有著600多年歷史的西安古城墻,有些損害在墻體內(nèi)部,僅憑肉眼無法觀測。蘭州大學核技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化團隊帶著研發(fā)的國內(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,團隊都致力于將其本土化。實現(xiàn)技術(shù)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(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化團隊帶著研發(fā)的國內(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。”吳春提出要求。
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(guān)注城墻的各類安全問題,但有些損害在墻體內(nèi)部,僅憑肉眼無法觀測。
如何檢測古城墻內(nèi)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(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,就是通過在墻體上打孔取材的方式,來判斷其內(nèi)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。”吳春說。
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(jié)識了蘭州大學核技術(shù)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。”這時,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(cè)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(zhì)子。高能的質(zhì)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。”蘭州大學核技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化團隊相關(guān)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。”
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(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,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(shù)檢測到。”該團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(shù)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(shè)了金屬外殼,使設(shè)備可以防潮、避光,方便移動。”劉軍濤說。
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(zhuǎn)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(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,目前國內(nèi)也有少數(shù)同行團隊在做。蘭州大學核技術(shù)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(zhuǎn)換的器件,可以把光信號轉(zhuǎn)為電信號,看到脈沖后,表示已經(jīng)捕捉到了繆子。”劉軍濤說。
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(diào)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(shù)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(nèi)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(nèi)部結(jié)構(gòu)與物質(zhì)組成進行重構(gòu)。
“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。”劉軍濤介紹說,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(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)。團隊采取了環(huán)繞馬面設(shè)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(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證了使用繆子成像技術(shù)能夠完成被測物體三維成像的可行性。”劉軍濤表示。
他們和58號馬面
科研從來無坦途。蘭州大學核技術(shù)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(shù)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。”蘭州大學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(shè)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(nèi)原來使用的平板探測器進行了升級與調(diào)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(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(shù)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(jié)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(jié)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(jié)果去反演成像。
“相當于我們先算一個可能得到的測量結(jié)果,然后用這個測量結(jié)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(diào)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(zhì)成像的分辨率,他們在馬面里假設(shè)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。“這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(jié)果就是,這次試驗精度可以對城墻內(nèi)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(zhì)疑這個結(jié)果,為此做了好多驗證。”劉國睿強調(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、測量問題之類。排除過后,得出結(jié)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(shù),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。”但吳春并沒有挑明,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(guān)部門匯報稱,蘭州大學核技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化團隊的繆子成像結(jié)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(zhì)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(jié)果。”劉軍濤深諳其研究之復雜,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(nèi)容便是針對宇宙射線繆子技術(shù)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(shù)未來在科技考古領(lǐng)域的廣闊前景。
“這項技術(shù)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(lǐng)域做成標桿性的亮點。”劉軍濤告訴記者,今年,敦煌研究院也與團隊接觸并計劃建立合作關(guān)系,他們將在深入探測石窟內(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)更新的應用場景。
一直以來,繆子成像技術(shù)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(shù)也從考古探測發(fā)展到了地質(zhì)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(zhì)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(shù)更安全、更準確,同時輔以地質(zhì)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(shù)能夠得到廣泛應用??梢韵嘈?,科技將助力中國考古迎來‘黃金時代’。”吳春說。
考古科技化,技術(shù)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。
(記者 王迎霞 頡滿斌 圖片由受訪者提供)
編輯: 孫璐瑩
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