微型氡室应用于地震测氡仪校准实验

第40卷第8期2020年8月
大地测量与地球动力学
J o u r n a l o fG e o d e s y a n dG e o d y
n a m i c s V o l .40N o .8
A u g
.,2020收稿日期:2019-09-06
项目来源:中国地震局地震科技星火计划(X H 18025Y );中国地震局 三结合 课题(3J H -202001053,3J H -201902012,3J H -201902013
)㊂第一作者简介:黄仁桂,工程师,主要从事地震监测预报和地震计量研究,E -m a i l :511419387@q q
.c o m ㊂D O I :10.14075/j .j g g
.2020.08.018文章编号:1671-5942(2020)08-0865-05
微型氡室应用于地震测氡仪校准实验
黄仁桂1,2
罗齐彬3 姚玉霞4 赵 影1,2 李雨泽1,2 肖 健1,2
1 江西省地震局,南昌市昌东大道6929号,330039
2 地震监测氡观测仪器校准平台,南昌市昌东大道6929号,330039
3 东华理工大学核技术应用教育部工程研究中心,南昌市广兰大道418号,330013
4 甘肃省地震局平凉中心地震台,甘肃省平凉市广成路231号,744000
摘 要:为满足地震氡观测仪校准和检定周期内的核查需要,结合氡衰变规律和测量原理,研制便携式微型氡室校准测氡仪㊂该仪器可有效解决标准镭源的监管等问题,实现地震测氡仪的质量控制㊂根据相关技术要
求进行校准效能测试,结果表明,微型氡室能够应用于测氡仪的标定和响应实验㊂关键词:测氡仪;地震;微型氡室;校准实验中图分类号:P 315 文献标识码:A
铀系衰变链中放射性惰性气体氡(222
R n )
测量在地震预报领域具有广泛应用[
1-2
]㊂氡观测是国际上公认的地震监测手段之一,也是我国地震观测台网中的重要测项之一,在地震趋势分析与
短临震情研判中发挥着重要作用[
3-8
]㊂为确保测量质量,在氡计量体系内,测氡仪需要在可溯源的氡室中进行刻度校准㊂目前测氡仪使用的氡源为进口R n -105,其审批和监管流程复杂,使很多台站的固体氡源不能及时检定,严重影响氡观测资
料的可靠性与准确性[9]
㊂因此,有必要研发运输
方便㊁适合对少量氡监测仪进行现场校准的便携式测氡仪校准器㊂东华理工大学在中国地震局地震地下流体学科组提出的相关校准要求下,成功研制H D -m i n 测氡仪校准器工程样机(便携式微型氡室),本文将对H D -m i n 测氡仪校准器进行相关实验和结果分析㊂
1 便携式微型氡室
本文装置给定的3个氡浓度分别为800B q
/m 3㊁1500B q /m 3㊁3000B q /m 3
,并能通过主循环系统快速调节氡箱的氡浓度㊂
1.1 微型氡室结构设计及技术指标
微型氡室主要由氡积累箱㊁氡浓度调控系统㊁氡浓度快速调节系统㊁氡浓度监测系统㊁废气排控系统(选配)及温湿度监测系统(选配)等构成,总体结构如图1所示
[10]
㊂
图1 微型氡室结构
F i g
.1 S t r u c t u r e o fm i n i a t u r e r a d o n c h a m b e r 图2为氡室箱体结构样图㊂氡室箱体内部标
称体积为60L ,高67c m ,直径45c m ,内置一层水平不锈钢网格平台,可放置部分被动式测氡仪㊂
箱体内还设有气体均匀装置,可快速使箱体内部氡气均匀分布㊂箱体内胆采用进口304#耐腐蚀不锈钢材料制成,箱体盖可完全打开,测氡仪和氡校准设备能够放进和取出㊂电源和数据传送插件安装在箱盖上,用来为氡校准和数据传送提供能量㊂在氡室使用时,氡室箱盖用钢箍完全封闭㊂微型氡室主要技术指标见表1㊂
1.2 微型氡室校准工作原理
微型氡室的主要作用是提供一个持续稳定的氡浓度环境,而实际上氡室氡浓度只要求在一定误差范围内保持稳定,即动态稳定㊂氡室的氡浓度
大地测量与地球动力学2020年8
月
图2微型氡室正面图
F i g.2 F r o n t v i e wo fm i n i a t u r e r a d o n c h a m b e r
表1微型氡室技术指标
T a b.1T e c h n i c a l i n d e x e s o fm i n i a t u r e r a d o n c h a m b e r 序号名称技术指标
1体积0.06m3
2222R n浓度范围1000~100000B q/m3
3稳定性1000~5000B q/m3ʃ(3%~15%)
5000~100000B q/m3ʃ(3%~8%) 4氡浓度调控可快速升高或降低氡室氡浓度
5可测温度范围-20~60ħ
6可测湿度范围0~100%
动态稳定可采用补氡流程来实现[10-12],其工作原理为:在系统预设的温度㊁湿度环境参数下,根据氡和氡子体测量仪器校准和鉴定的需要设定目标浓度,由流气式固体氡源按照一定的流率向氡室箱体内补充氡气,当氡室内氡浓度积累到目标浓度时,氡源停止向氡室补氡㊂停止补氡后,由于放射性元素具有衰变性,氡室内氡浓度会发生变化,因此需要根据氡的衰变速度㊁系统的泄漏率㊁中途取气和氡子体吸附等影响因素,在一定时间内采用间歇补氡和常量补氡方式进行中途循环补氡,从而保持微型氡室内氡及氡子体浓度的动态均匀稳定,以满足氡和氡子体测量仪校准鉴定的需要㊂微型氡室中222R n由氡气测量仪器进行监测,并通过可控装置进行调节控制,使氡室在校准工作期间维持标准浓度值[13]㊂222R n由A l p h a G U A R D P Q2000P R O测氡仪进行监测,该仪器由中国计量科学研究院校准㊂
2计量校准实验
在对微型氡室进行补氡监测或对仪器进行标定工作之前,需要对装置的气路进行检查㊂ 大气进 接口可直接与外部大气连接,使外界气体往装置内部充气㊂将一定长度的皮管(或硅胶管等)套在快换接头上,并将此快换接头插在 大气出
接
图3氡室动态稳定流程
F i g.3 D y n a m i c s t a b i l i z a t i o n p r o c e s s o f r a d o n c h a m b e r 口上,使装置内部的气体通过此接口排出㊂将监控氡浓度的仪器或需要标定的仪器的入口与 采样出 接口相连,并把所连接仪器的出气口与 采样进 接口相连,形成循环气路(图4)㊂
图4标定模式气路
F i g.4
G a s c i r c u i t o f c a l i b r a t i o nm o d e
2.1微型氡室稳定性实验
微型氡室内222R n浓度(放射性体积活度)设计范围为100~10000B q/m3,依据J J G825-2013‘测氡仪检定规程“要求,选择800B q/m3㊁1500 B q/m3和3000B q/m3等3个目标氡浓度进行实验,检验其是否满足国家测氡仪检定规程的要求[14]㊂表2为A l p h a G U A R DP Q2000P R O测氡仪检定结果㊂
表2A l p h a G U A R DP Q2000P R O测氡仪检定结果
T a b.2V e r i f i c a t i o n r e s u l t s o f t h eA l p h a G U A R D
P Q2000P R Or a d o nm e a s u r i n g i n s t r u m e n t 序号
标准浓度
/(B q㊃m-3)测量浓度
/(B q㊃m-3)体积活度
响应R
体积活度响
应R平均值11075.001136.201.057 210250.0010726.401.0461.055 328297.0030080.001.063
设置目标浓度为800B q/m3,补氡结束经过3 h放射性平衡后,微型氡室稳定运行77h,在此期间氡室内氡浓度为(786.05ʃ28.09)B q/m3,平均氡浓度误差范围在3.57%内(图5)㊂设置目标浓度为1500B q/m3,补氡结束经过3h放射性平衡后,氡室稳定运行271h,此期间氡室内氡浓度为(1395.21ʃ34.59)B q/m3,平均氡浓度误差
668
第40卷第8期
黄仁桂等:微型氡室应用于地震测氡仪校准实验
范围在2.48%内(图6)㊂设置目标浓度为3000
B q
/m 3
,补氡结束经过3h 放射性平衡后,氡室稳定运行503h ,在此期间氡室内氡浓度为
(2727.31ʃ71.66)B q
/m 3
,平均氡浓度误差范围在2.63%内(
图7)㊂图5 氡浓度800B q
/m 3
稳定阶段1h 后氡浓度均值F i g
.5 M e a n c o n c e n t r a t i o no f r a d o n i n1ha t t h e s t a b l e s t a g e o f 800B q /m
3图6 氡浓度1500B q
/m 3
稳定阶段1h 后氡浓度均值F i g
.6 M e a n c o n c e n t r a t i o no f r a d o n i n1ha t t h e s t a b l e s t a g e o f 1500B q
/m
3图7 氡浓度3000B q
/m 3稳定阶段1h 后氡浓度均值F i g
.7 M e a n c o n c e n t r a t i o no f r a d o n i n1ha t t h e s t a b l e s t a g e o f 3000B q
/m 3J J G 825-2013
‘测氡仪检定规程“对氡室计量装置的要求为:氡体积活度可调控测量范围不小
于(400~10000)B q
/m 3
,相对固有误差不超过ʃ5%,
氡体积活度8h 稳定性优于5%,相对扩展不确定度不超过10%(K =2)㊂表3为A l p
h a -G U A R DP Q 2000P R O 测氡仪稳定性测试结果,
结果中稳定时间远大于8h ,稳定性均小于4%,满足J J G 825-2013‘测氡仪检定规程“对氡室计量装置的要求㊂
表3 A l p h a G U A R DP Q
2000P R O 测氡仪稳定性测试结果T a b .3 S t a b i l i t y t e s t r e s u l t s o fA l p h a G U A R DP Q
2000P R Or a d o nm e a s u r i n g
i n s t r u m e n t 序号理论氡浓度/(B q ㊃m -3)实验时长/h 实际氡浓度/(B q ㊃m -3)绝对量偏差/(B q ㊃m -3)标准偏
差/%1800
77
786.05
28.093.57215002711395.2134.592.483
30005032727.3171.66
2.63
2.2 微型氡室校准实验
将中国计量院已标定的R A D 7测氡仪作为
标准参考仪器,被校准仪器为九江地震台在线观测仪器B L 2015-D 002测氡仪,该仪器标准刻度系数为43㊂将R A D 7测氡仪㊁B L 2015-D 002测氡仪与微型氡室串联形成循环,按照J J G 825-2013‘测氡仪检定规程“进行检测操作㊂微型氡室在06-1617:00初始浓度为103B q
/m 3
,设置目标浓度为800B q /m 3;补氡结束经过3h 放射性平衡后,微型氡室稳定运行12h ,
此期间氡室内氡浓度在(800ʃ5%)B q /m 3
范围内波动(图8);06-1709:10~10:00对B L 2015-D 002测氡仪进行校准㊂06-1721:00开始进行1500B q
/m 3
补氡操作,在补氡结束经过3h 放射性平衡后,氡室稳定运行7
h ,此期间氡浓度在(1400ʃ4%)B q
/m 3
范围内波动(图9);06-1808:19~09:09对B L 2015-
D 002测氡仪进行校准㊂06-1810:45设置目标浓
度为3000B q /m 3,在补氡结束经过3h 放射性平衡后,氡室稳定运行12h ,
此期间平均氡浓度在(2800ʃ5%)B q /m 3
范围内波动(图10);06-1905:40~06:30对B L 2015-D 002测氡仪进行校准㊂
3次校准数据见表4㊂
图8 氡浓度800B q
/m 3
稳定阶段1h 氡浓度均值F i g
.8 M e a n c o n c e n t r a t i o no f r a d o n i n1ha t t h e s t a b l e s t a g e o f 800B q /m
37
68
大地测量与地球动力学
2020年8
月
图9 氡浓度1500B q
/m 3
稳定阶段1h 氡浓度均值F i g
.9 M e a n c o n c e n t r a t i o no f r a d o n i n1ha t t h e s t a b l e s t a g e o f 1500B q
/m
3图10 氡浓度3000B q
/m 3
稳定阶段1h 氡浓度均值F i g
.10 M e a n c o n c e n t r a t i o no f r a d o n i n1ha t t h e s t a b l e s t a g e o f 3000B q
/m 3表4 B L 2015-D 002测氡仪刻度数据
T a b .4 C a l i b r a t i o nd a t a o fB L 2015-D 002r a d o nm e a s u r i n g
i n s t r u m e n t 取样时间约定真值
/(B q ㊃m -3)B L2015-D 002测量值/c p m 1
2
3
4
5
6
均值刻度系数/
(B q ㊃m -3㊃c p
m -1)09:11~10:01
886.5
25.722.016.421.421.516.920.742.808:19~09:091398.931.932.632.030.433.032.732.143.605:40~06:30
2756.361.0
61.2
53.461.457.264.3
59.7
46.2
本次实验B L 2015-D 002测氡仪刻度系数为
44.2,校准系数为1.028㊂将B L 2015-D 002测氡仪与A l p
h a G U A R DP Q 2000P R O 测氡仪串联后在九江地震台进行在线比测㊂结果表明,用校准系数进行量值统一后的测量值与A l p
h a G U A R D P Q 2000P R O 测量值更接近(图11
)㊂图11 校准前后B L 2015-D 002测氡仪与A l p
h a G U A R D P Q 2000P R O 测氡仪测量值对比(K =1.028)F i g .11 M e a s u r e dv a l u e s c o m p a r i s o no fB L 2015-D 002a n dA l p h a G U A R DP Q 2000P R Or a d o nm e a s u r i n g
i n s t r u m e n t b e f o r e a n da f t e r c a l i b r a t i o n (K =1.028
)3 结 语
依据J J G 825-2013
‘测氡仪检定规程“对微型氡室进行稳定性和校准实验,实验结果符合规程要求㊂微型氡室的应用能解决部分测氡仪的校准和期间核查问题,但还需进一步提高和改善,从而应用于测氡仪的比对和质量控制,为地震监测预报和科研服务㊂参考文献
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U s i n g t h eM i n i a t u r eR a d o nC h a m b e r
HU A N GR e n g u i1,2L U OQ i b i n3Y A OY u x i a4Z HA OY i n g1,2L IY u z e1,2X I A OJ i a n1,2 1J i a n g x i E a r t h q u a k eA g e n c y,6929C h a n g d o n g R o a d,N a n c h a n g330039,C h i n a
2S e i s m i cR a d o nO b s e r v a t i o n I n s t r u m e n tT e s t i n g P l a t f o r m,6929C h a n g d o n g R o a d,N a n c h a n g330039,C h i n a
3 E n g i n e e r i n g R e s e a r c hC e n t e r o fN u c l e a rT e c h n o l o g y A p p l i c a t i o n,M i n i s t r y o fE d u c a t i o n,E a s tC h i n aU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,
418G u a n g l a nR o a d,N a n c h a n g330013,C h i n a
4 P i n g l i a n g C e n t r a l S e i s m i c S t a t i o no fG a n s uE a r t h q u a k eA g e n c y,231G u a n g c h e n g R o a d,P i n g l i a n g744000,C h i n a
A b s t r a c t:I no r d e rt o m e e t t h en e e d so fc a l i b r a t i o na n dv e r i f i c a t i o nd u r i n g t h ec a l i b r a t i o n p e r i o do f e a r t h q u a k e r a d o no b s e r v a t o r y,a p o r t a b l em i n i a t u r e r a d o n c h a m b e r i s d e v e l o p e d,c o m b i n i n g d e c a y l a w a n d t h e m e a s u r i n gp r i n c i p l eo fr a d o n.T h i s i n s t r u m e n tc a ne f f e c t i v e l y o v e r c o m et h es u p e r v i s i o no f s t a n d a r d r a d i u ms o u r c e sa n dr e a l i z et h e q u a l i t y c o n t r o lo fe a r t h q u a k er a d o n m e a s u r i n g i n s t r u m e n t. T h e c a l i b r a t i o ne f f i c i e n c y t e s t i s c a r r i e do u t a c c o r d i n g t o t h e r e l a t e dt e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s.T h e r e-s u l t s s h o wt h a t t h em i n i a t u r e r a d o n c h a m b e r s y s t e mc a nb e a p p l i e d t o t h e c a l i b r a t i o n a n d r e s p o n s e e x-p e r i m e n t o f r a d o nm e a s u r i n g i n s t r u m e n t,s e r v i n g e a r t h q u a k em o n i t o r i n g,p r e d i c t i o na n ds c i e n t i f i c r e-s e a r c h.
K e y w o r d s:r a d o nm e a s u r i n g i n s t r u m e n t;e a r t h q u a k e;m i n i a t u r e r a d o n c h a m b e r;c a l i b r a t i o n e x p e r i m e n t
F o u n d a t i o n s u p p o r t:T h e S p a r kP r o g r a mo f E a r t h q u a k eT e c h n o l o g y o f C E A,N o.X H18025Y;C o m b i n a t i o nP r o j e c tw i t hM o n i t o r i n g,P r e-d i c t i o na n dS c i e n t i f i cR e s e a r c ho fE a r t h q u a k eT e c h n o l o g y,C E A,N o.3J H-202001053,3J H-201902013,3J H-201902012.
A b o u t t h e f i r s t a u t h o r:HU A G N R e n g u i,e n g i n e e r,m a j o r s i ne a r t h q u a k em o n i t o r i n g a n d p r e d i c t i o na n de a r t h q u a k em e t r o l o g y,E-m a i l: 511419387@q q.c o m.
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