0 引言

在天然放射性元素中，氡（Rn）是铀（²³⁸U）系、锕（²³⁵Ac）系与钍（²³²Th）系中镭的衰变产物，氡及其子体在衰变过程中不断释放α粒子（射线），α粒子（射线）是高速运动带正电的氦核，能将空气电离，形成正负电子。探测α粒子（射线）一般采用ZnS（Ag）闪烁体，ZnS（Ag）发光光谱为400—600 nm，只对α粒子发光效率高，对β、γ粒子及中子等不灵敏（段鸿杰等，1999；张昱等，2010；李朝明等，2012；冯延强等，2015；李金凤等，2016）。利用FD-125型室内氡钍分析器ZnS（Ag）闪烁室脉冲计数法进行水氡观测，就是将水样中的氡气经真空扩散瓶脱气鼓入闪烁室，氡衰变体产生的α粒子冲击闪烁室内壁的ZnS（Ag）闪烁体，激发出光子，经光电倍增管转换为电子脉冲，根据在单位时间内的脉冲计数计算水氡浓度。中国在20世纪60年代中期开展水氡观测，多次实震证明，水氡是映震效能较强的地下流体测项（中国地震局监测预报司，2007；李朝明等，2011）。

放射性核素分析测量的仪器设备一般需要进行一系列测试，用于选取一些适用参数，根据参数将仪器设备设置到最稳定的工作状态，有利于得到准确可靠的数据。FD-125型氡钍分析器需要选定的参数有工作高压和甄别阈值电压。采用光电倍增管构成的闪烁脉冲探测器，均有一个重要特征：当其他工作条件不变（前置放大器放大倍数和定标器甄别阈值均固定）时，用已知含量的固体α检查源，改变光电倍增管的工作高压，得到计数率与高压的关系曲线，在某一高压范围内计数率相对稳定，该“稳定”的高压区称为“坪区”，用于选择观测的工作高压值（坪中间的值），该曲线称为高压“坪”曲线。同样，工作高压不变，改变甄别阈值电压来确定阈值电压。在FD-125水氡观测中，无论是安装仪器或更换主要部件，还是使用过程中定期检查，为了保证观测数据的准确性，均需要使用已知含量的²³⁹Pu标准固体α检查源对仪器工作高压和甄别阈值进行检查，以保证观测数据准确、可靠。

球形闪烁室内十字隔板上黏贴的一块片状²³⁹Pu的α源即为²³⁹Pu标准固体α检查源，钚（Pu）的原子序数为94，半衰期长达24 100年，可以认为单位时间内α放射强度是相对稳定的，可根据α检查源测量出的计数率值来判定闪烁探头或整机是否处于正常或最佳工作状态。由此可见，标准固体α检查源在FD-125型室内氡钍分析器闪烁室脉冲计数法水氡观测中的重要作用，是水氡观测质量的有效保证。

1 观测实验

在FD-125型室内氡钍分析器水氡观测工作中，固体闪烁α检查源（²³⁹Pu标准源）是简便、快速、可靠测试闪烁计数器“高压坪曲线”、“甄别阈值曲线”的好工具，也是检查判定闪烁法测氡仪是否处于最佳工作状态的有效工具。在中国地震背景场探测项目地下流体台站地球化学区域观测中心站建设中，下关地震台新增FD-125型室内氡钍分析器（闪烁室内装有一片直径约5 cm的²³⁹Pu标准固体α检查源）、BHC-336型定标器。为检验新水氡观测仪器是否符合规范要求及新α检查源值，采用台站正常使用多年、示值为24 000脉冲/min的²³⁹Pu标准固体α检查源和新²³⁹Pu标准固体α检查源，对新FD-125型室内氡钍分析器、BHC-336型定标器进行对比检查实验，分析不同强度的固体α检查源对坪区的影响，为如何选择固体α检查源提供参考。

1.1 实验条件

下关温泉水氡于1970年4月开始观测，1996年起使用FD-125型室内氡钍分析器观测水氡，观测人员固定，观测技术水平稳定，并按时对仪器进行检查、标定，可以充分保证水氡观测工作的顺利开展。

观测室严格按照地震水文地球化学观测技术规范要求，采用空调控制室内温度，一般在20℃—30℃，湿度≤80%（国家地震局，1985；中国地震局，2014）。

1.2 实验仪器及物品

新FD-125型室内氡钍分析器、BHC-336型定标器，台站原有示值24 000脉冲/min的²³⁹Pu标准固体α检查源（下文简称α检查源1）和新配²³⁹Pu标准固体α检查源（下文简称α检查源2）。

1.3 实验方法

使用α检查源1对新FD-125型室内氡钍分析器、BHC-336型定标器进行检查，确定该氡钍分析器正常工作高压及甄别阈值电压，并使用α检查源2进行测试，并进行对比分析。

2 实验结果

FD-125型室内氡钍分析器、BHC-336型定标器需要选定的参数有工作高压和甄别阈值电压，而工作高压由高压—本底计数率曲线和工作高压—计数率坪曲线来确定。

观测仪器进行以下开机检查：①确定FD-125型室内氡钍分析器、BHC-336型定标器开机正常，自检功能正常，闪烁室密封性能符合要求，仪器无漏光；②在BHC-336型定标器设置界面中设置起始电压、终止电压为400—900 V，仪器显示电压比设置电压小17—46 V，有电压越高差值越大趋势，使用万用表测量的实际电压与仪器显示电压误差在±2 V之内，说明仪器显示电压正常，测试电压以仪器显示电压为准；③BHC-336定标器工作高压设置要求终止电压必须大于起始电压，且以10 V为步长依次递增，因此只能做升压测试，而不能做降压测试。开机检查结果表明仪器正常，工作高压和甄别阈值电压是否符合规范要求需进一步测试。

2.1 不同高压下本底计数率测定

仪器本底计数率是指，样品装入前所能监测到的闪烁室自身放射性能的脉冲输出率。高压与本底计数率测定是配合高压与计数率坪曲线来确定工作高压，不同的工作高压就有不同的仪器本底，工作高压决定仪器本底的大小。工作高压的选取需严格按规范要求进行，地震系统要求本底≤15脉冲/min。

将清洗干净的闪烁室，放在FD-125型氡钍分析器工作台的卡盘上，避光放置5 min消除余辉，转到正对探头位置，在BHC-336型定标器设置界面中设置起始和终止电压。用FD-125型氡钍分析器测定不同工作高压下的仪器闪烁室本底计数率，测2次取平均值，绘制不同工作高压与仪器本底计数率均值的关系曲线（图 1），为高压—计数率坪曲线选取工作高压提供依据。

2.2 不同工作高压下计数率测定

采用光电倍增管构成的闪烁脉冲探测器有一个重要特征：当其他工作条件不变（闪烁室中的α射线强度、前置放大器放大倍数和定标器甄别阈值均固定）时，只改变光电倍增管的工作高压，可得到计数率与高压的关系曲线，且在该曲线中部会出现一“平坦区”，称为高压“坪”曲线，由此可以正确选定光电倍增管的工作高压（坪中间位置），并能保证仪器稳定工作，使测量值不受外界条件变化的影响。根据GB11214—1989，本底计数率较低，“坪”长大于60 V以及“坪”斜小于10%的曲线阈值电压和相应的工作高压即为仪器的最佳阈值电压和工作高压（李婷等，2014）。地震系统要求高压“坪”不少于200 V，误差在±5%内。为了判别不同强度的固体α检查源对工作高压坪区的影响，使用α检查源1和α检查源2分别对新FD-125型室内氡钍分析器进行不同工作高压下的计数率测定。

2.2.1 α检查源1。

把示值为24 000脉冲/min的²³⁹Pu标准固体检查源（α检查源1）放在FD-125型氡钍分析器工作台的卡盘上，避光放置5 min消除余辉，转到正对探头位置，在BHC-336型定标器设置界面中设置起始电压和终止电压。用FD-125型氡钍分析器测定不同工作高压下的计数率，测2次取平均值，绘出不同工作高压与计数率的关系坪曲线（图 2）。计算不同工作高压下的计数率均值与α检查源1的相对误差，可知误差在±5%内的坪区为210 V（蓝框），符合坪区不少于200 V的要求，误差在±10%以内的坪区为290 V（红框）。根据不同工作高压与计数率的关系坪曲线，结合不同工作高压与仪器本底计数率的关系曲线（图 1），确定工作高压为-663 V。

2.2.2 α检查源2。

对新²³⁹Pu标准固体α检查源（α检查源2）采用同样操作，连续测量30次，取平均值860脉冲/min作为α检查源2的值（十字隔板），30个测值与平均值的最大相对误差为8.3%；把α检查源2无²³⁹Pu源的一片隔板取掉，用同样方法，测得α检查源2（一片隔板）的平均值为665脉冲/min，30个测值与平均值的最大相对误差为10.1%。α检查源2脉冲测值小、误差大，说明其强度弱，α粒子衰变平衡不稳定；取掉一片隔板，减少了α粒子冲击ZnS（Ag）闪烁体的面积，脉冲测值就减少了22.7%。

与工作高压—计数率测试方法相同，使用FD-125型氡钍分析器分别测定十字隔板和一片隔板α检查源2在不同工作高压下的计数率，各测2次取平均值，绘制不同工作高压与计数率的关系坪曲线（图 3）。

计算不同工作高压下的计数率均值与固体α检查源的相对误差：采用十字隔板α检查源2检查，无相对误差≤±5%的坪区，误差在±10%以内的坪区为120 V（蓝框），工作高压为-673 V；使用一片隔板α检查源2检查，误差≤±5%的坪区也不存在，误差在±10%内的坪区同样为120 V（红框），只是坪区偏移10 V，工作高压同为-673 V。测试结果说明：源的强度不变，减少一片隔板只是减小了α粒子冲击ZnS（Ag）闪烁体的面积，脉冲测值减小，坪区不变。

2.2.3 结果。

通过用α检查源1和α检查源2分别对新FD-125型室内氡钍分析器进行不同工作高压下的计数率测定，结果表明，用台站原有值为24 000脉冲/min的α检查源1进行检查，误差≤5%的坪区范围为210 V，工作高压为-663 V；误差≤10%的坪区范围为290 V；用测值为860脉冲/min的α检查源2进行检查，无误差≤5%的坪区，误差≤10%的坪区范围只有120 V，工作高压接近-673 V，说明固体α检查源的强度弱，检查结果不稳定，坪区窄、误差大，坪区特点表现不显著。

2.3 不同甄别阈值下计数率测定

闪烁探头输出的信号往往夹杂一些非信号干扰脉冲（由光电倍增管的噪声、外界电网高频脉冲串入等因素而引起），在进入定标计数前必须剔除，甄别阈值具有此作用。因为甄别阈值是甄别脉冲幅度大小的，就像门栏（其高度等于脉冲幅度，可通过甄别阈值调节设定），只准信号脉冲通过，一切非信号干扰脉冲均被阻止而不能通过。

同样，为了判别不同强度的固体α检查源对甄别阈值电压坪区的影响，使用α检查源1和α检查源2分别对新FD-125型室内氡钍分析器进行不同甄别阈值下的计数率测定。

2.3.1 α检查源1。

以前和FD-125型室内氡钍分析器配套使用的定标器阈值调节只有一个旋钮，而BHC-336定标器有上阈和下阈2个旋钮，根据说明书介绍，放射性浓度测量直接调下阈旋钮即可。为了查清上阈对放射性浓度测量的影响，对上、下阈均做测试。

使用示值为24 000脉冲/min的α检查源1，上阈调为2.0 V，下阈从0 V开始调节，以0.5 V依次递增至5.0 V，记下不同阈值电压下升压测量的计数率。然后进行降压，在相应的阈值电压测量降压计数率，取2次平均值并绘制不同甄别阈值与计数率的关系坪曲线，见图 4中蓝色线。计算不同阈值电压下的计数率均值与固体α检查源的相对误差，可知下阈除0 V外，其他值误差均在5%以内，坪区为4.5 V。根据不同甄别阈值与计数率的关系坪曲线确定下阈的甄别阈值为2.0 V。

同样，下阈调为2.0 V，调节上阈进行升降压测试，取2次平均值并绘制不同甄别阈值与计数率的关系坪曲线，见图 4中红色线。计算不同阈值电压下的计数率均值与固体α检查源的相对误差，得出测值误差均在5%以内，证实使用BHC-336定标器进行放射性浓度测量可以不管上阈的说法（笔者建议将上阈也调为2.0 V），文中涉及的甄别阈值与计数率测试均只调下阈。

2.3.2 α检查源2。

与上述甄别阈值与计数率测试方法相同，用FD-125型氡钍分析器分别测定新十字隔板和一片隔板α检查源2在不同阈值（下阈）电压下的计数率，各测2次取平均值，绘制不同阈值电压与计数率的关系坪曲线，见图 5。

计算不同阈值电压下的计数率均值与固体α检查源的相对误差，用十字隔板α检查源2进行检查，相对误差在±5%内的坪区为2.0 V（红框），误差在±10%内的坪区为2.5 V（蓝框）；用一片隔板α检查源2进行检查，误差在±5%内的坪区为2.0 V（红框），误差在±10%内的坪区为3.0 V（黄框）。根据不同甄别阈值与计数率的关系坪曲线，2种方式下的甄别阈值均可以确定为2.0 V。测试结果同样说明：源的强度不变，减少一片隔板只是减小了α粒子冲击ZnS（Ag）闪烁体的面积，脉冲测值减小，对甄别阈值选择无影响。

2.3.3 结果。

通过使用α检查源1和α检查源2分别对新FD-125型室内氡钍分析器进行不同甄别阈值下的计数率测定，结果表明，用台站原有值为24 000脉冲/min的α检查源1检查，误差≤5%的坪区为4.5 V，甄别阈值电压为2.0 V；用测值为860脉冲/min的α检查源2检查，误差≤5%的坪区为2.0 V，误差≤10%的坪区为2.5 V，甄别阈值电压同样为2.0 V；固体α检查源的强度弱，检查结果不稳定，误差大，坪区特点表现不显著。

2.4 甄别阈值验证测试

新型FD-125测氡仪的阈值电压需要根据每台仪器进行调试，不能统一使用2 V作为阈值电压，否则会限制某些信息，要求从0.3 V、0.5 V、0.7 V、1.0 V、1.5 V、2.0 V进行选择实验（厂家给出0.3 V的阈值电压），本文对不同甄别阈值电压下的工作高压—计数率坪曲线进行测试。

使用示值为24 000脉冲/min的α检查源1，起始电压和终止电压设置为400—900 V，分别做阈值电压为0.3 V、0.5 V、0.7 V、1.0 V、1.5 V、2.0 V、2.5 V和3.0 V的工作高压—计数率测定，每个阈值电压测2次取平均值，绘制不同阈值电压下的工作高压—计数率关系坪曲线，见图 6，统计结果见表 1。

测试结果表明：相对误差在5%范围内，阈值电压为0.3 V、0.5 V、0.7 V、1.0 V时坪区不到200 V，阈值电压为1.5 V、2.0 V、2.5 V、3.0 V时坪区大于等于200 V，符合坪区不小于200 V的要求；相对误差在10%范围内，所选定的不同阈值电压坪区均大于200 V；工作高压随阈值电压升高而升高。根据不同阈值电压下的工作高压—计数率坪曲线测试结果，结合甄别阈值—计数率坪曲线（图 4）综合分析，认为本台FD-125测氡仪阈值电压为2.0 V。

3 结论与讨论

用台站原有示值为24 000脉冲/min的²³⁹Pu标准固体α检查源和新²³⁹Pu标准固体α检查源，对新FD-125型室内氡钍分析器、BHC-336型定标器进行对比检查实验，结果表明，台站原有示值为24 000脉冲/min的固体α检查源检查，误差≤5%的坪区范围为210 V，工作高压为-663 V，阈值电压为2.0 V，误差≤10%的坪区范围为290 V，可以确定新FD-125型室内氡钍分析器仪器检查符合要求，仪器工作正常；用新配测值为860脉冲/min的固体α检查源检查，无误差≤5%的坪区，误差≤10%的坪区范围只有120 V，工作高压接近-673 V，阈值电压相同，为2.0 V，只能断定新FD-125型室内氡钍分析器不符合地震系统“坪”不少于200 V、误差在±5%内的要求。由此可见，固体α检查源的强度对闪烁法测氡仪性能检查较重要，固体α检查源的强度弱，检查结果不稳定，坪区窄、误差大，坪区特点表现不显著，甚至导致误判。

十字隔板和一片隔板²³⁹Pu标准固体α检查源的实验表明，源的强度不变，工作高压和甄别阈值的选定结果相同，减少一片隔板只是减小α粒子冲击ZnS（Ag）闪烁体的面积及脉冲测值。

闪烁法测氡仪的仪器检查用多少强度的固体α检查源，目前无具体标准，今后条件允许时可多做对比实验，确定合适的固体α检查源强度取值范围。可以肯定的是，不能使用强度太弱的固体α检查源，更不能使用未经验证的固体α检查源来评判闪烁法测氡仪的性能。在采用闪烁室脉冲计数法进行水氡观测工作中，²³⁹Pu标准固体α检查源是简便、快速、可靠测试闪烁计数器“高压坪曲线”、“甄别阈值坪曲线”和检查判定闪烁法测氡仪是否处于最佳工作状态的有效工具，选取²³⁹Pu固体α检查源时需充分考虑α检查源强度对坪区的影响。

中国地震局地壳应力研究所刘耀炜研究员对本实验数据分析给予技术指导和帮助，在此表示感谢。