作者:王迎霞 颉满斌 来源:科技日报 发布时间:2023/3/17 9:44:20
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国产设备给西安古城墙做“CT”

 

有着600多年历史的西安古城墙,有些损害在墙体内部,仅凭肉眼无法观测。兰州大学核技术创新与产业化团队带着研发的国内首套塑闪宇宙射线缪子成像设备,给西安古城墙做了一次“CT”。值得一提的是,从仪器组装所需要的材料等硬件到算法系统软件,团队都致力于将其本土化。实现技术国产化,这是每位科研人员肩负的重大使命。

吴春至今记得第一次做CT的情景。被推进舱里的那一刻,她紧张、害怕,担心查出问题,也担心射线对身体造成影响。

多年过去,她再次经历了这样的不安,只不过,这次做CT的是古城墙。

吴春是陕西省西安城墙管理委员会副主任,在她的积极联系和鼎力支持下,兰州大学核技术创新与产业化团队带着研发的国内首套塑闪宇宙射线缪子成像设备,给西安古城墙做了一次“CT”。

“一定不要给城墙造成损伤,但也一定要知道‘五脏六腑’都有啥毛病。”吴春提出要求。

这是她作为历史文化遗产守护者的底线。

叫缪子的宇宙射线

有着600多年历史的西安古城墙,也像人体一样,会随着时间的推移出现“健康”问题。

北方夏季雨水较多,西安古城墙被雨水长时间浸泡后,部分墙面出现了快速裂缝和沉陷的现象。尽管城墙管委会一直都在高度关注城墙的各类安全问题,但有些损害在墙体内部,仅凭肉眼无法观测。

如何检测古城墙内部情况,进而有针对性地展开修复工程,成为摆在西安城墙管委会面前的重要难题。

在现代医学技术的加持下,要想掌握人体的病灶情况,我们可以使用B超、CT、核磁共振等各种影像仪器。想知道一座几十米高的古城墙的健康状况,该怎么办?

“以往,我们用得最多的是钻孔法,就是通过在墙体上打孔取材的方式,来判断其内部情况。但这种勘探方式会直接破坏墙体,后期还需要对损坏部分进行修复。”吴春说。

另一种是雷达监测法。雷达的频率越小,穿透程度便会越深,但其精度会相应变差,成像可能出现偏差;而如果探测太浅,又不能够满足古建筑、山脉等大型物体的探测深度需要。

“钻孔法对城墙有损,而使用雷达法,基本上70%的情况都探不出来。”吴春做梦都想找到能够无损探测的方法。

一个偶然的机会,她结识了兰州大学核技术创新与产业化团队。

在给城墙南门的一面墙做三维激光扫描的过程中,吴春不由地感慨:“这激光扫描呀,如果能透视到里面就好了。省得我们苦苦找隐患点,又无计可施。”这时,操作扫描的老师说自己认识一位兰州大学教授,他能用一种宇宙射线对物体进行成像,或许可以帮到她。

是物探,还是遥感?

对方说好像都不是,是一种新方法,具体是什么,他也说不清。这下吴春来了兴致:“刚好58号马面(在城墙外侧依一定距离修建的凸出墩台,平面有长方形和半圆形,因外观狭长如马面,故名)出了一些问题,我联系试试!”

他们说的宇宙射线,就是缪子。

星际空间有很多高能粒子,其中最主要的是质子。高能的质子通过大气层时会发生核反应、电离等级联反应,从而一生二、二生四,从上往下越来越多,有点像烟花,也像射灯。到达海平面时,里面就富含各种组分,缪子只是其一,还有中子、β射线和γ射线等。它们都被称为“宇宙射线次级射线”。

“根据估算,海平面上每平方米面积上每分钟会落下10000个缪子,也就是说,每秒钟就会有一个缪子穿过我们的手掌。”兰州大学核技术创新与产业化团队相关负责人打比方道,“它们就像下雨一样浇着我们,淋着我们,时时刻刻穿透我们的身体。”

作为宇宙中的基本粒子之一,缪子的带电量为一个负电荷,质量为电子的207倍,它与物体发生相互作用的方式与电子类似。相比于中子、X射线和γ射线等,宇宙射线缪子具有更强的穿透能力。

很多人都好奇这种神奇的物质,究竟是如何为我所用的。

原来,科研人员在被测物体周边放置缪子探测器,根据缪子射线在物体中不同方向的穿透情况,搜集肉眼看不见的缪子计数,进而在计算机上进行分析,通过数据分析计算实现被测物体的三维成像。

“对于城墙这样十几米甚至几十米厚的物体来说,如果里面有个一米大的空洞,我们完全可以通过缪子成像技术检测到。”该团队成员刘军涛从团队2018年着手干这件事开始,他就跟着全程参与了缪子成像系统的研发。

藏着秘密的“冰柜”

2021年9月,兰州大学核科学与技术学院两位骨干教师,带着由两位工程师以及四五位学生组成的团队,向着古都西安出发。

与他们同行的,是一个长1.6米形状酷似冰柜的仪器。

“之所以看起来像一台冰柜,是因为我们给原来只能在实验室使用的探测仪器增设了金属外壳,使设备可以防潮、避光,方便移动。”刘军涛说。

刘军涛告诉吴春,仪器定型的时间不长,没有成熟商业产品那样漂亮的外观,但探测效果不受影响。吴春的话给他吃了很大一颗定心丸:“不管啥方法,只要是科学的,我们都欢迎!”

这台貌不惊人的方疙瘩,隐藏着能给城墙看病的秘密。

它包括多对探测器层和采集板,负责收集从宇宙中散落下来的缪子与信息转换;一个用于数据传输监测与存储的主机系统;一台移动电源,可确保仪器在野外运行时有稳定的供电;一个用于调控设备内温度和湿度的空调系统……

缪子成像技术研究,目前国内也有少数同行团队在做。兰州大学核技术创新与产业化团队的不同之处在于,他们已经从实验室测试阶段走向了实际应用。

2020年11月,该团队成功研发我国首套塑闪宇宙射线缪子成像系统,并顺利完成专家验收。

“‘塑闪’是塑料闪烁体的简写。缪子通过塑料闪烁体后会产生光,有闪烁光就代表有缪子通过这个材料。我用光电转换的器件,可以把光信号转为电信号,看到脉冲后,表示已经捕捉到了缪子。”刘军涛说。

采集缪子只是第一步。

随后,他们不断完善软件模型,模拟成像场景,调整各类参数,最终将其带到西安古城墙下,开始“首秀”。

缪子成像技术主要有两种成像原理,即角度散射成像和强度衰减成像。此次西安古城墙探测运用的便是强度衰减成像法。

这一成像方法的原理是,缪子在物体内部穿行过程中会损失能量,而当其能量损失殆尽时便会被物体吸收,这将使探测到的缪子强度减小,所以宇宙射线缪子强度减小量取决于物体的厚度及材料密度。因此,在已知物体外部轮廓的情况下,通过探测缪子强度衰减,可以推导得到被探测物体的密度,从而对物体的内部结构与物质组成进行重构。

“这就像人们利用X射线扫描身体,通过透视人体骨骼从而成像一样。”刘军涛介绍说,山体、建筑物、历史遗迹等大型物体的内部结构成像,用的也是这一原理。

吴春给他们指定的测试段是城墙58号马面处。

正如给人体做三维影像检查会采用放射源与探测器旋转多角度成像,想要给城墙做“CT”,也需要从不同角度采集多组数据。团队采取了环绕马面设置6个观测点的方案,放置探测器进行数据采集。

没想到,刚把机器安放好,又一波全国范围的新冠疫情席卷而来。

那是2021年秋,实验面临的最大问题是,因为防疫政策需要,探测器不能按照计划不停地变换位置。团队只能因陋就简,顺势而为,及时改变了测量计划。终于在2022年春节前夕,他们将仪器带回兰州。

让吴春吃惊的是,这个团队成功测试出了城墙中的低密度区域——也就是一个配电室。在测试团队事先并不知道的情况下,他们通过宇宙缪子成像技术清晰地呈现出它的位置、形状、大小。

“这一高精度成像再次验证了使用缪子成像技术能够完成被测物体三维成像的可行性。”刘军涛表示。

他们和58号马面

科研从来无坦途。兰州大学核技术创新与产业化团队虽然首战告捷,但在实际探测过程中,还是遇到了不少困难。

宇宙射线缪子成像技术利用的是不需要人工放射源产生的天然射线,具有无接触勘探、不受时空限制、不会对勘探物体造成任何伤害、绿色环保等特点,但它的使用受客观条件影响较大。

“不像医院里使用人工射线源,环境比较单纯,我们的仪器往往放置在室外,得经历风吹日晒等自然环境的考验。”兰州大学2020级能源动力专业硕士研究生姚凯强说。

在室外使用就会出现各种问题,比如电路短路,或者电压波动较大等,设备接收到的信号也会跳动不稳。整个墙体的勘探过程耗时将近4个月,为了应对各种环境的考验,团队对实验室内原来使用的平板探测器进行了升级与调整。

姚凯强和另一名师兄专门留在了西安,隔两天就得去现场调整仪器。另外,后期也需要处理那些不稳定环境下接收到的杂乱数据。

与数据收集相比,更大的挑战在于开发反演成像的算法平台。

“我们在进行文物探测的过程中总会遇到一个问题,就是测量到的数据比待解的未知量少很多。比如有两个变量一个方程的情况下,方程的解是无穷多的。”对2021级核技术专业硕士研究生刘国睿来说,这就需要她和小伙伴在庞杂的结果中挑选出能够同时满足多个方程的模型,选择最合理的结果。

来西安之前,刘国睿、姚凯强等人首先根据描述对城墙进行了可行性分析,几何模型比较简单,仅仅知道城墙的长宽高,里面可能有什么情况。在仿真中,他们需要先把城墙的模型大致建好,再进行正演计算,用正演的结果去反演成像。

“相当于我们先算一个可能得到的测量结果,然后用这个测量结果做反演,看能不能给里面的防空洞成出一个三维图像来。”刘国睿说。

确定做58号马面后,他们把模型更加细化了。

初期建的模型特别简单,就是一个矩形的堆,后来又加上马面,对尺寸进行调整。激光测绘把整个城墙的轮廓描绘清楚之后,他们决定换模型,尽管那时6个探测点都已确定。

最后一次模拟时,探测点位早已敲定,团队更新了非常细化的城墙轮廓,决定重新建模再做一次。根据优质成像的分辨率,他们在马面里假设了一个防空洞,看能不能成像。

另一个难题是遇到密度异常部分时的演算。

刘国睿念大三时就加入该课题组学习,后继续在此攻读研究生,在她看来,整体测算并不困难,但密度异常体与周边部分衔接地带,算起来有难度。“这些地方的密度解出来可能会带有系统偏差。”她说。

最终的研究结果就是,这次试验精度可以对城墙内部一个长宽高均为1米的防空洞成像出来。

“我们还测到马面北面比较空虚,当时比较质疑这个结果,为此做了好多验证。”刘国睿强调,他们必须排除是不是自己技术方面的原因,比如数据处理不当、测量问题之类。排除过后,得出结论——58号马面北墙附近的夯土密度确实较低。

回想起这一幕,这个性格沉静的女孩,终于有了笑意。

追寻“中国方案”

兰州大学师生付出的所有努力,吴春都看在眼里。实际上,58号马面的情况,她早有掌握。她就想看看这宇宙射线缪子成像技术,到底行不行。

刘国睿在分析马面数据的过程中发现,砖和夯土之间好像有空腔,因为不确定,就反复向吴春求证。

“小姑娘问,里面是不是有空腔?为什么会有?是真的有,还是我们收集的数据不够、计算方法不对而导致的偏差?我当时就欣慰地笑了。”但吴春并没有挑明,而是让她继续往下做。

后来的成果报告会上,吴春正式向有关部门汇报称,兰州大学核技术创新与产业化团队的缪子成像结果,跟西安城墙管委会掌握的情况基本吻合。从此,她对他们更加信任了。

这份信任,源于科研人员对自身的严格要求。

在所有人看来,大胆质疑、小心求证是科学精神最重要的品格之一,他们恪守这一理念,初心不改。

“为什么是这个,而不是那个?哪一步出了错,都无法导出正确结果。”刘军涛深谙其研究之复杂,意义之深远。

如今,团队已经扩展至30余人,每个人分工明确。导师的悉心培养和团队的互帮互助,让青年科研人员受益匪浅。在读研二的刘国睿,已在物理学经典期刊上发表研究论文,内容便是针对宇宙射线缪子技术在实地应用中出现的问题,并提出探索性的解决方案。

每一位成员的心里,都有浩瀚宇宙。

中华文明上下五千年,源远流长,在悠悠岁月中厚重沉淀。当前,随着科技已经成为考古发展新动力,他们在完成西安城墙成像工作的过程中,逐渐感受到缪子成像技术未来在科技考古领域的广阔前景。

“这项技术以后在大型遗迹考古中一定会发挥作用,我们也想在科技考古领域做成标杆性的亮点。”刘军涛告诉记者,今年,敦煌研究院也与团队接触并计划建立合作关系,他们将在深入探测石窟内部结构的工作中共同努力。

与不断发展的成像技术相辅相成的,是持续更新的应用场景。

一直以来,缪子成像技术应用的瓶颈主要在于探测系统现场应用场景的适应性、成本控制等。在团队不断优化完善下,这项技术也从考古探测发展到了地质勘查、矿产勘探、集装箱检测等更广阔的空间。

前段时间,团队又有了新思路:是否可以使用缪子成像技术探测青藏高原的冰川厚度,明晰岩石边界?对他们来说,制作轻量化、耐低温的缪子成像仪器,正在成为新的探索方向。

值得一提的是,从仪器组装所需要的材料等硬件到算法系统软件,兰州大学核技术创新与产业化团队都致力于将其本土化。

是啊,要想获得“中国方案”、作出“中国贡献”,必须实现技术国产化,这是每位科研人员肩负的重大使命。刘军涛欣喜地透露,现在团队这项技术的国产化率已经达到了95%左右。

今年,一直致力于文物保护高质量发展的吴春,又与兰州大学团队取得了联系,看实验能否深入开展。她寄希望于下一步的合作能够证实这种技术更安全、更准确,同时辅以地质勘查,为墙体的修缮工程提供可靠参考,使得预防性保护更具前瞻性。

“经过这样完整的检验之后,我们希望这种技术能够得到广泛应用。可以相信,科技将助力中国考古迎来‘黄金时代’。”吴春说。

考古科技化,技术国产化,归根到底都是高水平科技自立自强。

这是一条遥远而艰辛的路。

每个人都渴望化身滴水,汇入时代的海河,信念灼灼。

 
 
 
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