深瞳工作室出品
科技日報記者?王迎霞 頡滿斌?策劃 趙英淑 滕繼濮 林莉君
有著600多年歷史的西安古城墻，有些損害在墻體內部，僅憑肉眼無法觀測。蘭州大學核技術創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化團隊帶著研發(fā)的國內首套塑閃宇宙射線繆子成像設備，給西安古城墻做了一次“CT”。值得一提的是，從儀器組裝所需要的材料等硬件到算法系統(tǒng)軟件，團隊都致力于將其本土化。實現(xiàn)技術國產(chǎn)化，這是每位科研人員肩負的重大使命。
吳春至今記得第一次做CT的情景。被推進艙里的那一刻，她緊張、害怕，擔心查出問題，也擔心射線對身體造成影響。
多年過去，她再次經(jīng)歷了這樣的不安，只不過，這次做CT的是古城墻。
西安城墻正北門—安遠門。
吳春是陜西省西安城墻管理委員會副主任，在她的積極聯(lián)系和鼎力支持下，蘭州大學核技術創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化團隊帶著研發(fā)的國內首套塑閃宇宙射線繆子成像設備，給西安古城墻做了一次“CT”。
“一定不要給城墻造成損傷，但也一定要知道‘五臟六腑’都有啥毛病?！眳谴禾岢鲆?。
這是她作為歷史文化遺產(chǎn)守護者的底線。
叫繆子的宇宙射線
有著600多年歷史的西安古城墻，也像人體一樣，會隨著時間的推移出現(xiàn)“健康”問題。
北方夏季雨水較多，西安古城墻被雨水長時間浸泡后，部分墻面出現(xiàn)了快速裂縫和沉陷的現(xiàn)象。盡管城墻管委會一直都在高度關注城墻的各類安全問題，但有些損害在墻體內部，僅憑肉眼無法觀測。
如何檢測古城墻內部情況，進而有針對性地展開修復工程，成為擺在西安城墻管委會面前的重要難題。
在現(xiàn)代醫(yī)學技術的加持下，要想掌握人體的病灶情況，我們可以使用B超、CT、核磁共振等各種影像儀器。想知道一座幾十米高的古城墻的健康狀況，該怎么辦？
“以往，我們用得最多的是鉆孔法，就是通過在墻體上打孔取材的方式，來判斷其內部情況。但這種勘探方式會直接破壞墻體，后期還需要對損壞部分進行修復?！眳谴赫f。
另一種是雷達監(jiān)測法。雷達的頻率越小，穿透程度便會越深，但其精度會相應變差，成像可能出現(xiàn)偏差；而如果探測太淺，又不能夠滿足古建筑、山脈等大型物體的探測深度需要。
“鉆孔法對城墻有損，而使用雷達法，基本上70%的情況都探不出來。”吳春做夢都想找到能夠無損探測的方法。
一個偶然的機會，她結識了蘭州大學核技術創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化團隊。
在給城墻南門的一面墻做三維激光掃描的過程中，吳春不由地感慨：“這激光掃描呀，如果能透視到里面就好了。省得我們苦苦找隱患點，又無計可施?！边@時，操作掃描的老師說自己認識一位蘭州大學教授，他能用一種宇宙射線對物體進行成像，或許可以幫到她。
是物探，還是遙感？
對方說好像都不是，是一種新方法，具體是什么，他也說不清。這下吳春來了興致：“剛好58號馬面（在城墻外側依一定距離修建的凸出墩臺，平面有長方形和半圓形，因外觀狹長如馬面，故名）出了一些問題，我聯(lián)系試試！”
他們說的宇宙射線，就是繆子。
星際空間有很多高能粒子，其中最主要的是質子。高能的質子通過大氣層時會發(fā)生核反應、電離等級聯(lián)反應，從而一生二、二生四，從上往下越來越多，有點像煙花，也像射燈。到達海平面時，里面就富含各種組分，繆子只是其一，還有中子、β射線和γ射線等。它們都被稱為“宇宙射線次級射線”。
“根據(jù)估算，海平面上每平方米面積上每分鐘會落下10000個繆子，也就是說，每秒鐘就會有一個繆子穿過我們的手掌?！碧m州大學核技術創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化團隊相關負責人打比方道，“它們就像下雨一樣澆著我們，淋著我們，時時刻刻穿透我們的身體?！?/p>
作為宇宙中的基本粒子之一，繆子的帶電量為一個負電荷，質量為電子的207倍，它與物體發(fā)生相互作用的方式與電子類似。相比于中子、X射線和γ射線等，宇宙射線繆子具有更強的穿透能力。
很多人都好奇這種神奇的物質，究竟是如何為我所用的。
原來，科研人員在被測物體周邊放置繆子探測器，根據(jù)繆子射線在物體中不同方向的穿透情況，搜集肉眼看不見的繆子計數(shù)，進而在計算機上進行分析，通過數(shù)據(jù)分析計算實現(xiàn)被測物體的三維成像。
“對于城墻這樣十幾米甚至幾十米厚的物體來說，如果里面有個一米大的空洞，我們完全可以通過繆子成像技術檢測到?！痹搱F隊成員劉軍濤從團隊2018年著手干這件事開始，他就跟著全程參與了繆子成像系統(tǒng)的研發(fā)。
藏著秘密的“冰柜”
2021年9月，蘭州大學核科學與技術學院兩位骨干教師，帶著由兩位工程師以及四五位學生組成的團隊，向著古都西安出發(fā)。
與他們同行的，是一個長1.6米形狀酷似冰柜的儀器。
“之所以看起來像一臺冰柜，是因為我們給原來只能在實驗室使用的探測儀器增設了金屬外殼，使設備可以防潮、避光，方便移動?！眲④姖f。
劉軍濤給學生們講解繆子探測系統(tǒng)。
劉軍濤告訴吳春，儀器定型的時間不長，沒有成熟商業(yè)產(chǎn)品那樣漂亮的外觀，但探測效果不受影響。吳春的話給他吃了很大一顆定心丸：“不管啥方法，只要是科學的，我們都歡迎！”
這臺貌不驚人的方疙瘩，隱藏著能給城墻看病的秘密。
它包括多對探測器層和采集板，負責收集從宇宙中散落下來的繆子與信息轉換；一個用于數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測與存儲的主機系統(tǒng)；一臺移動電源，可確保儀器在野外運行時有穩(wěn)定的供電；一個用于調控設備內溫度和濕度的空調系統(tǒng)……
繆子成像技術研究，目前國內也有少數(shù)同行團隊在做。蘭州大學核技術創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化團隊的不同之處在于，他們已經(jīng)從實驗室測試階段走向了實際應用。
2020年11月，該團隊成功研發(fā)我國首套塑閃宇宙射線繆子成像系統(tǒng)，并順利完成專家驗收。
“‘塑閃’是塑料閃爍體的簡寫?？娮油ㄟ^塑料閃爍體后會產(chǎn)生光，有閃爍光就代表有繆子通過這個材料。我用光電轉換的器件，可以把光信號轉為電信號，看到脈沖后，表示已經(jīng)捕捉到了繆子?！眲④姖f。
采集繆子只是第一步。
隨后，他們不斷完善軟件模型，模擬成像場景，調整各類參數(shù)，最終將其帶到西安古城墻下，開始“首秀”。
繆子成像技術主要有兩種成像原理，即角度散射成像和強度衰減成像。此次西安古城墻探測運用的便是強度衰減成像法。
這一成像方法的原理是，繆子在物體內部穿行過程中會損失能量，而當其能量損失殆盡時便會被物體吸收，這將使探測到的繆子強度減小，所以宇宙射線繆子強度減小量取決于物體的厚度及材料密度。因此，在已知物體外部輪廓的情況下，通過探測繆子強度衰減，可以推導得到被探測物體的密度，從而對物體的內部結構與物質組成進行重構。
“這就像人們利用X射線掃描身體，通過透視人體骨骼從而成像一樣?！眲④姖榻B說，山體、建筑物、歷史遺跡等大型物體的內部結構成像，用的也是這一原理。
吳春給他們指定的測試段是城墻58號馬面處。
正如給人體做三維影像檢查會采用放射源與探測器旋轉多角度成像，想要給城墻做“CT”，也需要從不同角度采集多組數(shù)據(jù)。團隊采取了環(huán)繞馬面設置6個觀測點的方案，放置探測器進行數(shù)據(jù)采集。
正在作業(yè)中的探測器。
沒想到，剛把機器安放好，又一波全國范圍的新冠疫情席卷而來。
那是2021年秋，實驗面臨的最大問題是，因為防疫政策需要，探測器不能按照計劃不停地變換位置。團隊只能因陋就簡，順勢而為，及時改變了測量計劃。終于在2022年春節(jié)前夕，他們將儀器帶回蘭州。
讓吳春吃驚的是，這個團隊成功測試出了城墻中的低密度區(qū)域——也就是一個配電室。在測試團隊事先并不知道的情況下，他們通過宇宙繆子成像技術清晰地呈現(xiàn)出它的位置、形狀、大小。
“這一高精度成像再次驗證了使用繆子成像技術能夠完成被測物體三維成像的可行性?！眲④姖硎尽?/p>
他們和58號馬面
科研從來無坦途。蘭州大學核技術創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化團隊雖然首戰(zhàn)告捷，但在實際探測過程中，還是遇到了不少困難。
宇宙射線繆子成像技術利用的是不需要人工放射源產(chǎn)生的天然射線，具有無接觸勘探、不受時空限制、不會對勘探物體造成任何傷害、綠色環(huán)保等特點，但它的使用受客觀條件影響較大。
“不像醫(yī)院里使用人工射線源，環(huán)境比較單純，我們的儀器往往放置在室外，得經(jīng)歷風吹日曬等自然環(huán)境的考驗?！碧m州大學2020級能源動力專業(yè)碩士研究生姚凱強說。
在室外使用就會出現(xiàn)各種問題，比如電路短路，或者電壓波動較大等，設備接收到的信號也會跳動不穩(wěn)。整個墻體的勘探過程耗時將近4個月，為了應對各種環(huán)境的考驗，團隊對實驗室內原來使用的平板探測器進行了升級與調整。
姚凱強和另一名師兄專門留在了西安，隔兩天就得去現(xiàn)場調整儀器。另外，后期也需要處理那些不穩(wěn)定環(huán)境下接收到的雜亂數(shù)據(jù)。
與數(shù)據(jù)收集相比，更大的挑戰(zhàn)在于開發(fā)反演成像的算法平臺。
“我們在進行文物探測的過程中總會遇到一個問題，就是測量到的數(shù)據(jù)比待解的未知量少很多。比如有兩個變量一個方程的情況下，方程的解是無窮多的。”對2021級核技術專業(yè)碩士研究生劉國睿來說，這就需要她和小伙伴在龐雜的結果中挑選出能夠同時滿足多個方程的模型，選擇最合理的結果。
來西安之前，劉國睿、姚凱強等人首先根據(jù)描述對城墻進行了可行性分析，幾何模型比較簡單，僅僅知道城墻的長寬高，里面可能有什么情況。在仿真中，他們需要先把城墻的模型大致建好，再進行正演計算，用正演的結果去反演成像。
“相當于我們先算一個可能得到的測量結果，然后用這個測量結果做反演，看能不能給里面的防空洞成出一個三維圖像來。”劉國睿說。
確定做58號馬面后，他們把模型更加細化了。
初期建的模型特別簡單，就是一個矩形的堆，后來又加上馬面，對尺寸進行調整。激光測繪把整個城墻的輪廓描繪清楚之后，他們決定換模型，盡管那時6個探測點都已確定。
最后一次模擬時，探測點位早已敲定，團隊更新了非常細化的城墻輪廓，決定重新建模再做一次。根據(jù)優(yōu)質成像的分辨率，他們在馬面里假設了一個防空洞，看能不能成像。
另一個難題是遇到密度異常部分時的演算。
劉國睿念大三時就加入該課題組學習，后繼續(xù)在此攻讀研究生，在她看來，整體測算并不困難，但密度異常體與周邊部分銜接地帶，算起來有難度?！斑@些地方的密度解出來可能會帶有系統(tǒng)偏差。”她說。
最終的研究結果就是，這次試驗精度可以對城墻內部一個長寬高均為1米的防空洞成像出來。
“我們還測到馬面北面比較空虛，當時比較質疑這個結果，為此做了好多驗證?！眲娬{，他們必須排除是不是自己技術方面的原因，比如數(shù)據(jù)處理不當、測量問題之類。排除過后，得出結論——58號馬面北墻附近的夯土密度確實較低。
回想起這一幕，這個性格沉靜的女孩，終于有了笑意。
追尋“中國方案”
蘭州大學師生付出的所有努力，吳春都看在眼里。實際上，58號馬面的情況，她早有掌握。她就想看看這宇宙射線繆子成像技術，到底行不行。
劉國睿在分析馬面數(shù)據(jù)的過程中發(fā)現(xiàn)，磚和夯土之間好像有空腔，因為不確定，就反復向吳春求證。
“小姑娘問，里面是不是有空腔？為什么會有？是真的有，還是我們收集的數(shù)據(jù)不夠、計算方法不對而導致的偏差？我當時就欣慰地笑了?！钡珔谴翰]有挑明，而是讓她繼續(xù)往下做。
后來的成果報告會上，吳春正式向有關部門匯報稱，蘭州大學核技術創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化團隊的繆子成像結果，跟西安城墻管委會掌握的情況基本吻合。從此，她對他們更加信任了。
這份信任，源于科研人員對自身的嚴格要求。
在所有人看來，大膽質疑、小心求證是科學精神最重要的品格之一，他們恪守這一理念，初心不改。
“為什么是這個，而不是那個？哪一步出了錯，都無法導出正確結果?！眲④姖钪O其研究之復雜，意義之深遠。
如今，團隊已經(jīng)擴展至30余人，每個人分工明確。導師的悉心培養(yǎng)和團隊的互幫互助，讓青年科研人員受益匪淺。在讀研二的劉國睿，已在物理學經(jīng)典期刊上發(fā)表研究論文，內容便是針對宇宙射線繆子技術在實地應用中出現(xiàn)的問題，并提出探索性的解決方案。
每一位成員的心里，都有浩瀚宇宙。
中華文明上下五千年，源遠流長，在悠悠歲月中厚重沉淀。當前，隨著科技已經(jīng)成為考古發(fā)展新動力，他們在完成西安城墻成像工作的過程中，逐漸感受到繆子成像技術未來在科技考古領域的廣闊前景。
“這項技術以后在大型遺跡考古中一定會發(fā)揮作用，我們也想在科技考古領域做成標桿性的亮點?！眲④姖嬖V記者，今年，敦煌研究院也與團隊接觸并計劃建立合作關系，他們將在深入探測石窟內部結構的工作中共同努力。
與不斷發(fā)展的成像技術相輔相成的，是持續(xù)更新的應用場景。
一直以來，繆子成像技術應用的瓶頸主要在于探測系統(tǒng)現(xiàn)場應用場景的適應性、成本控制等。在團隊不斷優(yōu)化完善下，這項技術也從考古探測發(fā)展到了地質勘查、礦產(chǎn)勘探、集裝箱檢測等更廣闊的空間。
工作人員正在組裝探測器。
前段時間，團隊又有了新思路：是否可以使用繆子成像技術探測青藏高原的冰川厚度，明晰巖石邊界？對他們來說，制作輕量化、耐低溫的繆子成像儀器，正在成為新的探索方向。
值得一提的是，從儀器組裝所需要的材料等硬件到算法系統(tǒng)軟件，蘭州大學核技術創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化團隊都致力于將其本土化。
是啊，要想獲得“中國方案”、作出“中國貢獻”，必須實現(xiàn)技術國產(chǎn)化，這是每位科研人員肩負的重大使命。劉軍濤欣喜地透露，現(xiàn)在團隊這項技術的國產(chǎn)化率已經(jīng)達到了95%左右。
今年，一直致力于文物保護高質量發(fā)展的吳春，又與蘭州大學團隊取得了聯(lián)系，看實驗能否深入開展。她寄希望于下一步的合作能夠證實這種技術更安全、更準確，同時輔以地質勘查，為墻體的修繕工程提供可靠參考，使得預防性保護更具前瞻性。
“經(jīng)過這樣完整的檢驗之后，我們希望這種技術能夠得到廣泛應用?？梢韵嘈牛萍紝⒅χ袊脊庞瓉怼S金時代’?！眳谴赫f。
考古科技化，技術國產(chǎn)化，歸根到底都是高水平科技自立自強。
這是一條遙遠而艱辛的路。
每個人都渴望化身滴水，匯入時代的海河，信念灼灼。
（圖片由受訪者提供）
