國產(chǎn)設(shè)備給西安古城墻做“CT”
2023-03-18 16:42:15
來源：科技日報(bào)
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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(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)心查出問題，也擔(dān)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(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(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”問題。
北方夏季雨水較多，西安古城墻被雨水長時(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(jìn)而有針對性地展開修復(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(huì)直接破壞墻體，后期還需要對損壞部分進(jìn)行修復(fù)。”吳春說。
另一種是雷達(dá)監(jiān)測法。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(dá)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(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)，又無計(jì)可施。”這時(shí)，操作掃描的老師說自己認(rèn)識(shí)一位蘭州大學(xué)教授，他能用一種宇宙射線對物體進(jìn)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(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(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，每秒鐘就會(huì)有一個(gè)繆子穿過我們的手掌。”蘭州大學(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，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(jì)數(shù)，進(jìn)而在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行分析，通過數(shù)據(jù)分析計(jì)算實(shí)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(gè)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(tuán)隊(duì)成員劉軍濤從團(tuán)隊(duì)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(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1.6米形狀酷似冰柜的儀器。
“之所以看起來像一臺(tái)冰柜，是因?yàn)槲覀兘o原來只能在實(shí)驗(yàn)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(dòng)。”劉軍濤說。
劉軍濤給學(xué)生們講解繆子探測系統(tǒng)。
劉軍濤告訴吳春，儀器定型的時(shí)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(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。
它包括多對探測器層和采集板，負(fù)責(zé)收集從宇宙中散落下來的繆子與信息轉(zhuǎn)換；一個(gè)用于數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測與存儲(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’是塑料閃爍體的簡寫?？娮油ㄟ^塑料閃爍體后會(huì)產(chǎn)生光，有閃爍光就代表有繆子通過這個(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。
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(qiáng)度衰減成像。此次西安古城墻探測運(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，通過探測繆子強(qiáng)度衰減，可以推導(dǎo)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(jìn)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(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)觀測點(diǎn)的方案，放置探測器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
正在作業(yè)中的探測器。
沒想到，剛把機(jī)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(shí)驗(yàn)面臨的最大問題是，因?yàn)榉酪哒咝枰綔y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，順勢而為，及時(shí)改變了測量計(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)成功測試出了城墻中的低密度區(qū)域——也就是一個(gè)配電室。在測試團(tuán)隊(duì)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(yàn)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(hào)馬面
科研從來無坦途。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(shí)空限制、不會(huì)對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)。”蘭州大學(xué)2020級(jí)能源動(dòng)力專業(yè)碩士研究生姚凱強(qiáng)說。
在室外使用就會(huì)出現(xiàn)各種問題，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)墻體的勘探過程耗時(shí)將近4個(gè)月，為了應(yīng)對各種環(huán)境的考驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)對實(shí)驗(yàn)室內(nèi)原來使用的平板探測器進(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(tái)。
“我們在進(jìn)行文物探測的過程中總會(huì)遇到一個(gè)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(gè)變量一個(gè)方程的情況下，方程的解是無窮多的。”對2021級(jí)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(shí)滿足多個(gè)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(qiáng)等人首先根據(jù)描述對城墻進(jìn)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(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)可能得到的測量結(jié)果，然后用這個(gè)測量結(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。”劉國睿說。
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單，就是一個(gè)矩形的堆，后來又加上馬面，對尺寸進(jìn)行調(diào)整。激光測繪把整個(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)探測點(diǎn)都已確定。
最后一次模擬時(shí)，探測點(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，他們在馬面里假設(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，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(huì)帶有系統(tǒng)偏差。”她說。
最終的研究結(jié)果就是，這次試驗(yàn)精度可以對城墻內(nèi)部一個(gè)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(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)、測量問題之類。排除過后，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?yàn)椴淮_定，就反復(fù)向吳春求證。
“小姑娘問，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)算方法不對而導(dǎo)致的偏差？我當(dāng)時(shí)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(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，她對他們更加信任了。
這份信任，源于科研人員對自身的嚴(yán)格要求。
在所有人看來，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)，都無法導(dǎo)出正確結(jié)果。”劉軍濤深諳其研究之復(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)容便是針對宇宙射線繆子技術(shù)在實(shí)地應(yīng)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(yuǎn)流長，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(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)。”劉軍濤告訴記者，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)用場景。
一直以來，繆子成像技術(shù)應(yīng)用的瓶頸主要在于探測系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用場景的適應(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(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(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“中國方案”、作出“中國貢獻(xiàn)”，必須實(shí)現(xiàn)技術(shù)國產(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_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。可以相信，科技將助力中國考古迎來‘黃金時(shí)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(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。
（記者 王迎霞 頡滿斌 圖片由受訪者提供）
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