地震杂志投稿格式参考范文：氡计量标准器量值传递技术研究与应用

　　引言

　　自 1966 年邢台地震后，中国开始进行地下流体的水位和水氡观测，经过 50 多年的发展，氡一直是地下流体的重要观测项目并在多次在地震前表现出显著异常。孙小龙等基于《中国震例》(1966—2012 年)的统计表明，水(气)氡类异常达 400 项，占整个地下流体异常总数的 35%。李营等研究指出，氡是目前应用最为广泛的地球化学地震前兆观测测项，在流体地球化学异常中水(气)氡是最主要的异常测项，约占总异常数量的 40%。晏锐等、周晓成等、曹玲玲等开展了多次强震前氡浓度变化和地震关系分析研究。国际上，日本、印度等也开展氡观测，多以密集台阵方式布设，观测项目包括水氡、气氡，取得丰富的地震前兆异常资料和研究成果。为保证氡观测数据的稳定可靠，测氡仪需定时开展量值传递(标定或校准)，得到测氡仪的校准系数 K。

　　国际上的氡校准工作，一般利用辐射实验室开展，一些国家建立了基于立体角计算方法的氡活度校准装置。中国地震局编著地震水文地球化学观测技术规范和地下流体数字化观测技术规范，给出 FD-125 人工测氡仪、FD-105K 人工测氡仪以及 SD-3A 型数字测氡仪的标定技术方案。通过溯源至固体氡源(RN-150 氡源或 FD-3024 氡源)的方式开展。近年来，随着国内相关计量机构中止对固体氡源的校准，固体氡源的量值传递技术中断。此外，随着观测技术升级以及设备更新换代，地下流体氡观测网引入一批新型测氡仪，其中人工测氡仪的型号有 DDL-2(电离法)和 BG2015D(闪烁法)，数字测氡仪的型号有 DDL-1(电离法)和 BG2015R(闪烁法)。

　　新观测仪器在仪器设计、功能实现等方面和原测氡仪有很大不同，无法直接沿用原校准技术方案。为解决这一技术问题，一些学者开展了利用 AlphaGUARD 测氡仪作为标准仪器的量值传递的实验研究。任宏微等、周红艳等利用 AlphaGUARD 测氡仪作为标准仪器，利用一定氡浓度的观测水样(>5 Bq・L⁻¹)对 FD-125 型人工测氡仪闪烁室进行校准，多次校准结果误差小于 5%;起卫罗等利用 AlphaGUARD 测氡仪对 DDL-1 型数字测氡仪进行校准，实验结果和固体氡源校准结果进行对比，K 值相对误差均小于 5%。樊春燕等利用 AlphaGUARD 研究新型数字测氡仪校准方案的技术路线并在观测站进行实践，在 12 个气氡观测站获得应用，各站 K 值相对误差均小于 5%。黄仁桂等研究了地震氡观测溯源技术，以及不同校准方式对氡校准结果的影响，结果表明，循环法校准影响因素较少。氡计量标准器量值传递技术是利用标准仪器开展氡量值传递的技术。该技术方案的关键环节包括：氡计量标准器的准确性验证、计量标准器量值传递技术方案的制定和量值传递方案的评估与应用。在前人研究基础上，本文对 AlphaGUARD 测氡仪的准确性进行了验证，制定 7 种不同的氡量值传递技术方案并在多个观测站进行应用。

　　1 氡计量标准器的准确性验证

　　AlphaGUARD 测氡仪被广泛用于氡标准仪器开展量值传递。该仪器出厂前一般溯源至 PTB(Physikalisch-Technische Bundesanstalt，德国物理技术研究院)。本研究中，从以下三个方面验证氡计量标准器的准确性。

　　(1)定期到中国计量科学研究院、中国地震局第一监测中心检定，以保证仪器低浓度的准确性。依据中华人民共和国国家计量检定规程(JJG825-2013 测氡仪)，氡室浓度范围在 0.4 ~ 10.0 Bq・L⁻¹ 之间，适用于测值较低的氡观测领域测氡仪的检定。同一台 AlphaGUARD 测氡仪分别在 2021 年、2022 年和 2023 年的检定结果表明，在较低浓度下，AlphaGUARD 测氡仪的准确性满足要求。

　　(2)利用测量结果的一致性验证高浓度下测氡仪的一致性。本研究利用 2 台(编号 1，编号 2)不同 AlphaGUARD 测氡仪对同一循环氡源(浓度为 143.23 Bq・L⁻¹)进行浓度测试，结果表明，测值误差为 0.6%，验证了高浓度下 2 台 AlphaGUARD 测氡仪的一致性1516。(3)建立一定浓度范围内 AlphaGUARD 测氡仪浓度响应曲线。在中国地震局第一监测中心计量检定站，新增 3 种不同浓度(10.084 Bq・L⁻¹、17.252 Bq・L⁻¹、24.252 Bq・L⁻¹)氡室进行检定，并结合该仪器在中国计量科学研究院、中国地震局第一监测中心的检定结果以及循环氡源测试结果，给出 AlphaGUARD 测氡仪的校准曲线，得到该仪器线性拟合公式(式 1)，显示在 0.6 ~ 142.4 Bq・L⁻¹ 之间，该仪器响应系数为 0.9947，在 0.6~25.0Bq/L 之间，该仪器响应系数为 0.9958。

　　(Q_{r}=0.9947 Q_{s}-0.0739)其中，Q 为氡标准仪器响应浓度，单位为 Bq/L;Q 为氡室浓度或循环氡源浓度，即为标准浓度，单位为 Bq/L。说明该仪器在一定浓度范围内，响应系数线性较好，在目标浓度范围内进行校准可以取得较好结果。经统计，2023 年，全国水氡观测站氡年均值在 5 ~ 100 Bq・L⁻¹ 之间的占比为 85%，利用 AlphaGUARD 测氡仪和目标浓度范围的水样开展校准，可以满足绝大多数氡观测站氡观测仪器的校准。

　　2 氡计量标准器量值传递技术方案

　　应用氡计量标准器开展量值传递的技术方案，本研究主要思路如下。

　　(1)氡计量标准器定期溯源到参考标准，保证其准确性。(2)氡气在气路系统中运移达到平衡后，气路系统各处氡浓度相等23。研究表明氡在不同介质中运移规律比较复杂，Nielson 等、刘庆成等、何彬等对氡的运移进行了比较系统地分析，表明氡可以附着于大气环境中的少量气态物质或者湿润环境中的水蒸气，又或者是微小的固体颗粒表面，整体形成一个团簇进行活动，运移的方式为扩散和对流。以直接用氡计量标准器开展量值传递为例，当在气压、温度起伏较小的条件下，利用 AlphaPUMP 或者一定流速的气泵，驱动水中脱出的气体逐一通过氡计量标准器和待测测氡仪后形成闭合回路，此时氡气在气泵吹气的压力下流动，按照 AlphaPUMP 选择 1L/min 估算，10min 后，总流量远远大于校准系统的体积(约 1.53L)。基于分子热运动原理，根据菲克定律，氡受到浓度梯度的影响，由高浓度逐渐往低浓度的地方进行移动，同时 10min 后，系统内各处氡浓度相等2425。(3)开展基于氡计量标准器的量值传递实验研究。实验内容包括：①氡计量标准器对循环氡源进行量值传递实验;②利用氡计量标准器和循环氡源作为校准工具的实验26。(4)基于实验结果，确定基于氡计量标准器的量值传递技术方案。包括 2 类 8 种类型(其中 1 种，由于条件限制，未开展)，分别给出气路设计、气体流量、计算方法、合格指标等技术要求2728。

　　2.1 氡计量标准器对循环氡源进行量值传递

　　实验在室温以及气压起伏较为平稳的时段开展氡计量标准器对循环氡源量值传递的实验。首先，实验前检查 AlphaGUARD 测氡仪和 RN-FD 循环氡源，保证其均处于正常状态。记录 AlphaGUARD 测氡仪的本底 C₀(Bq・m⁻³)当前室温和气压。将 AlphaGUARD 测氡仪、RN-FD 循环氡源以及气泵连接在一起，并形成闭合回路。然后，计算气泵流速。由于循环氡源体积为 120L，AlphaGUARD 测氡仪体积为 0.68 L，气路体积按照 0.5L 估算，系统体积约 121.2L，为保证 20min 内氡气在整个系统内充分循环，气泵最小流速为 6.06L/min，结合循环氡源使用实际，一般流速选择 20L/min30。当循环结束后，读取 AlphaGUARD 测氡仪测值，并减去本底 C₀得到均值 C 测一后，按照式(2)进行气压、温度校正，得到校准后的氡值 C 校(Bq/L)。以上方法连续校准 3 次，保证相对误差小于 5%，均值作为循环氡源的浓度。2021—2023 年，在河北文安地震台和昌黎地震台开展实验，结果表明，利用 AlphaGUARD 测氡仪校准循环氡源技术方案合理，各次相对偏差均小于 3%，最大为 - 2.43%。

　　2.2 氡计量标准器量值传递实验

　　以 AlphaGUARD 测氡仪和 RN-FD 循环氡源作为校准工具，分别开展以下实验研究：

　　(1)包括以下 7 种实验：①AlphaGUARD 测氡仪校准 BG2015R 型数字测氡仪实验(编号为实验 1)。②RN-FD 循环氡源校准 BG2015R 型数字测氡仪实验(编号为实验 2)。③AlphaGUARD 测氡仪校准 DDL-1 型数字测氡仪实验(编号为实验 3)。④RN-FD 循环氡源校准 DDL-1 型数字测氡仪实验(编号为实验 4)。⑤AlphaGUARD 测氡仪校准 BG2015D 型人工测氡仪实验(编号为实验 5)。⑥AlphaGUARD 测氡仪校准 DDL-1 型人工测氡仪实验(编号为实验 6)。⑦RN-FD 循环氡源校准 DDL-1 型人工测氡仪实验(编号为实验 7)。

　　(2)共涉及 7 种实验方案，各实验方案的关键点有：①在室温以及气压起伏较为平稳的时段开展仪器校准。②待校准仪器和 AlphaGUARD 测氡仪(或者 RN-FD 循环氡源)应串联连接，保证气路封闭，避免气体泄漏。③根据待测测氡仪观测原理、观测方式的不同，设计不同的仪器静置时间，根据参考标准，设计不同气泵流速和鼓泡时间。

　　(3)实验结果。2021—2024 年，分别在甘肃平凉地震台、郑州晶微电子科技公司、山西忻州地震台开展氡计量标准器量值传递实验，结果表明，7 种不同类型的校准技术方案实验中，多次不同校准 K 值相对偏差均小于 5%，满足技术要求。AlphaGUARD 测氡仪对 DDL-2 数字测氡仪开展校准，K 值相对偏差最大为 - 4.45%，为历次校准实验中，相对偏差最大的。同一类型仪器，分别用 AlphaGUARD 测氡仪和 RN-FD 循环氡源分别进行校准，利用 RN-FD 循环氡源校准结果的相对偏差较小。

　　2.3 确定基于氡计量标准器的量值传递技术方案

　　根据实验结果，本研究制定 7 种校准技术方案。技术方案包括气路体积、泵流速、鼓泡时间、水样浓度、水样体积、仪器静置时间以及合格指标判定等。

　　3 技术方案评估与应用

　　3.1 氡计量标准器技术方案不确定度评定

　　在研究中，对氡计量标准器量值传递技术方案进行不确定度评定，给出每种方案的不确定度评定结果，用于评估技术方案的准确性。在不确定度评定中，每类技术方案都有特定的不确定度分量。

　　在氡计量标准器量值传递技术方案中，技术方案不同，不确定度分量也不同。

　　使用 AlphaGUARD 测氡仪和一定浓度的水样对待测仪器进行量值传递的技术方案中，不确定度分量包括气路体积的影响、泵流速变化影响、鼓泡时间影响、水样体积影响、静置时间影响等。在该方案中，固定气路体积、泵流速、鼓泡时间、水样体积以及静置时间，校准过程的不确定度主要来源于标准仪器更高准确度等级定值的不确定度 Uᵦ(N)，以及在同一个浓度下多次测量引起的不确定度 U (Nᵢ)，其中 Uᵦ(N) 由校准证书获得，U (Nᵢ) 采用 A 类不确定度评定，同一浓度下测量仪器读数的 A 类不确定度由式(4)获得。

　　其中，在相同氡浓度下校准，连续测量 n 次，每个测量结果记为 Nᵢ，均值记为 N。对两类不确定度合成得到标准不确定度 U (N) 以及扩展不确定度 Uᵣₑₗ(N)。

　　以 DDL 型测氡仪为例，得到如下不确定度评定结果，各次评定合成不确定度在 5.50%~9.69% 之间。

　　使用 RN-FD 循环氡源直接对待测测氡仪进行量值传递的技术方案中，不确定度分量包括气路体积、氡值起伏以及多次测量引起。由于 RN-FD 循环氡源无法实时显示氡浓度，以标准仪器校准的氡浓度值作为系统测值，其自身的不确定度难以直接获得，因此暂未开展不确定度评定。

　　3.2 氡计量标准器量值传递技术方案应用

　　在多个站应用氡计量标准器开展量值传递，均取得了较好结果。樊春燕等 2023 年度发表的论文中，给出 12 个数字氡观测站 2021 年度的校准结果。在本研究中，针对同样的 12 个数字氡观测站，于 2022 年度继续应用氡量值传递技术方案，这 12 个氡连续观测站 2 年校准结果表明，该技术可以在氡观测仪器观测年度校准中使用，符合相关技术要求。

　　6 个观测站的校准结果表明，针对 BG2015R 型测氡仪，每个站 3 次校准结果相对偏差均小于 5%，满足校准要求。单次校准之间，相对偏差最大的是弥渡水化站 2021 年度校准结果，最大相对偏差为 - 2.9%。其他各站单次校准之间相对偏差均小于 2%。同一观测站，2021 年和 2022 年两年校准系数对比，各站相对偏差均小于 5%，满足校准要求，可以继续观测使用。

　　6 个观测站的校准结果表明，针对 DDL-1 型测氡仪，每个站 3 次校准结果相对偏差均小于 5%，满足校准要求。单次校准之间，相对偏差最大的是下关水化站 2021 年度校准结果和保山市局 2022 年度校准结果，最大相对偏差分别为 - 4.6% 和 4.6%。其他各站单次校准之间相对偏差均小于 4%。同一观测站，2021 年和 2022 年两年校准系数对比，6 个站中，2 个站更换电离室，无法对比，2 个站相对偏差大于 5%，表明仪器老化，需尽快更换仪器，其他 2 个站站相对偏差均小于 5%，满足校准要求，可以继续观测使用。

　　结论和讨论

　　本研究基于新型测氡仪，制定利用 AlphaGUARD 测氡仪用作标准仪器开展氡量值传递的技术方案并进行广泛应用，结果表明，该方案科学可靠，能满足现有地震氡观测量值传递需求。主要有如下结论。

　　(1)初步建立一定浓度范围内氡计量标准器量值传递线性响应关系

　　AlphaGUARD 测氡仪被广泛作为氡标准仪器应用。本研究建立 0.6 ~ 142.4 Bq・L⁻¹ 范围内的氡计量标准器量值传递线性响应关系。由于条件限制，在 24.252 ~ 142.4 Bq・L⁻¹ 之间，实验数据较少，在后续研究中，应选择更多氡室浓度开展实验，对现有的线性响应关系进行修正和完善。

　　(2)建立氡计量标准器量值传递技术方案并进行不确定度评定

　　针对地下流体氡观测网近年引入的 4 种新型测氡仪，基于广泛的实验研究制定 7 种量值传递技术方案。该技术方案确定了气路体积、泵流速、鼓泡时间、水样浓度、水样体积、仪器静置时间、校准系数计算方法以及合格指标判定等技术要点。12 个观测站连续 2 年的测氯仪校准系数 K 表明，氡计量标准器量值传递技术方案科学可行。

　　本研究以 DDL 型测氡仪为例，进行量值传递的技术方案不确定度评定，在评定中假设多次校准之间，校准气路体积、泵流速、鼓泡时间、静置时间一致，在实际中，很难做到每次校准的气路体积、泵流速、鼓泡时间、静置时间完全一样。下一步研究中，将对气路体积、泵流速等因素在不确定度评定中予以考虑，给出更为可靠的不确定评定。

　　(3)氡量值传递技术方案为测氡仪标定提供技术支撑，保障测值准确可靠

　　地下流体氡观测网建设的目的是产出稳定可靠的氡观测数据。氡量值传递技术方案为测氡仪多年连续标定提供技术支撑。测氡仪的校准系数 K 直接影响氡测值，在氡数据异常分析中，参考测氡仪校准系数 K 的多年变化特征，可排除测氡仪观测仪器的影响。氡量值传递技术方案的多年连续应用，可保障氡测值准确可靠。

樊春燕;高小其;王小娟;穆慧敏;姚玉霞;张旭燕,中国地震台网中心;应急管理部国家自然灾害防治研究院;甘肃省地震局;山西省地震局,202403