深瞳工作室出品
科技日?qǐng)?bào)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(nèi)部,僅憑肉眼無(wú)法觀測(cè)。蘭州大學(xué)核技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊(duì)帶著研發(fā)的國(guó)內(nèi)首套塑閃宇宙射線繆子成像設(shè)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(tuán)隊(duì)都致力于將其本土化。實(shí)現(xiàn)技術(shù)國(guó)產(chǎn)化,這是每位科研人員肩負(fù)的重大使命。
吳春至今記得第一次做CT的情景。被推進(jìn)艙里的那一刻,她緊張、害怕,擔(dān)心查出問(wèn)題,也擔(dān)心射線對(duì)身體造成影響。
多年過(guò)去,她再次經(jīng)歷了這樣的不安,只不過(guò),這次做CT的是古城墻。
西安城墻正北門—安遠(yuǎn)門。
吳春是陜西省西安城墻管理委員會(huì)副主任,在她的積極聯(lián)系和鼎力支持下,蘭州大學(xué)核技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊(duì)帶著研發(fā)的國(guó)內(nèi)首套塑閃宇宙射線繆子成像設(shè)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(hù)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(huì)隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)“健康”問(wèn)題。
北方夏季雨水較多,西安古城墻被雨水長(zhǎng)時(shí)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(huì)一直都在高度關(guān)注城墻的各類安全問(wèn)題,但有些損害在墻體內(nèi)部,僅憑肉眼無(wú)法觀測(cè)。
如何檢測(cè)古城墻內(nèi)部情況,進(jìn)而有針對(duì)性地展開(kāi)修復(fù)工程,成為擺在西安城墻管委會(huì)面前的重要難題。
在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)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(guò)在墻體上打孔取材的方式,來(lái)判斷其內(nèi)部情況。但這種勘探方式會(huì)直接破壞墻體,后期還需要對(duì)損壞部分進(jìn)行修復(fù)?!眳谴赫f(shuō)。
另一種是雷達(dá)監(jiān)測(cè)法。雷達(dá)的頻率越小,穿透程度便會(huì)越深,但其精度會(huì)相應(yīng)變差,成像可能出現(xiàn)偏差;而如果探測(cè)太淺,又不能夠滿足古建筑、山脈等大型物體的探測(cè)深度需要。
“鉆孔法對(duì)城墻有損,而使用雷達(dá)法,基本上70%的情況都探不出來(lái)。”吳春做夢(mèng)都想找到能夠無(wú)損探測(cè)的方法。
一個(gè)偶然的機(jī)會(huì),她結(jié)識(shí)了蘭州大學(xué)核技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊(duì)。
在給城墻南門的一面墻做三維激光掃描的過(guò)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(diǎn),又無(wú)計(jì)可施?!边@時(shí),操作掃描的老師說(shuō)自己認(rèn)識(shí)一位蘭州大學(xué)教授,他能用一種宇宙射線對(duì)物體進(jìn)行成像,或許可以幫到她。
是物探,還是遙感?
對(duì)方說(shuō)好像都不是,是一種新方法,具體是什么,他也說(shuō)不清。這下吳春來(lái)了興致:“剛好58號(hào)馬面(在城墻外側(cè)依一定距離修建的凸出墩臺(tái),平面有長(zhǎng)方形和半圓形,因外觀狹長(zhǎng)如馬面,故名)出了一些問(wèn)題,我聯(lián)系試試!”
他們說(shuō)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(zhì)子。高能的質(zhì)子通過(guò)大氣層時(shí)會(huì)發(fā)生核反應(yīng)、電離等級(jí)聯(lián)反應(yīng),從而一生二、二生四,從上往下越來(lái)越多,有點(diǎn)像煙花,也像射燈。到達(dá)海平面時(shí),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(jí)射線”。
“根據(jù)估算,海平面上每平方米面積上每分鐘會(huì)落下10000個(gè)繆子,也就是說(shuō),每秒鐘就會(huì)有一個(gè)繆子穿過(guò)我們的手掌?!碧m州大學(xué)核技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊(duì)相關(guān)負(fù)責(zé)人打比方道,“它們就像下雨一樣澆著我們,淋著我們,時(shí)時(shí)刻刻穿透我們的身體。”
作為宇宙中的基本粒子之一,繆子的帶電量為一個(gè)負(fù)電荷,質(zhì)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(qiáng)的穿透能力。
很多人都好奇這種神奇的物質(zhì),究竟是如何為我所用的。
原來(lái),科研人員在被測(cè)物體周邊放置繆子探測(cè)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(jiàn)的繆子計(jì)數(shù),進(jìn)而在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析,通過(guò)數(shù)據(jù)分析計(jì)算實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體的三維成像。
“對(duì)于城墻這樣十幾米甚至幾十米厚的物體來(lái)說(shuō),如果里面有個(gè)一米大的空洞,我們完全可以通過(guò)繆子成像技術(shù)檢測(cè)到。”該團(tuán)隊(duì)成員劉軍濤從團(tuán)隊(duì)2018年著手干這件事開(kāi)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(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院兩位骨干教師,帶著由兩位工程師以及四五位學(xué)生組成的團(tuán)隊(duì),向著古都西安出發(fā)。
與他們同行的,是一個(gè)長(zhǎng)1.6米形狀酷似冰柜的儀器。
“之所以看起來(lái)像一臺(tái)冰柜,是因?yàn)槲覀兘o原來(lái)只能在實(shí)驗(yàn)室使用的探測(cè)儀器增設(shè)了金屬外殼,使設(shè)備可以防潮、避光,方便移動(dòng)?!眲④姖f(shuō)。
劉軍濤給學(xué)生們講解繆子探測(cè)系統(tǒng)。
劉軍濤告訴吳春,儀器定型的時(shí)間不長(zhǎng),沒(méi)有成熟商業(yè)產(chǎn)品那樣漂亮的外觀,但探測(cè)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(xué)的,我們都?xì)g迎!”
這臺(tái)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(duì)探測(cè)器層和采集板,負(fù)責(zé)收集從宇宙中散落下來(lái)的繆子與信息轉(zhuǎn)換;一個(gè)用于數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測(cè)與存儲(chǔ)的主機(jī)系統(tǒng);一臺(tái)移動(dòng)電源,可確保儀器在野外運(yùn)行時(shí)有穩(wěn)定的供電;一個(gè)用于調(diào)控設(shè)備內(nèi)溫度和濕度的空調(diào)系統(tǒng)……
繆子成像技術(shù)研究,目前國(guó)內(nèi)也有少數(shù)同行團(tuán)隊(duì)在做。蘭州大學(xué)核技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊(duì)的不同之處在于,他們已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段走向了實(shí)際應(yīng)用。
2020年11月,該團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)我國(guó)首套塑閃宇宙射線繆子成像系統(tǒng),并順利完成專家驗(yàn)收。
“‘塑閃’是塑料閃爍體的簡(jiǎn)寫??娮油ㄟ^(guò)塑料閃爍體后會(huì)產(chǎn)生光,有閃爍光就代表有繆子通過(guò)這個(gè)材料。我用光電轉(zhuǎn)換的器件,可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào),看到脈沖后,表示已經(jīng)捕捉到了繆子。”劉軍濤說(shuō)。
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(chǎng)景,調(diào)整各類參數(shù),最終將其帶到西安古城墻下,開(kāi)始“首秀”。
繆子成像技術(shù)主要有兩種成像原理,即角度散射成像和強(qiáng)度衰減成像。此次西安古城墻探測(cè)運(yùn)用的便是強(qiáng)度衰減成像法。
這一成像方法的原理是,繆子在物體內(nèi)部穿行過(guò)程中會(huì)損失能量,而當(dāng)其能量損失殆盡時(shí)便會(huì)被物體吸收,這將使探測(cè)到的繆子強(qiáng)度減小,所以宇宙射線繆子強(qiáng)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(guò)探測(cè)繆子強(qiáng)度衰減,可以推導(dǎo)得到被探測(cè)物體的密度,從而對(duì)物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與物質(zhì)組成進(jìn)行重構(gòu)。
“這就像人們利用X射線掃描身體,通過(guò)透視人體骨骼從而成像一樣?!眲④姖榻B說(shuō),山體、建筑物、歷史遺跡等大型物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像,用的也是這一原理。
吳春給他們指定的測(cè)試段是城墻58號(hào)馬面處。
正如給人體做三維影像檢查會(huì)采用放射源與探測(cè)器旋轉(zhuǎn)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(tuán)隊(duì)采取了環(huán)繞馬面設(shè)置6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的方案,放置探測(cè)器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
正在作業(yè)中的探測(cè)器。
沒(méi)想到,剛把機(jī)器安放好,又一波全國(guó)范圍的新冠疫情席卷而來(lái)。
那是2021年秋,實(shí)驗(yàn)面臨的最大問(wèn)題是,因?yàn)榉酪哒咝枰?,探測(cè)器不能按照計(jì)劃不停地變換位置。團(tuán)隊(duì)只能因陋就簡(jiǎn),順勢(shì)而為,及時(shí)改變了測(cè)量計(jì)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(gè)團(tuán)隊(duì)成功測(cè)試出了城墻中的低密度區(qū)域——也就是一個(gè)配電室。在測(cè)試團(tuán)隊(duì)事先并不知道的情況下,他們通過(guò)宇宙繆子成像技術(shù)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(yàn)證了使用繆子成像技術(shù)能夠完成被測(cè)物體三維成像的可行性?!眲④姖硎?。
他們和58號(hào)馬面
科研從來(lái)無(wú)坦途。蘭州大學(xué)核技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊(duì)雖然首戰(zhàn)告捷,但在實(shí)際探測(cè)過(guò)程中,還是遇到了不少困難。
宇宙射線繆子成像技術(shù)利用的是不需要人工放射源產(chǎn)生的天然射線,具有無(wú)接觸勘探、不受時(shí)空限制、不會(huì)對(duì)勘探物體造成任何傷害、綠色環(huán)保等特點(diǎn),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(fēng)吹日曬等自然環(huán)境的考驗(yàn)?!碧m州大學(xué)2020級(jí)能源動(dòng)力專業(yè)碩士研究生姚凱強(qiáng)說(shuō)。
在室外使用就會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題,比如電路短路,或者電壓波動(dòng)較大等,設(shè)備接收到的信號(hào)也會(huì)跳動(dòng)不穩(wěn)。整個(gè)墻體的勘探過(guò)程耗時(shí)將近4個(gè)月,為了應(yīng)對(duì)各種環(huán)境的考驗(yàn),團(tuán)隊(duì)對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)原來(lái)使用的平板探測(cè)器進(jìn)行了升級(jí)與調(diào)整。
姚凱強(qiáng)和另一名師兄專門留在了西安,隔兩天就得去現(xiàn)場(chǎng)調(diào)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(kāi)發(fā)反演成像的算法平臺(tái)。
“我們?cè)谶M(jìn)行文物探測(cè)的過(guò)程中總會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題,就是測(cè)量到的數(shù)據(jù)比待解的未知量少很多。比如有兩個(gè)變量一個(gè)方程的情況下,方程的解是無(wú)窮多的。”對(duì)2021級(jí)核技術(shù)專業(yè)碩士研究生劉國(guó)睿來(lái)說(shuō),這就需要她和小伙伴在龐雜的結(jié)果中挑選出能夠同時(shí)滿足多個(gè)方程的模型,選擇最合理的結(jié)果。
來(lái)西安之前,劉國(guó)睿、姚凱強(qiáng)等人首先根據(jù)描述對(duì)城墻進(jìn)行了可行性分析,幾何模型比較簡(jiǎn)單,僅僅知道城墻的長(zhǎng)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(jìn)行正演計(jì)算,用正演的結(jié)果去反演成像。
“相當(dāng)于我們先算一個(gè)可能得到的測(cè)量結(jié)果,然后用這個(gè)測(cè)量結(jié)果做反演,看能不能給里面的防空洞成出一個(gè)三維圖像來(lái)?!眲?guó)睿說(shuō)。
確定做58號(hào)馬面后,他們把模型更加細(xì)化了。
初期建的模型特別簡(jiǎn)單,就是一個(gè)矩形的堆,后來(lái)又加上馬面,對(duì)尺寸進(jìn)行調(diào)整。激光測(cè)繪把整個(gè)城墻的輪廓描繪清楚之后,他們決定換模型,盡管那時(shí)6個(gè)探測(cè)點(diǎn)都已確定。
最后一次模擬時(shí),探測(cè)點(diǎn)位早已敲定,團(tuán)隊(duì)更新了非常細(xì)化的城墻輪廓,決定重新建模再做一次。根據(jù)優(yōu)質(zhì)成像的分辨率,他們?cè)隈R面里假設(shè)了一個(gè)防空洞,看能不能成像。
另一個(gè)難題是遇到密度異常部分時(shí)的演算。
劉國(guó)睿念大三時(shí)就加入該課題組學(xué)習(xí),后繼續(xù)在此攻讀研究生,在她看來(lái),整體測(cè)算并不困難,但密度異常體與周邊部分銜接地帶,算起來(lái)有難度?!斑@些地方的密度解出來(lái)可能會(huì)帶有系統(tǒng)偏差?!彼f(shuō)。
最終的研究結(jié)果就是,這次試驗(yàn)精度可以對(duì)城墻內(nèi)部一個(gè)長(zhǎng)寬高均為1米的防空洞成像出來(lái)。
“我們還測(cè)到馬面北面比較空虛,當(dāng)時(shí)比較質(zhì)疑這個(gè)結(jié)果,為此做了好多驗(yàn)證。”劉國(guó)睿強(qiáng)調(diào),他們必須排除是不是自己技術(shù)方面的原因,比如數(shù)據(jù)處理不當(dāng)、測(cè)量問(wèn)題之類。排除過(guò)后,得出結(jié)論——58號(hào)馬面北墻附近的夯土密度確實(shí)較低。
回想起這一幕,這個(gè)性格沉靜的女孩,終于有了笑意。
追尋“中國(guó)方案”
蘭州大學(xué)師生付出的所有努力,吳春都看在眼里。實(shí)際上,58號(hào)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(shù),到底行不行。
劉國(guó)睿在分析馬面數(shù)據(jù)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn),磚和夯土之間好像有空腔,因?yàn)椴淮_定,就反復(fù)向吳春求證。
“小姑娘問(wèn),里面是不是有空腔?為什么會(huì)有?是真的有,還是我們收集的數(shù)據(jù)不夠、計(jì)算方法不對(duì)而導(dǎo)致的偏差?我當(dāng)時(shí)就欣慰地笑了。”但吳春并沒(méi)有挑明,而是讓她繼續(xù)往下做。
后來(lái)的成果報(bào)告會(huì)上,吳春正式向有關(guān)部門匯報(bào)稱,蘭州大學(xué)核技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊(duì)的繆子成像結(jié)果,跟西安城墻管委會(huì)掌握的情況基本吻合。從此,她對(duì)他們更加信任了。
這份信任,源于科研人員對(duì)自身的嚴(yán)格要求。
在所有人看來(lái),大膽質(zhì)疑、小心求證是科學(xué)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(gè),而不是那個(gè)?哪一步出了錯(cuò),都無(wú)法導(dǎo)出正確結(jié)果?!眲④姖钪O其研究之復(fù)雜,意義之深遠(yuǎn)。
如今,團(tuán)隊(duì)已經(jīng)擴(kuò)展至30余人,每個(gè)人分工明確。導(dǎo)師的悉心培養(yǎng)和團(tuán)隊(duì)的互幫互助,讓青年科研人員受益匪淺。在讀研二的劉國(guó)睿,已在物理學(xué)經(jīng)典期刊上發(fā)表研究論文,內(nèi)容便是針對(duì)宇宙射線繆子技術(shù)在實(shí)地應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)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(yuǎn)流長(zhǎng),在悠悠歲月中厚重沉淀。當(dāng)前,隨著科技已經(jīng)成為考古發(fā)展新動(dòng)力,他們?cè)谕瓿晌靼渤菈Τ上窆ぷ鞯倪^(guò)程中,逐漸感受到繆子成像技術(shù)未來(lái)在科技考古領(lǐng)域的廣闊前景。
“這項(xiàng)技術(shù)以后在大型遺跡考古中一定會(huì)發(fā)揮作用,我們也想在科技考古領(lǐng)域做成標(biāo)桿性的亮點(diǎn)?!眲④姖嬖V記者,今年,敦煌研究院也與團(tuán)隊(duì)接觸并計(jì)劃建立合作關(guān)系,他們將在深入探測(cè)石窟內(nèi)部結(jié)構(gòu)的工作中共同努力。
與不斷發(fā)展的成像技術(shù)相輔相成的,是持續(xù)更新的應(yīng)用場(chǎng)景。
一直以來(lái),繆子成像技術(shù)應(yīng)用的瓶頸主要在于探測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的適應(yīng)性、成本控制等。在團(tuán)隊(duì)不斷優(yōu)化完善下,這項(xiàng)技術(shù)也從考古探測(cè)發(fā)展到了地質(zhì)勘查、礦產(chǎn)勘探、集裝箱檢測(cè)等更廣闊的空間。
工作人員正在組裝探測(cè)器。
前段時(shí)間,團(tuán)隊(duì)又有了新思路:是否可以使用繆子成像技術(shù)探測(cè)青藏高原的冰川厚度,明晰巖石邊界?對(duì)他們來(lái)說(shuō),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(xué)核技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化團(tuán)隊(duì)都致力于將其本土化。
是啊,要想獲得“中國(guó)方案”、作出“中國(guó)貢獻(xiàn)”,必須實(shí)現(xiàn)技術(shù)國(guó)產(chǎn)化,這是每位科研人員肩負(fù)的重大使命。劉軍濤欣喜地透露,現(xiàn)在團(tuán)隊(duì)這項(xiàng)技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化率已經(jīng)達(dá)到了95%左右。
今年,一直致力于文物保護(hù)高質(zhì)量發(fā)展的吳春,又與蘭州大學(xué)團(tuán)隊(duì)取得了聯(lián)系,看實(shí)驗(yàn)?zāi)芊裆钊腴_(kāi)展。她寄希望于下一步的合作能夠證實(shí)這種技術(shù)更安全、更準(zhǔn)確,同時(shí)輔以地質(zhì)勘查,為墻體的修繕工程提供可靠參考,使得預(yù)防性保護(hù)更具前瞻性。
“經(jīng)過(guò)這樣完整的檢驗(yàn)之后,我們希望這種技術(shù)能夠得到廣泛應(yīng)用??梢韵嘈?,科技將助力中國(guó)考古迎來(lái)‘黃金時(shí)代’?!眳谴赫f(shuō)。
考古科技化,技術(shù)國(guó)產(chǎn)化,歸根到底都是高水平科技自立自強(qiáng)。
這是一條遙遠(yuǎn)而艱辛的路。
每個(gè)人都渴望化身滴水,匯入時(shí)代的海河,信念灼灼。
(圖片由受訪者提供)