0 引言

水氡既具有显著的趋势性前兆异常变化，也有一定短期和临震前兆异常(张炜等，1988)。中国在20纪60年代中期开始水氡观测，是中国地震领域开展最早、最为普遍的水化学前兆观测项目，至今已积累大量观测资料，取得很好的效果。

20世纪七八十年代，中国建成第1批水氡观测点，当时运行仪器主要为上海261厂生产的FD-105(FD-105K)型静电计和北京261厂生产的FD-125型氡钍分析仪器。经过近半世纪运行，尤其FD-105(FD-105K)型静电计停产多年，观测仪器更新制约着水氡正常观测。在中国地震局监测预报司和地下流体学科组的支持下，2011—2014年度，分别引入3批次64套FD-125型氡钍分析仪，包括FD-125型氡钍分析仪器与BHC-336定标器。

水氡观测仪器包括FD-125型氡钍分析仪器与自动定标器(HW-3203型、FH-463型等)。新旧氡钍分析仪型号一致，生产厂家不同，工艺有所区别(以下对新引入的水氡仪简称新型水氡仪)。通过对3批次新型氡钍分析仪器进行出厂检测、台站产出质量监控、多次现场实验等发现，新型水氡测量仪在使用中不应按照地震水文地球化学观测技术规范选择2 V的甄别阈值，而需测试选择较低阈值，如0.7 V甚至更低。选定阈值后，用固体源进行坪曲线测量，选定合适的工作高压(工作高压普遍比旧仪器高约100—200 V)。经过近3年的实验和观测，发现在甄别阈值选定为0.7 V或更低时，测值稳定、可靠。

截至2015年12月，纳入地下流体学科管理的水氡测点共计110个，新引入仪器约占水氡观测网的60%。在更成熟的水氡测量仪器引入前，应当对目前正在观测的新型水氡仪器进行持续跟踪，密切关注测值变化。

1 闪烁法测氡仪工作原理

FD-125型氡钍分析仪与BHC-336定标器配合使用来测量地下水样中氡的含量。水氡仪测氡采用闪烁计数法，其原理是，氡原子在闪烁室中发生衰变，通过光电转换，形成脉冲电流输出负电压脉冲。每台分析器配备有5个闪烁室，经过处理的待测气体样品均存储于闪烁室。闪烁室由2个内侧涂有ZnS(Ag)粉末的铝制半球组成，当存储在闪烁室中的气体样品含有氡气时，氡气衰变产生的α粒子会轰击ZnS(Ag)粉末产生光子，生成的光子立刻被闪烁室下方的探测器(探测器内含光电倍增管和前置信号放大器)收集、放大、转换为电信号，最终输出到定标器产生计数(图 1)。

ZnS(Ag)闪烁体用于探测重离子(α粒子)，对于强度固定的放射源，在一定电压范围内，且光电倍增管输出脉冲幅度大于定标器阈值、噪声信号小于定标器阈值时，可以得到1条形状类似于计数率随高压变化的“坪”曲线，见图 2。图中，在Ⅰ区，工作高压较低，一部分输出脉冲的幅度低于阈值；在Ⅱ区，大部分脉冲幅度高于阈值，但噪声信号幅度低于阈值；在Ⅲ区，计数急速增长，实际上噪声信号已超过阈值造成计数变大。

选择合适的阈值，使得尽可能多的真实信号得到计数，同时在较高工作高压时，噪声信号幅度低于阈值信号，得到1条较为理想的坪曲线。如果阈值过低，则噪声信号将很快进入计数，坪曲线将很短很斜；或者阈值过高，则真正的信号计数率变低，随着工作高压增大，原来低于阈值的信号加入计数，同样导致坪曲线很短很斜。在地下流体水氡观测中，需要尽可能选择Ⅱ区(图 2)，保证较多观测信息通过。

2 仪器测试

在新型水氡仪供货前，需随机抽选2—3台样机进行测试。按照测氡仪器专项技能指标要求(表 1)制定测试大纲，对仪器性能和功能进行逐一测试。在首次测试中，仪器存在问题较多。之后测试，除客观条件影响的2项测试(线性偏差和测量范围)未进行外，其他均满足技术指标，并补充测试2项功能，测试结果均满足补测的技术指标。详细测试结果见表 2。综合3次测试结果(表 2)，可知首次测试仪器存在问题较多，配件不齐，随机抽选的3台仪器存在分析仪器漏光现象，且存在定标器死机、无法选择工作高压现象，严重影响水氡日常观测。第2次测试和第3次测试，由于缺少足够浓度的固体源，测量范围、线性偏差、最高计数率3个技术指标未测试，针对第1次测试时存在的分析器漏光、电压显示不一致等情况进行补测，测试结果显示均满足技术指标要求。

3 台站实验

新型水氡仪测试后发放到各观测站，进行标定和平行观测。通过测值分析，发现台站日常观测存在以下问题：① BHC-336自动测量坪曲线功能方便测坪，但测出的坪曲线坪长过短，坪斜过大，工作高压选取有一定难度，甚至需要较高的工作电压；② 个别仪器稳定性较差，极个别仪器工作状态不稳定。

针对以上问题，集合生产厂家、省地震局仪器维修中心、台站以及相关人员，在盘锦地震台、怀来地震台进行新型FD-125型氡钍分析仪实验。

3.1 盘锦地震台实验测试

(1) 盘锦地震台水氡观测。盘一井位于辽宁省盘锦市兴隆台区科技大街北，海拔标高为4.08 m，水温22.5℃，主要测项有水氡、自动气氡、水汞、水质、水气。1973年9月开始水氡观测，使用FD-105K型射气仪观测。盘一井水氡观测以来多年呈平稳动态变化，测值在16—20 Bq/L，无明显年变动态，无明显干扰源。在海城、岫岩地震前曾记录到一定异常变化。

(2) 实验。2014年1月16—18日在盘锦地震台开展现场测试工作，使用水氡仪分别测量标准源(239Pu)、氡气源、盘一井水样。在测量过程中，同时用多道谱仪对脉冲信号的幅度进行观测。

用水氡仪测量标准源，脉冲信号幅度基本均匀分布。在阈值为2.0 V时，工作高压低于600 V，脉冲信号幅度小于阈值，基本无计数；在600—900 V，信号幅度增加，随着工作高压增大，信号幅度增大，高于阈值的信号越来越多，出现很斜的“坪”；超过900 V，噪声信号超过阈值，计数陡然变大。另外，由于标准源强度较低，计数偏小，统计误差大，不容易获得稳定可靠的数据。

用水氡仪对氡气源测量时，由于氡气源强度远大于标准源，在放置1 h基本达到平衡后，做同样测量，并改变工作高压，可以得出：工作高压较低时( < 550 V)，大部分脉冲信号幅度小于1 V；工作高压较高时( > 850 V)，噪声信号幅度变大。选取阈值0.5 V，基本得到1条坪曲线。

用定标器测量坪曲线，阈值分别设为0.3 V和0.5 V，测试表明，阈值为0.3 V时，坪更为平滑，但电压升高后，计数增长更快。而在阈值0.5 V时，前段更斜一些，说明部分低幅度信号未计数。对该台设备选取工作高压为550—580 V，阈值为0.3 V，测量结果较好。

用盘一井水样进行测量，得到脉冲信号幅度分布在0.5—3.5 V和满度值(6 V)。全谱计数率约3.8 cps。而定标器阈值如果放在2.0 V，实际测量值约2.5 cps。大部分低于阈值的样品脉冲未能进入计数，导致测值偏低。

3.2 怀来地震台实验测试

(1) 怀来地震台水氡观测。怀来4井为温泉区高温热水自流井，于1970年成井，含水层为太古界片麻岩，井深500.3 m，井孔内套管下至井底，井孔热水来自基岩破碎带，含有大量自由气，水氡含量为4.5—5.5 Bq·L^-1，水温高达86℃—89℃。1972年1月开始水氡、水汞和氢气观测，积累了大量观测资料。怀4井水氡观测采用FD-105K型射气仪，水氡、水汞观测资料在华北北部几次中强地震中有较好的映震效果。

(2) 实验。2014年10月15—20日，在怀来地震台对13套新型FD-1125型氡钍分析仪进行稳定性测试，每套仪器随机选择2个闪烁室(编号分别为闪烁室a和闪烁室b)，均进行27 h(每9 h为1组数据)连续水样、氡气源气体测试。比较2个闪烁室每组测得的水样、气样的相对偏差是否小于10%，小于10%则认为水氡仪稳定性可靠。测试结果见表 3。

对13套新型水氡仪进行连续1 404 h的测试，阈值设定为0.5—0.7 V，对每组仪器的2个闪烁室a和b进行测试，可见，78组相对标准偏差测试结果均小于10%。在对闪烁室a进行气样测试时，在39组测试中，有9组相对标准偏差大于10%，推测原因为：① 在气样测试时，氡气浓度较高，测值较大；② 在每次测试时，均首先对编号为a的闪烁室进行气样测试，仪器存在预热时间不充足的情况。实验表明，当阈值设定为0.7 V甚至更低时，水氡仪器运行较为稳定，测值较为可靠。

3.3 新旧水氡仪测值对比

新型水氡观测仪布设到地震台站后，均需与旧仪器进行3个月的平行观测。如果2套水氡仪观测数据变化趋势一致，则用新仪器替换旧仪器。对新水氡仪观测数据持续跟踪，发现资料连续、可靠，可见观测仪器运行良好。某地震台新型FD-125型氡钍分析仪与FD-105K测值对比曲线见图 3，可见2套水氡观测仪在9个多月的平行观测中，观测数据变化趋势一致。

4 结论

(1) 通过出厂测试及现场实验测试，新型FD-125型氡钍分析仪在观测中需注意，务必试验选择合适的定标器阈值，如0.7 V甚至更低。阈值选择太高，会限制样品部分有用信号，使得样品的氡气测值偏低；阈值太低，会使放大器噪声部分信号参与样品计数，导致样品测值偏高。阈值选定后，可以用固体源进行坪曲线测量，选定合适的工作高压。在日常维护中应特别注意避光操作。

(2) 水氡操作的主要技术流程为水样采集、测本底、脱气、测定读数及计算等。台站的水氡观测目前仍为人工操作，需严格按照地震水文地球化学观测技术规范操作。每天必须定时、定量采样，以保证采取的水样能真实反映地下水中氡的客观变化。规范中规定，FD-125型氡钍分析器操作步骤要求甄别阈值调至2 V位置(中国地震局，2010)，而实际使用新型测氡仪器时，首先需进行阈值的条件实验测试(不论哪种定标器型号)，重新设定阈值。

(3) 水氡观测是中国地下流体水化学观测的重要项目，在地震短临异常中震例丰富。水氡观测仪器老化严重，FD-125型氡钍分析仪是20世纪引入地震系统的成熟仪器，在地下流体水氡观测中发挥了重大作用。在新批次仪器引入地下流体水氡观测时，即使是成熟的同型号仪器也应进行严格的出厂测试，如果有条件，建议对每台仪器进行测试。新型水氡仪在地震台站3个月试运行期间，应密切关注测值变化，积极开展台站现场实验，让新仪器尽快发挥效能。

在新型水氡仪测试及地震台站实验中得到孔令昌研究员多方帮助，特此致谢。