0 引言

氡是一种天然的放射性惰性气体，广泛分布在岩石、土壤和地下水中，对地壳活动响应灵敏，被广泛应用于地震监测领域，旨在探究氡异常与地震之间的相关性（刘耀炜等，2015；Soldati et al，2020；蒋雨函等，2021；He et al，2022；Huang et al，2024）。氡观测是我国地震观测台网中重要且广泛应用的地球物理测项之一，在地壳运动趋势分析、地震短期预报及临震预报等方面发挥着重要作用。学者们对地下水中溶解氡气和逸出氡气的浓度开展连续观测，进而探寻地震孕育与地震发生前的微观异常（张新基等，2005；周晓成等，2007；晏锐等，2011；杨江等，2019；刘春国等，2022；李营等，2022）。

我国地震氡观测台网现有水氡观测仪195台，这些测氡仪主要采用固体氡源校准法（黄仁桂等，2019）进行校准。目前，大部分氡观测站点的固体氡源因老化、装置故障等问题被迫报废，而采购新固体氡源则面临审批繁琐、运输不便以及放射性物质监管等诸多问题，严重制约了测氡仪的校准工作（盛云峰等，2017；赵影等，2022）。此外，大部分氡观测站点配备的是FD-105K射气仪和FD-125水氡仪，前者已停产，当前主要使用基于闪烁法原理测氡的FD-125水氡仪。对闪烁法测氡仪稳定性产生影响的因素有电子元器件自然老化、光电倍增管的不稳定老化以及闪烁室受污染的程度。而电离法测氡仪稳定性则主要受电子元器件自然老化影响。因此，国际上通常采用电离法测氡仪对氡气含量进行精确测定，并用来标定放射性物质的浓度。近年来，基于脉冲电离室工作原理的AlphaGUARD P2000F型测氡仪因其高稳定性和可靠性，受到国内学者的一致认可（姚玉霞等，2016；起卫罗等，2017；黄仁桂等，2019）。然而，该测氡仪主机、配件及耗材的采购成本均较高，且仪器故障后返修周期长、维修费用高，制约了其在地震系统水氡日常监测中的应用和推广。

随着水氡观测技术的不断提高，以及日常监测中水氡仪测量手段自动化需求的转变，探索新型国产水氡观测仪用于水氡浓度日常检测至关重要。作为一款基于电离法的国产新型水氡仪，DDL-2水氡仪基本实现了操作流程自动化，应用前景广阔。

近年来，地震学者先后开展了SD-3A与DDL-1、AlphaGUARD P2000F与FD-125等不同型号测氡仪的比测研究（姚玉霞等，2016；起卫罗等，2017），尚未进行DDL-2水氡仪与FD-125水氡仪的比测研究。为此，本文将DDL-2水氡仪与聊城地震监测中心站使用多年的FD-125水氡仪进行对比观测，分析DDL-2水氡仪的运行稳定性、操作流程自动化水平以及新旧水氡仪产出数据的一致性。

1 仪器技术指标对比

测氡仪关键技术指标，如重复性、一致性、相对误差等参数，是评价仪器性能优劣的重要参考依据（起卫罗等，2019）。DDL-2水氡仪和FD-125水氡仪关键技术指标参数见表 1，所有参数均执行中国地震局招标技术指标标准，能够满足地震地下流体测氡需要。2台水氡仪各项参数标准基本一致，固有本底因测量原理不同而略有差别。

2 仪器工作原理 2.1 DDL-2水氡仪

DDL-2水氡仪工作原理基于电离法。原理如下：氡气通过鼓泡方式经进气口进入电离室，周围介质在放射性氡气作用下发生电离，在氡气衰变产生子体形成的正电场作用下，杂散离子定向流动形成离子流，并累积在电离室中心接收极上，通过测量离子数，即可计算水氡含量。计算公式如下

$ \mathrm{Rn}=\frac{\left(\bar{N}-\bar{N}_0\right) \times K}{V \times \mathrm{e}^{-\lambda t}} $

(1)

式中：Rn表示DDL-2水氡仪测氡浓度值（Bq/L）；N为电离室电压均值（mV）；N₀为电离室空白电压均值（mV）；K为仪器标定值（Bq/mV）；V为水样体积（L）；t为从取水样到开始鼓泡的间隔时间；e^-λt为氡衰变函数值，可通过查氡衰变函数值表获得。

2.2 FD-125水氡仪

FD-125水氡仪工作原理基于闪烁法。原理如下：水中氡气通过扩散器负压法脱气进入闪烁室，氡射气的衰变产物α粒子不断撞击硫化锌晶体产生光子，光子被光电倍增管接收，在阴极产生光电子，完成光电转换。光电子在高压作用下完成聚集，二次电子激发，加速倍增放大成电子流，在阳极负载形成脉动电流，以负脉冲输出。经定标器记录，最终计算出氡浓度。计算公式如下

$ \mathrm{Rn}=\frac{\left(N-N_0\right) \times k}{V \times \mathrm{e}^{-\lambda t}} $

(2)

式中：Rn表示氡浓度值（Bq/L）；N为闪烁脉冲计数法的水样读数（脉冲/min）；N₀为闪烁室本底读数（脉冲/min）；k为闪烁室标定值[Bq/（脉冲/min）]；V为水样体积（L）；t为从取水样到开始鼓泡的间隔时间；e^-λt为氡衰变函数值（查氡衰变函数值表）。

3 实验内容 3.1 DDL-2水氡仪校准方法及结果分析

测氡仪校准对保障水氡观测数据准确性和可靠性尤为重要。近年来，国内多位学者研究表明，AlphaGUARD P2000F测氡仪能够替代氡气固体源，作为标准计量传递仪器，对测氡仪进行校准（任宏微等，2017；周红艳等，2020；郭宗斌等，2023；樊春燕等，2023；任宏微等，2023）。校准前仪器需处于正常状态，抽气降低两测氡仪本底值，确保AlphaGUARD P2000F测氡仪本底小于100 Bq/m³、DDL-2水氡仪本底（空白电压值）小于10 mV；将AlphaGUARD P2000F测氡仪、Alpha抽气泵、干燥管、安全瓶、鼓气瓶和DDL-2水氡仪等采用串联方式连接，形成闭合式循环系统（图 1）。

将AlphaGUARD P2000F测氡仪本底测试值记为C₀，若DDL-2水氡仪测试结果为空白值，将Alpha抽气泵流量调节为1 L/min，开泵循环鼓泡10 min，脱出鼓气瓶水中溶解氡气；关闭Alpha抽气泵，使用止血钳夹住DDL-2水氡仪进出口端气路。在闭合系统静置期间，AlphaGUARD P2000F测氡仪保持测量状态，每10 min测量1次，得到7个氡浓度活度值，舍去最高、最低值，取5个测值及对应气温和气压值计算平均值，将氡浓度活度测值均值减去本底值得到测值C_测，并经温度、气压校正得到C_校。在台站标定界面输入标准源浓度值（注意转换体积单位）进行DDL-2水氡仪标定，仪器记录测试数据并自动计算K值。其中，AlphaGUARD P2000F测氡仪C_校计算公式如下

$ C_{\text {校 }}=C_{\text {测 }} \times\left[1+\frac{-0.18 \times(P-1013)}{1013} \times \frac{P}{P-620}\right] \times\left[1+\frac{0.97 \times(T-20)}{293} \times \frac{130}{130-T}\right] $

(3)

$ C_{\text {校 }}=C_{\text {测 }} \times\left[1+\frac{-0.31 \times(P-1013)}{1013} \times \frac{P}{P-620}\right] \times\left[1+\frac{0.46 \times(T-20)}{293} \times \frac{130}{130-T}\right] $

(4)

式中：C_校为校正后的氡测值（Bq/m³）；C_测为仪器氡测值（Bq/m³）；P为实验室气压均值（hPa）；T为实验室温度均值（℃）。式（3）为低量程校正，适用氡测值范围为2—30 000 Bq/m³；式（4）为高量程校正，适用氡测值范围为30 000—2 000 000 Bq/m³。

DDL-2水氡仪K值计算公式为

$ K=\frac{C_{\text {校 }} \times V_{\mathrm{DDL}-2}}{\bar{N} \times 1000} $

(5)

式中：K为DDL-2水氡仪标定值（Bq/mV）；C_校为校正后的AlphaGUARD P2000F测氡仪氡测值（Bq/m³）；V_DDL-2为DDL-2水氡仪电离室体积（L）；N为DDL-2水氡仪校准电压值均值（mV）。

选取经计量部门检定合格的AlphaGUARD P2000F测氡仪作为标准仪器，取聊古一井水样，采用水中溶解氡气校准法进行鼓泡脱气，将DDL-2水氡仪主、副样电离室静置时间设为1 h和2 h，分别进行3次校准实验，校准结果见表 2。

静置时间为1 h时，3次主样电离室校准K值相对偏差分别为-0.39%、-1.19%、1.58%，可见偏差绝对值均小于5%，符合目前地震地下流体观测技术规范要求；而副样K值相对偏差分别为1.58%、-5.28%、3.70%，可知其K值相对偏差绝对值最大为5.28%，超出规范要求。而静置时间为2 h时，3次主样电离室校准K值相对偏差分别为1.20%、0.04%、-1.25%，而副样相对偏差分别为3.24%、-1.24%、-2.00%，可见主、副样K值相对偏差均小于5%，符合规范要求。在同一实验条件下，对DDL-2水氡仪主、副样电离室分别在静置时间为1 h和2 h条件下各进行3组共18次校准实验。结果表明，基于AlphaGUARD P2000F测氡仪，采用水中溶解氡气校准法对DDL-2水氡仪进行校准，鼓泡后电离室静置时间为2 h，仪器主、副样电离室K值更稳定，相对偏差均小于5%；静置时间为1 h，主、副样电离室K值出现超差，稳定性相对较差。结合氡的衰变规律，建议在水氡仪校准及水氡日常观测时，将该仪器静置时间设置为2 h，以增加测量结果的可靠性和稳定性。

3.2 水氡观测对比实验 3.2.1 FD-125水氡仪

在水氡观测前，FD-125水氡仪需预热30 min，并检查仪器工作状态及性能。在常压状态下测量闪烁室本底值，该数值需小于15脉冲/min。对扩散器进行抽真空处理，采集聊古一井水样，使用负压法手动对主、副样闪烁室进行均匀鼓泡处理，持续时间（11±1）min，60 min后手动读取主、副样闪烁室脉冲值，并换算样品氡值。

3.2.2 DDL-2水氡仪

在水氡观测前，DDL-2水氡仪需开机稳定30 min，确保仪器工作状态正常。设置主、副样水样体积、空白及样品测定次数、衰变系数等测量参数和鼓泡时间、气泵流速等自动循环鼓泡脱气系统工作参数。选择自动测量模式，同时测定主、副样电离室本底值，确保该数值小于0.5 Bq/L。采用DDL-2水氡仪取样器常压采集聊古一井水样，以自动鼓泡方式对主、副样电离室进行常压鼓泡，持续时间10 min，静置60 min，仪器自动进行主、副样测试，测试完成后自动计算并显示样品水氡含量。

3.3 不同水氡仪观测数据对比分析

在同一观测室内，严格按照《地震水文地球化学观测技术规范》中水氡观测的相关要求，开展DDL-2水氡仪和FD-125水氡仪对比观测实验。2套仪器主、副样对比观测实验数据见表 3，氡测值日变化曲线见图 2。

对比观测实验结果表明，FD-125水氡仪和DDL-2水氡仪氡测值整体趋势变化存在一致性，而DDL-2水氡仪主、副样氡测值均略高。分析实验数据可知：相较于DDL-2水氡仪，FD-125水氡仪主、副样测值波动幅度均较小，其中：FD-125水氡仪主、副样测值2组数据方差分别为0.07、0.09，数据置信区间上、下限差值分别为0.26、0.27；DDL-2水氡仪主、副测值2组数据方差分别为0.38、0.17，数据置信区间上、下限差值分别为0.57、0.38。FD-125水氡仪主、副样均值分别为11.50 Bq/L、12.06 Bq/L，而DDL-2水氡仪主、副样均值分别为13.93 Bq/L、14.49 Bq/L，可见DDL-2水氡仪氡含量测值略高。分析认为可能存在以下原因：①仪器测氡原理不同。DDL-2水氡仪采用电离离子累计数计算氡含量，而FD-125水氡仪则为定标器记录脉冲数并最终计算得出氡浓度。②取样及鼓泡方式不同。DDL-2水氡仪采用常压取样自动鼓泡，而FD-125水氡仪则为负压取样手动鼓泡。自动鼓泡时气泵流速为定值，因此脱气稳定性更强、效率更高。③气路中干燥剂材质不同。DDL-2水氡仪测氡气路中采用干燥剂为Desiccant Anhydrous IndicatingDrierite，其主要成分为无水硫酸钙；而FD-125水氡仪使用干燥剂为变色硅胶，其主要成分为二氧化硅。二者成分不同，对气氡的吸附作用存在差异。④气路体积差异。主要表现为DDL-2水氡仪电离室体积、FD-125水氡仪闪烁室体积以及各自气路体积的差异。

DDL-2水氡仪主、副样电离室测值整体变化趋势存在一致性，然而，主、副样氡测值相对偏差绝对值却在1.33%—10.17%之间（图 3）。《地震水文地球化学观测技术规范》中规定，井泉水氡背景浓度值不大于18.5 Bq/L时，平行样测值的相对偏差不大于±10%。在此次实验样本中，主、副样测值相对偏差存在2次超差，分别为10.17%、10.14%。

4 结论与讨论

基于AlphaGUARD P2000F测氡仪，采用水中溶解氡气校准法，采集聊古一井水样对DDL-2水氡仪进行校准，并开展同一观测环境下不同型号水氡仪对比观测实验，通过对实验数据的统计分析，得到以下几点认识：

（1）对DDL-2水氡仪主、副样电离室进行水中溶解氡气校准实验，结果表明：针对该仪器，基于AlphaGUARD P2000F测氡仪的水中溶解氡气校准法取代固体氡气源校准法，具备可行性；利用该方法进行DDL-2水氡仪校准时，鼓泡后电离室静置时间为2 h，测得仪器K值更稳定。结合氡的衰变规律，建议在该仪器校准及水氡日常观测时，将静置时间设置为2 h，以增加测量结果的可靠性和稳定性。

（2）在水氡日常测量中，DDL-2水氡仪操作步骤更为简单、便捷，能够同步实现主、副样电离室的本底测量、校准、自动计数及测定值输出，在减轻监测人员工作量的同时，降低了人工操作引起的误差。

（3）在对比观测实验中，相较于FD-125水氡仪，DDL-2水氡仪测值略高。这是因为，DDL-2水氡仪采用自动鼓泡方式进行脱气，其稳定性更强、效率更高，且电离室体积较大，使得进入电离室的氡气及氡子体含量较高，接收极上电离离子数累积较多，而体积较小的FD-125水氡仪闪烁室氡气含量较少，相应输出的脉冲计数较低。

（4）对比观测实验数据表明，DDL-2水氡仪与FD-125水氡仪氡测值整体趋势变化一致性和同步性较好，尽管二者测氡原理不同。然而，DDL-2水氡仪主、副样电离室氡测值相对偏差绝对值最大值超出《地震水文地球化学观测技术规范》的规定范围，建议进一步提升电离室灵敏度和长期稳定性，使其更好地满足地震地下流体水氡观测的基本要求。