引言

　　自 1966 年邢臺地震后，中國開始進行地下流體的水位和水氡觀測，經過 50 多年的發展，氡一直是地下流體的重要觀測項目并在多次在地震前表現出顯著異常。孫小龍等基于《中國震例》(1966—2012 年)的統計表明，水(氣)氡類異常達 400 項，占整個地下流體異常總數的 35%。李營等研究指出，氡是目前應用最為廣泛的地球化學地震前兆觀測測項，在流體地球化學異常中水(氣)氡是最主要的異常測項，約占總異常數量的 40%。晏銳等、周曉成等、曹玲玲等開展了多次強震前氡濃度變化和地震關系分析研究。國際上，日本、印度等也開展氡觀測，多以密集臺陣方式布設，觀測項目包括水氡、氣氡，取得豐富的地震前兆異常資料和研究成果。為保證氡觀測數據的穩定可靠，測氡儀需定時開展量值傳遞(標定或校準)，得到測氡儀的校準系數 K。

　　國際上的氡校準工作，一般利用輻射實驗室開展，一些國家建立了基于立體角計算方法的氡活度校準裝置。中國地震局編著地震水文地球化學觀測技術規范和地下流體數字化觀測技術規范，給出 FD-125 人工測氡儀、FD-105K 人工測氡儀以及 SD-3A 型數字測氡儀的標定技術方案。通過溯源至固體氡源(RN-150 氡源或 FD-3024 氡源)的方式開展。近年來，隨著國內相關計量機構中止對固體氡源的校準，固體氡源的量值傳遞技術中斷。此外，隨著觀測技術升級以及設備更新換代，地下流體氡觀測網引入一批新型測氡儀，其中人工測氡儀的型號有 DDL-2(電離法)和 BG2015D(閃爍法)，數字測氡儀的型號有 DDL-1(電離法)和 BG2015R(閃爍法)。

　　新觀測儀器在儀器設計、功能實現等方面和原測氡儀有很大不同，無法直接沿用原校準技術方案。為解決這一技術問題，一些學者開展了利用 AlphaGUARD 測氡儀作為標準儀器的量值傳遞的實驗研究。任宏微等、周紅艷等利用 AlphaGUARD 測氡儀作為標準儀器，利用一定氡濃度的觀測水樣(>5 Bq・L⁻¹)對 FD-125 型人工測氡儀閃爍室進行校準，多次校準結果誤差小于 5%;起衛羅等利用 AlphaGUARD 測氡儀對 DDL-1 型數字測氡儀進行校準，實驗結果和固體氡源校準結果進行對比，K 值相對誤差均小于 5%。樊春燕等利用 AlphaGUARD 研究新型數字測氡儀校準方案的技術路線并在觀測站進行實踐，在 12 個氣氡觀測站獲得應用，各站 K 值相對誤差均小于 5%。黃仁桂等研究了地震氡觀測溯源技術，以及不同校準方式對氡校準結果的影響，結果表明，循環法校準影響因素較少。氡計量標準器量值傳遞技術是利用標準儀器開展氡量值傳遞的技術。該技術方案的關鍵環節包括：氡計量標準器的準確性驗證、計量標準器量值傳遞技術方案的制定和量值傳遞方案的評估與應用。在前人研究基礎上，本文對 AlphaGUARD 測氡儀的準確性進行了驗證，制定 7 種不同的氡量值傳遞技術方案并在多個觀測站進行應用。

　　1 氡計量標準器的準確性驗證

　　AlphaGUARD 測氡儀被廣泛用于氡標準儀器開展量值傳遞。該儀器出廠前一般溯源至 PTB(Physikalisch-Technische Bundesanstalt，德國物理技術研究院)。本研究中，從以下三個方面驗證氡計量標準器的準確性。

　　(1)定期到中國計量科學研究院、中國地震局第一監測中心檢定，以保證儀器低濃度的準確性。依據中華人民共和國國家計量檢定規程(JJG825-2013 測氡儀)，氡室濃度范圍在 0.4 ~ 10.0 Bq・L⁻¹ 之間，適用于測值較低的氡觀測領域測氡儀的檢定。同一臺 AlphaGUARD 測氡儀分別在 2021 年、2022 年和 2023 年的檢定結果表明，在較低濃度下，AlphaGUARD 測氡儀的準確性滿足要求。

　　(2)利用測量結果的一致性驗證高濃度下測氡儀的一致性。本研究利用 2 臺(編號 1，編號 2)不同 AlphaGUARD 測氡儀對同一循環氡源(濃度為 143.23 Bq・L⁻¹)進行濃度測試，結果表明，測值誤差為 0.6%，驗證了高濃度下 2 臺 AlphaGUARD 測氡儀的一致性1516。(3)建立一定濃度范圍內 AlphaGUARD 測氡儀濃度響應曲線。在中國地震局第一監測中心計量檢定站，新增 3 種不同濃度(10.084 Bq・L⁻¹、17.252 Bq・L⁻¹、24.252 Bq・L⁻¹)氡室進行檢定，并結合該儀器在中國計量科學研究院、中國地震局第一監測中心的檢定結果以及循環氡源測試結果，給出 AlphaGUARD 測氡儀的校準曲線，得到該儀器線性擬合公式(式 1)，顯示在 0.6 ~ 142.4 Bq・L⁻¹ 之間，該儀器響應系數為 0.9947，在 0.6~25.0Bq/L 之間，該儀器響應系數為 0.9958。

　　(Q_{r}=0.9947 Q_{s}-0.0739)其中，Q 為氡標準儀器響應濃度，單位為 Bq/L;Q 為氡室濃度或循環氡源濃度，即為標準濃度，單位為 Bq/L。說明該儀器在一定濃度范圍內，響應系數線性較好，在目標濃度范圍內進行校準可以取得較好結果。經統計，2023 年，全國水氡觀測站氡年均值在 5 ~ 100 Bq・L⁻¹ 之間的占比為 85%，利用 AlphaGUARD 測氡儀和目標濃度范圍的水樣開展校準，可以滿足絕大多數氡觀測站氡觀測儀器的校準。

　　2 氡計量標準器量值傳遞技術方案

　　應用氡計量標準器開展量值傳遞的技術方案，本研究主要思路如下。

　　(1)氡計量標準器定期溯源到參考標準，保證其準確性。(2)氡氣在氣路系統中運移達到平衡后，氣路系統各處氡濃度相等23。研究表明氡在不同介質中運移規律比較復雜，Nielson 等、劉慶成等、何彬等對氡的運移進行了比較系統地分析，表明氡可以附著于大氣環境中的少量氣態物質或者濕潤環境中的水蒸氣，又或者是微小的固體顆粒表面，整體形成一個團簇進行活動，運移的方式為擴散和對流。以直接用氡計量標準器開展量值傳遞為例，當在氣壓、溫度起伏較小的條件下，利用 AlphaPUMP 或者一定流速的氣泵，驅動水中脫出的氣體逐一通過氡計量標準器和待測測氡儀后形成閉合回路，此時氡氣在氣泵吹氣的壓力下流動，按照 AlphaPUMP 選擇 1L/min 估算，10min 后，總流量遠遠大于校準系統的體積(約 1.53L)?；诜肿訜徇\動原理，根據菲克定律，氡受到濃度梯度的影響，由高濃度逐漸往低濃度的地方進行移動，同時 10min 后，系統內各處氡濃度相等2425。(3)開展基于氡計量標準器的量值傳遞實驗研究。實驗內容包括：①氡計量標準器對循環氡源進行量值傳遞實驗;②利用氡計量標準器和循環氡源作為校準工具的實驗26。(4)基于實驗結果，確定基于氡計量標準器的量值傳遞技術方案。包括 2 類 8 種類型(其中 1 種，由于條件限制，未開展)，分別給出氣路設計、氣體流量、計算方法、合格指標等技術要求2728。

　　2.1 氡計量標準器對循環氡源進行量值傳遞

　　實驗在室溫以及氣壓起伏較為平穩的時段開展氡計量標準器對循環氡源量值傳遞的實驗。首先，實驗前檢查 AlphaGUARD 測氡儀和 RN-FD 循環氡源，保證其均處于正常狀態。記錄 AlphaGUARD 測氡儀的本底 C₀(Bq・m⁻³)當前室溫和氣壓。將 AlphaGUARD 測氡儀、RN-FD 循環氡源以及氣泵連接在一起，并形成閉合回路。然后，計算氣泵流速。由于循環氡源體積為 120L，AlphaGUARD 測氡儀體積為 0.68 L，氣路體積按照 0.5L 估算，系統體積約 121.2L，為保證 20min 內氡氣在整個系統內充分循環，氣泵最小流速為 6.06L/min，結合循環氡源使用實際，一般流速選擇 20L/min30。當循環結束后，讀取 AlphaGUARD 測氡儀測值，并減去本底 C₀得到均值 C 測一后，按照式(2)進行氣壓、溫度校正，得到校準后的氡值 C 校(Bq/L)。以上方法連續校準 3 次，保證相對誤差小于 5%，均值作為循環氡源的濃度。2021—2023 年，在河北文安地震臺和昌黎地震臺開展實驗，結果表明，利用 AlphaGUARD 測氡儀校準循環氡源技術方案合理，各次相對偏差均小于 3%，最大為 - 2.43%。

　　2.2 氡計量標準器量值傳遞實驗

　　以 AlphaGUARD 測氡儀和 RN-FD 循環氡源作為校準工具，分別開展以下實驗研究：

　　(1)包括以下 7 種實驗：①AlphaGUARD 測氡儀校準 BG2015R 型數字測氡儀實驗(編號為實驗 1)。②RN-FD 循環氡源校準 BG2015R 型數字測氡儀實驗(編號為實驗 2)。③AlphaGUARD 測氡儀校準 DDL-1 型數字測氡儀實驗(編號為實驗 3)。④RN-FD 循環氡源校準 DDL-1 型數字測氡儀實驗(編號為實驗 4)。⑤AlphaGUARD 測氡儀校準 BG2015D 型人工測氡儀實驗(編號為實驗 5)。⑥AlphaGUARD 測氡儀校準 DDL-1 型人工測氡儀實驗(編號為實驗 6)。⑦RN-FD 循環氡源校準 DDL-1 型人工測氡儀實驗(編號為實驗 7)。

　　(2)共涉及 7 種實驗方案，各實驗方案的關鍵點有：①在室溫以及氣壓起伏較為平穩的時段開展儀器校準。②待校準儀器和 AlphaGUARD 測氡儀(或者 RN-FD 循環氡源)應串聯連接，保證氣路封閉，避免氣體泄漏。③根據待測測氡儀觀測原理、觀測方式的不同，設計不同的儀器靜置時間，根據參考標準，設計不同氣泵流速和鼓泡時間。

　　(3)實驗結果。2021—2024 年，分別在甘肅平涼地震臺、鄭州晶微電子科技公司、山西忻州地震臺開展氡計量標準器量值傳遞實驗，結果表明，7 種不同類型的校準技術方案實驗中，多次不同校準 K 值相對偏差均小于 5%，滿足技術要求。AlphaGUARD 測氡儀對 DDL-2 數字測氡儀開展校準，K 值相對偏差最大為 - 4.45%，為歷次校準實驗中，相對偏差最大的。同一類型儀器，分別用 AlphaGUARD 測氡儀和 RN-FD 循環氡源分別進行校準，利用 RN-FD 循環氡源校準結果的相對偏差較小。

　　2.3 確定基于氡計量標準器的量值傳遞技術方案

　　根據實驗結果，本研究制定 7 種校準技術方案。技術方案包括氣路體積、泵流速、鼓泡時間、水樣濃度、水樣體積、儀器靜置時間以及合格指標判定等。

　　3 技術方案評估與應用

　　3.1 氡計量標準器技術方案不確定度評定

　　在研究中，對氡計量標準器量值傳遞技術方案進行不確定度評定，給出每種方案的不確定度評定結果，用于評估技術方案的準確性。在不確定度評定中，每類技術方案都有特定的不確定度分量。

　　在氡計量標準器量值傳遞技術方案中，技術方案不同，不確定度分量也不同。

　　使用 AlphaGUARD 測氡儀和一定濃度的水樣對待測儀器進行量值傳遞的技術方案中，不確定度分量包括氣路體積的影響、泵流速變化影響、鼓泡時間影響、水樣體積影響、靜置時間影響等。在該方案中，固定氣路體積、泵流速、鼓泡時間、水樣體積以及靜置時間，校準過程的不確定度主要來源于標準儀器更高準確度等級定值的不確定度 Uᵦ(N)，以及在同一個濃度下多次測量引起的不確定度 U (Nᵢ)，其中 Uᵦ(N) 由校準證書獲得，U (Nᵢ) 采用 A 類不確定度評定，同一濃度下測量儀器讀數的 A 類不確定度由式(4)獲得。

　　其中，在相同氡濃度下校準，連續測量 n 次，每個測量結果記為 Nᵢ，均值記為 N。對兩類不確定度合成得到標準不確定度 U (N) 以及擴展不確定度 Uᵣₑₗ(N)。

　　以 DDL 型測氡儀為例，得到如下不確定度評定結果，各次評定合成不確定度在 5.50%~9.69% 之間。

　　使用 RN-FD 循環氡源直接對待測測氡儀進行量值傳遞的技術方案中，不確定度分量包括氣路體積、氡值起伏以及多次測量引起。由于 RN-FD 循環氡源無法實時顯示氡濃度，以標準儀器校準的氡濃度值作為系統測值，其自身的不確定度難以直接獲得，因此暫未開展不確定度評定。

　　3.2 氡計量標準器量值傳遞技術方案應用

　　在多個站應用氡計量標準器開展量值傳遞，均取得了較好結果。樊春燕等 2023 年度發表的論文中，給出 12 個數字氡觀測站 2021 年度的校準結果。在本研究中，針對同樣的 12 個數字氡觀測站，于 2022 年度繼續應用氡量值傳遞技術方案，這 12 個氡連續觀測站 2 年校準結果表明，該技術可以在氡觀測儀器觀測年度校準中使用，符合相關技術要求。

　　6 個觀測站的校準結果表明，針對 BG2015R 型測氡儀，每個站 3 次校準結果相對偏差均小于 5%，滿足校準要求。單次校準之間，相對偏差最大的是彌渡水化站 2021 年度校準結果，最大相對偏差為 - 2.9%。其他各站單次校準之間相對偏差均小于 2%。同一觀測站，2021 年和 2022 年兩年校準系數對比，各站相對偏差均小于 5%，滿足校準要求，可以繼續觀測使用。

　　6 個觀測站的校準結果表明，針對 DDL-1 型測氡儀，每個站 3 次校準結果相對偏差均小于 5%，滿足校準要求。單次校準之間，相對偏差最大的是下關水化站 2021 年度校準結果和保山市局 2022 年度校準結果，最大相對偏差分別為 - 4.6% 和 4.6%。其他各站單次校準之間相對偏差均小于 4%。同一觀測站，2021 年和 2022 年兩年校準系數對比，6 個站中，2 個站更換電離室，無法對比，2 個站相對偏差大于 5%，表明儀器老化，需盡快更換儀器，其他 2 個站站相對偏差均小于 5%，滿足校準要求，可以繼續觀測使用。

　　結論和討論

　　本研究基于新型測氡儀，制定利用 AlphaGUARD 測氡儀用作標準儀器開展氡量值傳遞的技術方案并進行廣泛應用，結果表明，該方案科學可靠，能滿足現有地震氡觀測量值傳遞需求。主要有如下結論。

　　(1)初步建立一定濃度范圍內氡計量標準器量值傳遞線性響應關系

　　AlphaGUARD 測氡儀被廣泛作為氡標準儀器應用。本研究建立 0.6 ~ 142.4 Bq・L⁻¹ 范圍內的氡計量標準器量值傳遞線性響應關系。由于條件限制，在 24.252 ~ 142.4 Bq・L⁻¹ 之間，實驗數據較少，在后續研究中，應選擇更多氡室濃度開展實驗，對現有的線性響應關系進行修正和完善。

　　(2)建立氡計量標準器量值傳遞技術方案并進行不確定度評定

　　針對地下流體氡觀測網近年引入的 4 種新型測氡儀，基于廣泛的實驗研究制定 7 種量值傳遞技術方案。該技術方案確定了氣路體積、泵流速、鼓泡時間、水樣濃度、水樣體積、儀器靜置時間、校準系數計算方法以及合格指標判定等技術要點。12 個觀測站連續 2 年的測氯儀校準系數 K 表明，氡計量標準器量值傳遞技術方案科學可行。

　　本研究以 DDL 型測氡儀為例，進行量值傳遞的技術方案不確定度評定，在評定中假設多次校準之間，校準氣路體積、泵流速、鼓泡時間、靜置時間一致，在實際中，很難做到每次校準的氣路體積、泵流速、鼓泡時間、靜置時間完全一樣。下一步研究中，將對氣路體積、泵流速等因素在不確定度評定中予以考慮，給出更為可靠的不確定評定。

　　(3)氡量值傳遞技術方案為測氡儀標定提供技術支撐，保障測值準確可靠

　　地下流體氡觀測網建設的目的是產出穩定可靠的氡觀測數據。氡量值傳遞技術方案為測氡儀多年連續標定提供技術支撐。測氡儀的校準系數 K 直接影響氡測值，在氡數據異常分析中，參考測氡儀校準系數 K 的多年變化特征，可排除測氡儀觀測儀器的影響。氡量值傳遞技術方案的多年連續應用，可保障氡測值準確可靠。

樊春燕;高小其;王小娟;穆慧敏;姚玉霞;張旭燕,中國地震臺網中心;應急管理部國家自然災害防治研究院;甘肅省地震局;山西省地震局,202403