0 引言

自1927年日本首次报告了温泉水中氡浓度变化可能与地震活动有关，水中溶解氡气和逸出氡气浓度成为捕捉地震孕育与发生前兆异常信息的重要关注对象（Seminsky et al，2021；Omori et al，2021）。在许多大震前，氡浓度的变化已经被证实，氡浓度观测在国内外地震监测领域越来越受到重视，测氡仪也成为地震前兆观测的重要手段之一（刘耀炜等，2009；黎己余等，2021）。作为相对测量仪器，测氡仪在出厂前以及使用一定时间后必须经过量值刻度校准，通过校准预置刻度系数，使其读数值接近被测真值。由于探测器性能和电子元器件参数的变化，校准因子也会因时间和环境等因素发生改变，所以必须对测氡仪进行定期校准，确保量值的统一和测量结果的准确可靠（柯璟等，2015；起卫罗等，2019）。在地震监测中，对测氡仪校准是保证观测数据准确可靠的重要前提，对利用氡浓度变化分析地震活动具有重要意义。

目前，全国地震前兆氡观测网中正在运行的氡观测仪有328台，其中水氡观测仪195台，气氡观测仪133台（黄仁桂等，2019）。这些仪器主要采用氡气固体源进行校准。我国用于氡观测仪校准的氡气固体源有加拿大RN-150型氡气固体源、国产FD-3024型氡气固体源、GD-L2流气式氡气固体源及RN-FD型循环式氡气固体源（李彤起等，1997）。氡气固体源校准仪器具有体积小、校准精度高、操作流程简单等优点，但氡气固体源面临着严重老化、部分阀门损坏、购买新源难度较大、国家环保部门监管严格等问题。为了改进氡观测仪校准的方法，任宏微等(2016, 2017)提出基于AlphaGUARD P2000F测氡仪，利用水中溶解氡气对氡观测仪校准的思路。虽然在云南、甘肃等台站利用水中溶解氡气校准方法开展了一些实验，但仍需要在更多台站开展相关实验，进一步研究确定实验条件、实验参数，及解决校准精准度提高等问题，为该校准方法的推广使用奠定基础。

本文对几种氡气固体源校准仪器的方法进行了总结，对不同校准方法的校准原理、操作流程、准确度进行了讨论；重点介绍了基于AlphaGUARD P2000F测氡仪，利用水中溶解氡气进行仪器校准的基本原理和操作流程；分别采用RN-150型氡气固体源和AlphaGUARD P2000F测氡仪对FD-125测氡仪进行校准实验，对比分析校准结果，探索利用水中溶解氡气开展测氡仪器校准的可行性方法。

1 氡气固体源校准方法 1.1 RN-150型氡气固体源、FD-3024型氡气固体源校准法

RN-150型和FD-3024型氡气固体源是将固体放射性镭源放置于密封罐底部特制的铅盒内，该镭源通过不断衰变产生氡气，在10—12个氡的半衰期后，储气罐内的氡气达到放射性平衡状态（崔井安，1995）。使用氡气固体源校准其他仪器时，利用该装置内标准体积的定值分配器量取密封罐中氡气总量的约0.1%，送入测氡仪进行测量（姚玉霞等，2017；闫钇帆等，2020）。

RN-150型和FD-3024型氡气固体源校准法采用真空方式取样，操作简单，校准时间周期短，效率高，密封罐内标准氡浓度固定，校准精度较高，氡源使用寿命长。但在使用RN-150型和FD-3024型氡源进行校准时，由于天气和真空泵本身的原因，每次标定的系统真空度无法完全一致，影响校准因子的准确性和可靠性。氡源内定值分配器也会随着时间延长导致密封度下降或者出现漏气的情况，导致仪器无法正常使用。

1.2 GD-L2流气式氡气固体源校准法

GD-L2流气式氡气固体源是一种能产生确定量氡气的发生器，由装有特殊含镭物质并有足够屏蔽厚度的金属容器、阀门、过滤器、托板及恒流泵组成（杜文勇, 2013a, b）。由于镭的半衰期长达1602年，且氡源中特殊含镭物质的射气系数稳定且高达95%以上，所以氡的产生率P_Rn是稳定的，当空气流量f恒定时，气流中的放射性活度浓度就会趋向一个恒定值（张清秀等，2012）。通过将氡气固体源、FD-125型氡钍分析器的闪烁室、恒流泵连接起来，使通过氡气固体源和闪烁室的气流保持恒定。这个恒定浓度的气流可以作为氡的标准样品用来标定不同的测氡仪。

GD-L2流气式氡气固体源校准法采用常压采样，氡源体积小，操作流程简单，易于掌握，氡的产生率连续稳定，受温度、湿度和气压等影响不大。但GD-L2流气式氡源同样具有放射性，需受国家环保部门严格监管，且相较于RN-150氡源的标定周期较长，取源的空气流速受管路长度、外界气压、温度等影响。

1.3 RN-FD型循环式氡气固体源校准法

RN-FD型循环式氡气固体源是由加拿大RN-150型氡源或国产FD-3024型氡源改造而来，具体是利用固体镭源，更换较大的足够屏蔽厚度的金属外壳，整体密封，金属容器上方由2个出气口阀门、2个进气口阀门、一个密封抽气泵等构成（李朝明等，2018）。其氡气的生产原理与RN-150型固体氡源是一致的。通过密闭严封在大体积容器（120 L）的固体²²⁶Ra自发地不断衰变，其衰变产物氡射气封存在储存罐中，封闭40天后氡的活度浓度基本恒定，通过定值分配器提取微量（千分之一源体积）的有效氡气来标定测氡仪。

RN-FD循环式氡气固体源未在源内部安装定制分配器，使用过程中无需再送检，研究人员可自行监测阀门的密封性，还可根据实际需要制作不同体积的定值分配器来校准测氡仪。RN-FD循环式氡源采用开放式取源，在取源过程中需严格按照手册规范来操作，务必保证连接处结实、可靠，使用过程中防止氡标准气外溢而对源内标准氡浓度造成影响。

2 水中溶解氡气校准法 2.1 水中溶解氡气校准原理

AlphaGUARD测氡仪应用广泛，可作为氡检测时的参考仪器（Mas et al，2021）。水中溶解氡气校准法是把已通过标准氡室检定的AlphaGUARD P2000F测氡仪当作标准仪器，以从水中脱出的溶解氡气为介质，进而校准其他测氡仪器的方法。将AlphaGUARD P2000F测氡仪、FD-125测氡仪的闪烁室、装有水样的鼓气瓶、抽气泵及干燥管等串联，形成闭合循环系统，如图 1所示。通过抽气泵将水样中的氡气脱出，循环鼓泡一定时间后，循环系统中的氡气浓度活度趋于稳定。AlphaGUARD P2000F测氡仪测量的氡浓度活度通过温度、气压校正后作为此循环系统的标准浓度活度，校正计算公式由仪器厂家提供，公式如下

$ K = \left({{C_{校}} \times {V_{{\rm{FD}} - 125}}} \right)/\left({N - {N_0}} \right) $

(1)

式中：K为FD-125测氡仪闪烁室的校准因子；C_校为对AlphaGUARD P2000F测氡仪测值经气温、气压校正后的氡浓度（Bq/m³）；V_FD-₁₂₅为FD-125测氡仪闪烁室的体积（m³）；N为FD-125测氡仪闪烁室的校准脉冲值（脉冲/min）；N₀为FD-125测氡仪闪烁室本底脉冲值（脉冲/min）。将经AlphaGUARD P2000F测氡仪测量值校正的氡浓度C_校、FD-125测氡仪闪烁室的本底脉冲值N₀和校准脉冲值N代入公式，即可计算出闪烁室的校准因子K值。

2.2 水中溶解氡气校准流程

测试FD-125测氡仪闪烁室的本底，记为N₀；将AlphaGUARD P2000F测氡仪、Alpha抽气泵、FD-125测氡仪闪烁室和干燥管连接形成闭合循环系统（图 1），测试系统内氡浓度活度，记作C₀；将装有水样的AquaKIT鼓气瓶加入上述闭合循环系统，准备开泵测试；将抽气泵流量调节为1 L/min，打开抽气泵循环鼓泡10 min，脱出水中溶解氡气；关闭抽水泵，将闪烁室进出口端管子用止血夹夹住后静置，使AlphaGUARD P2000F保持对系统内氡浓度活度的测量，测量得到5个值，舍去最高值和最低值，取中间3个测量值的平均值记作C₁；将闪烁室静置1小时，测量其脉冲值，记作N。测量完成后分别对AlphaGUARD P2000F测氡仪和闪烁室降本底。

3 实验过程和结果

鉴于氡气固体源的一些固有问题，考虑采用水中溶解氡气校准法进行测氡仪校准。为此，基于氡气固体源校准和水中溶解氡气校准2种方法，在聊城地震监测中心站展开对比实验。实验步骤如下：选用RN-150型氡气固体源（由加拿大引进，于20世纪90年代开始用于测氡仪器校准）和AlphaGUARD P2000F测氡仪，基于上文所述校准流程，分别求取该台站FD-125测氡仪06、07、08闪烁室的校准因子，对比分析基于2种方法实验所得校准因子的相对误差，验证水中溶解氡气校准法的稳定性和准确性。

聊古一井位于分割辽冀台向斜和鲁西台向斜的聊考活动断裂东侧，鲁西隆起西部边缘，阳谷古潜山许营高点部位（冯恩国等，2016）。该流体观测井于1981年1月开始水化学综合观测，1998年开始水氡观测，观测仪器为FD-125测氡仪，水氡浓度年变化较小，是水氡观测的理想测点（温丽媛等，2019）。

3.1 RN-150型氡气固体源校准结果

采用RN-150型氡气固体源，严格按照操作流程，分别对聊城地震监测中心站FD-125测氡仪06、07、08闪烁室进行3组校准实验，计算得到3个闪烁室的校准因子K值，测量过程和结果见表 1，其中06、07、08闪烁室校准因子分别为0.008 24、0.008 13、0.008 44，实验相对误差均小于5%，符合DB/T6—2003《氡气固体源检验规程》要求。

3.2 水中溶解氡气校准结果

将中国计量院检定合格的AlphaGUARD P2000F测氡仪作为标准仪器，选取聊古一井水样进行脱气，选取400 mL水样进行鼓泡，对FD-125测氡仪的06、07、08闪烁室进行校准实验，基于公式（1），得到3个闪烁室的校准因子K值，校准过程和结果见表 2，其中06、07、08闪烁室校准因子分别为0.008 12、0.008 26、0.008 32，实验误差均小于5%，校准准确度较高。

3.3 校准结果对比

由上述实验结果（表 1，表 2）可知，采用2种校准方法，实验误差均小于5%，符合DB/T6—2003《氡气固体源检验规程》要求。为进一步分析二者准确度的差异，以氡气固体源校准所得校准因子K值为参考，计算通过水中溶解氡气校准与传统氡气固体源校准的相对误差，结果见表 3，可见使用水中溶解氡气与氡气固体源对FD-125测氡仪06、07、08闪烁室进行校准的K值相对误差分别为1.46%、1.6%、1.42%。分析认为，基于AlphaGUARD P2000F测氡仪校准其他测氡仪器的校准方法稳定性较好，与传统氡气固体源校准的结果相对误差较小，表明可以采用水中溶解氡气校准方法替代传统氡气固体源校准方法。

4 结论和讨论

使用AlphaGUARD P2000F测氡仪分别对聊城地震监测中心站FD-125测氡仪的3个闪烁室进行校准，获得对应的校准因子，同时使用RN-150氡气固体源分别对上述3个闪烁室进行校准实验。对比发现，采用2种校准方法进行标定，相对误差较小，验证了水中溶解氡气校准方法的准确度及可靠性，可在测氡仪校准中广泛应用。基于水中溶解氡气校准实验，得到以下结论：

（1）AlphaGUARD测氡仪自带AquaKIT鼓气瓶有100 mL和500 mL两种，聊古一井水中溶解氡气浓度偏低，当使用100 mL鼓气瓶进行水中溶解氡气校准时，系统氡体积活度低于1 000 Bq/m³，校准结果偏差较大，因此选用500 mL的鼓气瓶进行水中溶解氡气校准，系统氡体积活度为3 000—5 000 Bq/m³，观测结果相对误差小于5%，符合目前地震氡观测技术要求。

（2）实验表明，在使用闪烁法或电离法测氡时，测量数据会受到温度及气压的影响，在使用水中溶解气校准或氡气固体源校准时，需要对测量数据进行温度和气压校正，以确保测量数据的准确性和可靠性。

（3）AlphaGUARD P2000F测氡仪作为一种连续氡气浓度监测仪，具有国际公认的稳定性和准确性以及可作为传递标准的功能。相对于固体氡源，该仪器体积小，方便携带，无放射性，有效解决了目前固体氡源不易运输、维修难度大、储存环境要求严格等问题。

（4）根据多次实验结果来看，影响闭合循环系统中氡浓度的主要因素包括：水样体积、水样存储时间和观测环境的温度、气压等。在实际校准实验中可采用增加水样体积、减少水样储存时间及对实验结果进行观测环境温度、气压校正等方法，提高校准结果的准确性，尽量减少环境因素和人为因素带来的误差。