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        新型水氡儀質(zhì)量檢測(cè)及臺(tái)站比測(cè)實(shí)驗(yàn)研究

        2022-01-26 02:34:50胡旭東肖孟仁鮑志誠(chéng)寧洪濤王成楠黃仁桂江西九江揚(yáng)子塊體東部地球動(dòng)力學(xué)野外科學(xué)觀測(cè)研究站江西九江006
        地震工程學(xué)報(bào) 2022年1期
        關(guān)鍵詞:儀器觀測(cè)誤差

        趙 影, 胡旭東, 肖孟仁, 鮑志誠(chéng), 寧洪濤, 王成楠, 黃仁桂(. 江西九江揚(yáng)子塊體東部地球動(dòng)力學(xué)野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 江西 九江 006;

        2. 江西省地震局, 江西 南昌 330026; 3. 東華理工大學(xué), 江西 南昌 330013;4. 江西省地質(zhì)環(huán)境調(diào)查研究院, 江西 南昌 330026)

        0 引言

        氡是國(guó)際上公認(rèn)的對(duì)地殼應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)靈敏的地震前兆觀測(cè)手段之一,在許多大震前后都表現(xiàn)一定的前兆與后效異常,近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外地震監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)領(lǐng)域備受重視,用于測(cè)量氡濃度的測(cè)氡儀新技術(shù)得到快速發(fā)展[1]。在中國(guó)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)中,水氡觀測(cè)是開(kāi)展最為廣泛的前兆測(cè)項(xiàng)之一[2]。連續(xù)觀測(cè)地下水中氡含量的變化,有可能捕捉到地震的孕育與發(fā)生信息[3-8]。目前,中國(guó)大陸地震系統(tǒng)水氡觀測(cè)普遍使用上世紀(jì)70年代生產(chǎn) FD-105K靜電計(jì)(已經(jīng)停產(chǎn)) 和FD-125測(cè)氡儀。FD-125測(cè)氡儀作為水氡觀測(cè)的主流儀器,在地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)發(fā)揮了不可替代的作用。但近幾年來(lái),氡源運(yùn)輸?shù)牟槐闩c放射性監(jiān)管嚴(yán)格制約了 FD-125測(cè)氡儀的校準(zhǔn)工作[9-13];日常觀測(cè)中發(fā)現(xiàn),FD-125測(cè)氡儀負(fù)壓采樣、負(fù)壓手動(dòng)鼓泡、數(shù)據(jù)計(jì)算、抽本底等過(guò)程較為繁瑣,工作效率低下,人工操作不當(dāng)也在一定程度上影響到觀測(cè)資料的內(nèi)在質(zhì)量。

        目前,國(guó)內(nèi)外較為認(rèn)可的水氡測(cè)量?jī)x器有AlphaGUARD P2000測(cè)氡儀和RAD7測(cè)氡儀,測(cè)量過(guò)程無(wú)需人工過(guò)多干預(yù)[14]。但相比于國(guó)產(chǎn)水氡測(cè)量?jī)x,以上兩種儀器主機(jī)、耗材和相關(guān)配件采購(gòu)成本昂貴,且返廠維修周期過(guò)長(zhǎng)、費(fèi)用過(guò)高,以致未能在地震水氡日常監(jiān)測(cè)中推廣開(kāi)來(lái)。因此,探索使用國(guó)產(chǎn)新型水氡觀測(cè)儀應(yīng)用于水氡日常監(jiān)測(cè),減少人工參與測(cè)量過(guò)程,提升水氡觀測(cè)效率和質(zhì)量平顯得尤為重要。本文利用中廣核貝谷科技有限公司生產(chǎn)的BG2015D雙通道測(cè)氡儀(以下簡(jiǎn)稱“新型水氡觀測(cè)儀”)(圖1),與FD-125測(cè)氡儀開(kāi)展對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究,分析了該款水氡儀操作便捷性、觀測(cè)效率、穩(wěn)定性以及與FD-125測(cè)氡儀觀測(cè)數(shù)據(jù)的一致性。

        1 新型水氡觀測(cè)儀簡(jiǎn)介

        新型水氡觀測(cè)儀采用兩套獨(dú)立的氣路和探測(cè)器,配有水樣量取器、玻璃擴(kuò)散瓶、冷凝球等配件,能夠同時(shí)完成2組樣品的測(cè)量,滿足地震行業(yè)水氡主、副樣同時(shí)測(cè)量,輸出水氡濃度及主副樣偏差結(jié)果。在日常水氡測(cè)量時(shí),該儀器將本底測(cè)量、鼓泡采樣、靜置、計(jì)數(shù)、計(jì)算等過(guò)程全程自動(dòng)化處理,無(wú)需對(duì)水氡觀測(cè)人員培訓(xùn),準(zhǔn)備工作完成后可遠(yuǎn)程查看測(cè)量結(jié)果。儀器采用可更換ZnS閃爍室,閃爍室內(nèi)壁使用活化的ZnS(Ag)涂層,防潮、防脫落、抗污染性能強(qiáng)(表1)。

        圖1 新型水氡觀測(cè)儀Fig.1 Novel water radon observation instrument

        技術(shù)指標(biāo)儀器型號(hào)BG2015D閃爍室類型ZnS閃爍室體積256 mL測(cè)量范圍10^(5×107) Bq/m3靈敏度約為36 cpm/Bq/L(針對(duì)222Rn測(cè)量)泵運(yùn)行模式0.15、0.5、1.0、1.5 L/min可選數(shù)據(jù)存儲(chǔ)配置8 GB內(nèi)存卡,可存儲(chǔ)4年以上的數(shù)據(jù)供電模式AC220V、DC12V和內(nèi)置鋰電池

        2 校準(zhǔn)結(jié)果分析

        2.1 校準(zhǔn)指標(biāo)實(shí)驗(yàn)

        校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)使用地震監(jiān)測(cè)氡觀測(cè)儀器檢測(cè)平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)氡室,標(biāo)準(zhǔn)氡室采用動(dòng)態(tài)平衡的循環(huán)補(bǔ)氡方式,提供穩(wěn)定可調(diào)、量值準(zhǔn)確的氡濃度,可用于各種主動(dòng)及被動(dòng)式測(cè)氡儀器的檢定和校準(zhǔn)。校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)引入了重復(fù)性V、校準(zhǔn)系數(shù)K、K值的相對(duì)誤差f、K值的相對(duì)固有誤差E和靈敏度S、本底等指標(biāo),由于此次實(shí)驗(yàn)只有一臺(tái)新型水氡觀測(cè)儀,無(wú)法開(kāi)展一致性檢測(cè)。

        (1) 重復(fù)性:在穩(wěn)定氡氣體積活度下進(jìn)行重復(fù)測(cè)量,設(shè)置單次測(cè)量時(shí)間一般不少于10 min,次數(shù)不低于10次。被檢測(cè)的氡觀測(cè)儀重復(fù)性按下式計(jì)算:

        (1)

        (2) 校準(zhǔn)系數(shù)K:在3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氡氣體積活度下進(jìn)行重復(fù)測(cè)量,至少測(cè)量5次,每次測(cè)量時(shí)間不少于10 min,取5次測(cè)量的平均值作為測(cè)量值。取各目標(biāo)濃度點(diǎn)校準(zhǔn)系數(shù)Ki的平均值作為被測(cè)氡儀的校準(zhǔn)系數(shù)K。

        (2)

        式中:Ki為待校準(zhǔn)氡觀測(cè)儀在第i個(gè)濃度點(diǎn)的校準(zhǔn)系數(shù),單位:Bq/cpm;C標(biāo)準(zhǔn)儀器為AlphaGUARD PQ2000 PRO測(cè)氡儀測(cè)得的氡濃度,代表整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氡室內(nèi)的氡體積活度,單位:Bq /m3;V為待校準(zhǔn)氡觀測(cè)儀閃爍室體積,單位:mL;N為待校準(zhǔn)氡觀測(cè)儀閃爍室的脈沖讀數(shù),單位:cpm;N0為閃爍室本底脈沖讀,單位:cpm。

        (3) 按下式計(jì)算被檢測(cè)氡儀的K值的相對(duì)誤差:

        (3)

        (4) 校準(zhǔn)系數(shù)K值的相對(duì)固有誤差:由各體積活度點(diǎn)的校準(zhǔn)系數(shù)Ki,經(jīng)式(4)得出K值的相對(duì)固有誤差:

        (4)

        式中:Ei為第i個(gè)濃度點(diǎn)測(cè)氡儀的相對(duì)固有誤差;Ki為第i個(gè)濃度點(diǎn)測(cè)氡儀的校準(zhǔn)系數(shù)K,單位:Bq/cpm;K為各濃度點(diǎn)測(cè)氡儀的校準(zhǔn)系數(shù)Ki值的平均值,單位:Bq/cpm;

        取各體積活度點(diǎn)中相對(duì)固有誤差絕對(duì)值最大者作為被檢測(cè)氡儀的相對(duì)固有誤差。

        (5) 閃爍室靈敏度:

        (5)

        2.2 標(biāo)準(zhǔn)氡室校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

        實(shí)驗(yàn)前,先用定標(biāo)器測(cè)量FD-125測(cè)氡儀3個(gè)閃爍室(體積500 mL)和新型水氡觀測(cè)儀主、副閃爍室的本底(體積256 mL),然后用氣管將標(biāo)準(zhǔn)氡室、FD-125測(cè)氡儀閃爍室、新型水氡觀測(cè)儀閃爍室及氣泵連接成一個(gè)閉合循環(huán)系統(tǒng)(圖2),設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)氡室目標(biāo)濃度為4 000 Bq/m3,待標(biāo)準(zhǔn)氡室內(nèi)氡濃度穩(wěn)定后,再循環(huán)30 min(氣泵流量1 L/min)。測(cè)試完成后,將閃爍室從環(huán)路取下密封靜置1 h,再測(cè)定其脈沖計(jì)數(shù)后測(cè)量,單次計(jì)數(shù)時(shí)間為10 min,連續(xù)測(cè)量5次取平均值。以標(biāo)準(zhǔn)氡室內(nèi)氡濃度作為FD-125測(cè)氡儀閃爍室和新型水氡觀測(cè)儀閃爍室內(nèi)氡的濃度,結(jié)合式(1)、式(2)、式(3)分別計(jì)算校準(zhǔn)系數(shù)K、K值的相對(duì)固有誤差和閃爍室靈敏度。計(jì)算完畢后,用真空泵對(duì)閃爍室抽氣降本底。同理,分別在標(biāo)準(zhǔn)氡室目標(biāo)濃度6 000 Bq/m3和9 000 Bq/m3下對(duì)FD-125測(cè)氡儀3個(gè)閃爍室和新型水氡觀測(cè)儀主、副閃爍室進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。

        圖2 標(biāo)準(zhǔn)氡室閃爍室循環(huán)采樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of cyclic sampling in standard chamber

        通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)氡室校準(zhǔn),結(jié)果表明:

        (1) 新型水氡儀本底≤10 cpm、重復(fù)性≤10%、K值的相對(duì)誤差≤5%、K值的相對(duì)固有誤差≤15%,均滿足中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心所發(fā)布《JSLT201903 測(cè)氡儀定型技術(shù)要求》技術(shù)指標(biāo);

        表2 新型水氡觀測(cè)儀校準(zhǔn)結(jié)果

        (2) 靈敏度不滿足《JSLT201903 測(cè)氡儀定型技術(shù)要求》中靈敏度不小于90 cpm/Bq·L-1的要求。實(shí)驗(yàn)過(guò)程參照地震水氡觀測(cè)流程靜置1 h后立即測(cè)量,此時(shí)閃爍室內(nèi)部的氡氣及其子體的衰變情況就是一個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài),在這個(gè)不穩(wěn)定的狀態(tài)下所獲得的校準(zhǔn)系數(shù)K、靈敏度等指標(biāo)也是不穩(wěn)定的。參考閃爍室測(cè)氡法相關(guān)經(jīng)驗(yàn),閃爍室內(nèi)氡氣及其子體3 h左右達(dá)到衰變平衡狀態(tài)[15]。前期,水氡測(cè)量以人工操作為主,考慮到整個(gè)過(guò)程繁瑣、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng),將靜置時(shí)間設(shè)置為1 h。新型水氡觀測(cè)儀是針對(duì)地震行業(yè)人工模擬水氡測(cè)量專門研發(fā)的一款雙通道式水氡儀,只需在測(cè)量前人工把氣路連接好,后續(xù)選擇自動(dòng)模式并輸入開(kāi)始測(cè)量時(shí)間后,點(diǎn)“開(kāi)始”即可。全部過(guò)程自動(dòng)化、無(wú)需人工參與鼓泡等、自動(dòng)顯示主、副樣水氡濃度和相對(duì)偏差,且準(zhǔn)備工作完成后無(wú)需守在現(xiàn)場(chǎng),辦公室遠(yuǎn)程可查看測(cè)量結(jié)果。因此,若實(shí)踐中使用新型水氡觀測(cè)儀開(kāi)展地震水氡測(cè)量,完全可以將靜置時(shí)間設(shè)置為2.5~3 h,提高觀測(cè)結(jié)果測(cè)穩(wěn)定性,靈敏度校準(zhǔn)結(jié)果也能反映衰變平衡狀態(tài)下儀器真實(shí)靈敏度校準(zhǔn)結(jié)果(表2)。

        通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)氡室對(duì)兩款測(cè)氡儀校準(zhǔn)并計(jì)算校準(zhǔn)系數(shù)K值的相對(duì)固有誤差結(jié)果表明:

        (1) 新型水氡觀測(cè)儀主、副閃爍室校準(zhǔn)系數(shù)K均明顯小于FD-125測(cè)氡儀1802#、1803#、1804#閃爍室,顯示新型水氡觀測(cè)儀探測(cè)效率高于FD-125測(cè)氡儀;

        (2) 新型水氡觀測(cè)儀主、副閃爍室相對(duì)固有誤差分別為4.560%、7.692%,FD-125測(cè)氡儀1802#、1803#、1804#閃爍室相對(duì)固有誤差分別為1.706%、6.464%、2.987%,新型水氡觀測(cè)儀主、副閃爍室和FD-125測(cè)氡儀1803#閃爍室相對(duì)固有誤差相對(duì)偏高,但整體相對(duì)固有誤差水平新型水氡觀測(cè)儀要高于FD-125測(cè)氡儀,顯示新型水氡觀測(cè)儀探測(cè)穩(wěn)定性要低于FD-125測(cè)氡儀。采用相同氡氣源條件下,FD125測(cè)氡儀閃爍室體積大且其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠使氡及其子體均勻分布,而體積小的新型水氡觀測(cè)儀閃爍室氡氣含量就少,不穩(wěn)定狀態(tài)下由放射性衰變統(tǒng)計(jì)漲落就尤為明顯,相應(yīng)地獲得的測(cè)量計(jì)數(shù)必然會(huì)波動(dòng)很大(表3)。

        3 對(duì)比測(cè)量實(shí)驗(yàn)

        兩款水氡觀測(cè)儀在標(biāo)準(zhǔn)氡室校準(zhǔn)后,啟用新的校準(zhǔn)系數(shù),在九江地震臺(tái)九江2井相同水樣和測(cè)試環(huán)境下開(kāi)展了20次水氡對(duì)比測(cè)量,比較操作實(shí)用性和測(cè)量數(shù)據(jù)趨勢(shì)。

        3.1 日常操作對(duì)比

        水氡日常操作的主要技術(shù)流程為儀器預(yù)熱、水樣采集、測(cè)本底、鼓泡、測(cè)定讀數(shù)及計(jì)算等。操作過(guò)程中,新型水氡觀測(cè)儀與FD-125測(cè)氡儀同時(shí)段在九江2井采樣、測(cè)本底、鼓泡、測(cè)數(shù)等。其中,新型水氡觀測(cè)儀采用注射器常壓采樣;主、副閃爍室同時(shí)自動(dòng)測(cè)本底;主、副樣同時(shí)常壓自動(dòng)鼓泡;自動(dòng)測(cè)量脈沖計(jì)數(shù)、計(jì)數(shù)水樣氡濃度并評(píng)價(jià)測(cè)量結(jié)果;鼓泡環(huán)節(jié)采用安全瓶替代干燥劑;氣路采用免更換抗氧化硬管和氣動(dòng)接頭。相比FD-125測(cè)氡儀,新型水氡觀測(cè)儀在滿足水氡日常觀測(cè)流程基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了測(cè)本底、鼓泡、計(jì)數(shù)和計(jì)算的自動(dòng)化、同步化,使操作過(guò)程更為便捷、實(shí)用(表4)。

        3.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

        兩套儀器對(duì)比測(cè)量過(guò)程選在臺(tái)站實(shí)驗(yàn)條件相對(duì)完善的地震氡觀測(cè)儀器檢測(cè)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室。操作過(guò)程嚴(yán)格按照定時(shí)、定點(diǎn)、定量、定人、同步進(jìn)行,對(duì)兩款儀器共開(kāi)展20次對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)氡室校準(zhǔn)啟用新校準(zhǔn)系數(shù)后,兩套儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)變化具有一定的一致性,其中新型水氡觀測(cè)儀測(cè)值普遍高于FD-125測(cè)氡儀測(cè)值(圖3);校準(zhǔn)過(guò)后,新型水氡觀測(cè)儀主、副閃爍室測(cè)量數(shù)據(jù)同樣具有>一定的趨勢(shì)一致性,但主、副樣數(shù)據(jù)相對(duì)偏差絕對(duì)值最大值8.38%,超出了《地震水文地球化學(xué)觀測(cè)技術(shù)規(guī)范》中水氡背景濃度不小于111 Bq/L時(shí),平行樣測(cè)值的相對(duì)偏差絕對(duì)值不大于5%的要求[16](圖4)。

        4 結(jié)論與討論

        本文通過(guò)對(duì)新型水氡觀測(cè)儀和FD-125測(cè)氡儀在地震監(jiān)測(cè)氡觀測(cè)儀檢測(cè)平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)氡室校準(zhǔn),依托九江臺(tái)相同水樣和環(huán)境下開(kāi)展對(duì)比測(cè)量表明:在靜置時(shí)間為1 h前提下,新型水氡觀測(cè)儀重復(fù)性、相對(duì)誤差、相對(duì)固有誤差符合技術(shù)要求,與FD-125測(cè)氡儀對(duì)比測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性較好,整體設(shè)計(jì)和性能基本滿足地震模擬水氡測(cè)量發(fā)展需求,并在一定程度上減輕了臺(tái)站模擬水氡測(cè)量實(shí)操人員工作量,降低了人工操作帶來(lái)的測(cè)量誤差,提升了測(cè)量效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量。但該新型水氡觀測(cè)儀測(cè)量在靜置1 h條件下,整體穩(wěn)定性和靈敏度相對(duì)偏低,結(jié)合目前地震水氡觀測(cè)流程和該儀器本身建議如下:

        表3 兩款測(cè)氡儀閃爍室標(biāo)準(zhǔn)氡室校準(zhǔn)相關(guān)指標(biāo)對(duì)比

        表4 新型水氡觀測(cè)儀與FD-125測(cè)氡儀操作比較

        圖3 新型水氡觀測(cè)儀與FD-125測(cè)氡儀測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.3 Comparison of measuring data by two radon measuring instruments

        圖4 新型水氡觀測(cè)儀主、副樣測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.4 Comparison of primary and secondary sample data by the novel radon observation instrument

        (1) 結(jié)合氡衰變平衡規(guī)律,建議使用該儀器開(kāi)展水氡觀測(cè)過(guò)程中可將靜置時(shí)間調(diào)整為2.5~3 h,以更加真實(shí)反映測(cè)量結(jié)果;

        (2) 進(jìn)一步提升閃爍室、光電倍增管、高壓閾值等探測(cè)模塊技術(shù)工藝,提高設(shè)備整體穩(wěn)定性;

        (3) 繼續(xù)優(yōu)化儀器界面程序設(shè)計(jì),減少人工設(shè)置輸入內(nèi)容、豐富數(shù)據(jù)信息顯示量,提升用戶體驗(yàn)便捷性、實(shí)用性;

        (4) 可結(jié)合不同取樣條件設(shè)計(jì)自動(dòng)量化取樣配件,針對(duì)部分高濃度水氡觀測(cè)背景臺(tái)站匹配設(shè)計(jì)自動(dòng)化抽本底配件。

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