器從固體標(biāo)準(zhǔn)源吸取的氡標(biāo)準(zhǔn)氣摩爾數(shù)將相差約3.4%， 但是定值分配器從固體標(biāo)準(zhǔn)源吸取的氡標(biāo)準(zhǔn)氣體積占固體標(biāo)準(zhǔn)源內(nèi)氡標(biāo)準(zhǔn)氣體積卻是固定的， 因而取源結(jié)果的氡氣標(biāo)稱分配活度是固定的， 即室溫變化對標(biāo)定結(jié)果沒有影響。 試驗結(jié)果也支持這一結(jié)論。

表5 中， 將固體氡源放置在-10℃~+30℃環(huán)境中（相對濕度為10%~20%）， 分別用閃爍法和電離法進(jìn)行標(biāo)定試驗， 其試驗結(jié)果表明： 標(biāo)定出的K 值不受環(huán)境溫度變化的影響[2]。

表5 用改造前固體源標(biāo)定環(huán)境溫度變化試驗結(jié)果Table 5 Test results of calibration of the change of environment temperature by applying the solid source before reconstruction

3．2 氣壓對標(biāo)定結(jié)果的影響

氣壓對標(biāo)定結(jié)果的影響可理解為氣壓對氡氣標(biāo)稱分配活度的影響， 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT， 定值分配器吸取氡標(biāo)準(zhǔn)氣體積為固定值， 定值分配器所吸取氡標(biāo)準(zhǔn)氣的摩爾數(shù)和氣壓值成正比， 大氣壓力每相差30 hPa（汕頭當(dāng)?shù)氐哪隁鈮涸? 000~1 030 hPa 的范圍）， 定值分配器從固體標(biāo)準(zhǔn)源吸取的氡標(biāo)準(zhǔn)氣摩爾數(shù)將相差約3%， 但是定值分配器從固體標(biāo)準(zhǔn)源吸取的氡標(biāo)準(zhǔn)氣體積占固體標(biāo)準(zhǔn)源內(nèi)氡標(biāo)準(zhǔn)氣體積卻是固定的， 因而取源結(jié)果的氡氣標(biāo)稱分配活度是固定的， 即氣壓變化對標(biāo)定結(jié)果沒有影響。

4 改造前后固體標(biāo)準(zhǔn)源的優(yōu)缺點

4．1 改造前固體標(biāo)準(zhǔn)源的優(yōu)缺點

4．1．1 改造前氡氣固體標(biāo)準(zhǔn)源的優(yōu)點

（1）標(biāo)定的K 值精度高， 多次重復(fù)標(biāo)定相對誤差小。

（2）標(biāo)定時間周期短， 效率高， 由于固體源不需要封存積累， 隨時都可以吸源標(biāo)定，單次標(biāo)定可縮短24 h， 所以一臺儀器一天可重復(fù)標(biāo)定二次。

（3）操作簡便、 易于掌握， 不受人為操作和溫度、 濕度環(huán)境條件的影響。

（4）使用壽命長（理論上一個固體標(biāo)準(zhǔn)源裝置可以用數(shù)百年）、 對操作人員絕對安全，可實現(xiàn)無污染標(biāo)定， 并可應(yīng)用于不同類型的測氡儀器的標(biāo)定。

4．1．2 改造前氡氣固體標(biāo)準(zhǔn)源的缺點

（1）抽真空程度對標(biāo)定結(jié)果有直接影響。 電離室（閃爍室）吸源的多少， 直接受抽真空程度影響， 而抽真空程度受真空泵狀態(tài)、 抽真空時間長短的影響，（廣東省內(nèi)臺站幾乎沒有使用水銀氣壓計對抽真空程度進(jìn)行測定， 所以無法保證每一次的抽真空程度是一致的。）為了保證標(biāo)定效果， 必須嚴(yán)格保證真空設(shè)備處于最佳狀態(tài)， 同時盡量控制較長的抽真空時長， 做好每一個操作步驟， 在固體標(biāo)準(zhǔn)源密封性有保證的情況下， 吸取的氡標(biāo)準(zhǔn)氣量才會一致， 測定的結(jié)果才可靠， 才有可比性。

（2）定值分配器密封性能對標(biāo)定結(jié)果的影響。 理論上固體標(biāo)準(zhǔn)源可使用數(shù)百年而不影響其活度， 但與之相配套的關(guān)鍵部分——定值分配器卻會隨著使用時間的增加而導(dǎo)致其密封性降低， 使定值分配器的氡標(biāo)準(zhǔn)氣轉(zhuǎn)移量不準(zhǔn)確， 造成氡氣標(biāo)稱分配活度不準(zhǔn)確， 以致儀器標(biāo)定結(jié)果不準(zhǔn)確造成固體標(biāo)準(zhǔn)源無法繼續(xù)使用（因原來固體標(biāo)準(zhǔn)源定值分配器密封在固體源里面， 無法單獨修復(fù)）。

造成定值分配器密封性能下降的主要原因是：

（1）定值分配器接口過多， 使用時間過長造成接口配件老化。

（2）標(biāo)定過程需要負(fù)壓取樣（類似擴(kuò)散瓶原理）： 負(fù)壓、 常壓交替， 定值分配器反復(fù)受力（因為有一個大氣壓的壓力差）， 長期使用也會導(dǎo)致接口密封質(zhì)量下降， 全國多個臺站固體標(biāo)準(zhǔn)源因此出現(xiàn)類似問題。

4．2 改造后固體標(biāo)準(zhǔn)源的特點

改造后固體標(biāo)準(zhǔn)源不僅保留了原固體標(biāo)準(zhǔn)源的優(yōu)點， 同時也克服了原固體標(biāo)準(zhǔn)源標(biāo)定時受真空度影響以及定值分配器出問題時無法標(biāo)定的不足。

因標(biāo)定過程是常壓取源， 取源效果不受抽真空程度的影響。 汕頭臺自制的定值分配器密封性有保障（改造后固體標(biāo)準(zhǔn)源內(nèi)不再包含定值分配器）， 可以保證每一次取樣體積的一致性。 原理上標(biāo)定過程對電離室（閃爍室）的真空度沒有特別高的要求， 只要足夠把定值分配器里的氡標(biāo)準(zhǔn)氣完全吸入電離室（閃爍室）就能保證標(biāo)定的精度。 因定值分配器是獨立單元， 即使定值分配器有所損壞， 也可單獨更換而不影響標(biāo)定工作。

5 結(jié)論

用汕頭臺設(shè)計組裝的定值分配器取樣裝置對FD-105（K）型測氡儀、 FD-125 型測氡儀標(biāo)定的結(jié)果來看， 每臺FD-105（K）型測氡儀及FD-125 型測氡儀各個閃爍室各次標(biāo)定偏差均小于±3%， 符合規(guī)范要求。 說明對固體標(biāo)準(zhǔn)源的改造及氡氣定值分配器的制作、 使用是很成功的。

通過對固體標(biāo)準(zhǔn)源的改造使用， 解決了兩年來汕頭臺因固體標(biāo)準(zhǔn)源故障造成的測氡儀器標(biāo)定不及時的問題。 改造后的固體標(biāo)準(zhǔn)源在使用效果上不僅保留了原固體標(biāo)準(zhǔn)源的優(yōu)點，同時也克服了原固體標(biāo)準(zhǔn)源標(biāo)定儀器過程中的諸多不足。 而且我們在固體標(biāo)準(zhǔn)源改造-試用-完善過程中加深了對固體標(biāo)準(zhǔn)源標(biāo)定使用的認(rèn)識， 對今后水氡儀器的標(biāo)定及水氡觀測工作將起積極作用。

[1] 張煒， 王吉易， 鄂秀滿， 等. 水文地球化學(xué)預(yù)報地震的原理與方法[M]. 北京： 科學(xué)教育出版社， 1988.

[2] 李正蒙. 測氡儀器固體源標(biāo)定法[J]. 地震， 1986， 5： 42-49.

[3] 國家地震局編制， 地震水文地球化學(xué)觀測技術(shù)規(guī)范[M]. 北京： 地震出版社， 1985.