采 寫(xie) ：本報記者 王迎霞 頡滿斌

　　策 劃：趙英淑 滕繼濮 林莉君

　　有著600多年曆史的西安古城牆，有些損害在牆體(ti) 內(nei) 部，僅(jin) 憑肉眼無法觀測。蘭(lan) 州大學核技術創新與(yu) 產(chan) 業(ye) 化團隊帶著研發的國內(nei) 首套塑閃宇宙射線繆子成像設備，給西安古城牆做了一次“CT”。值得一提的是，從(cong) 儀(yi) 器組裝所需要的材料等硬件到算法係統軟件，團隊都致力於(yu) 將其本土化。實現技術國產(chan) 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。被推進艙裏的那一刻，她緊張、害怕，擔心查出問題，也擔心射線對身體(ti) 造成影響。

　　多年過去，她再次經曆了這樣的不安，隻不過，這次做CT的是古城牆。

　　吳春是陝西省西安城牆管理委員會(hui) 副主任，在她的積極聯係和鼎力支持下，蘭(lan) 州大學核技術創新與(yu) 產(chan) 業(ye) 化團隊帶著研發的國內(nei) 首套塑閃宇宙射線繆子成像設備，給西安古城牆做了一次“CT”。

　　“一定不要給城牆造成損傷(shang) ，但也一定要知道‘五髒六腑’都有啥毛病。”吳春提出要求。

　　這是她作為(wei) 曆史文化遺產(chan) 守護者的底線。

　　叫繆子的宇宙射線

　　有著600多年曆史的西安古城牆，也像人體(ti) 一樣，會(hui) 隨著時間的推移出現“健康”問題。

　　北方夏季雨水較多，西安古城牆被雨水長時間浸泡後，部分牆麵出現了快速裂縫和沉陷的現象。盡管城牆管委會(hui) 一直都在高度關(guan) 注城牆的各類安全問題，但有些損害在牆體(ti) 內(nei) 部，僅(jin) 憑肉眼無法觀測。

　　如何檢測古城牆內(nei) 部情況，進而有針對性地展開修複工程，成為(wei) 擺在西安城牆管委會(hui) 麵前的重要難題。

　　在現代醫學技術的加持下，要想掌握人體(ti) 的病灶情況，我們(men) 可以使用B超、CT、核磁共振等各種影像儀(yi) 器。想知道一座幾十米高的古城牆的健康狀況，該怎麽(me) 辦？

　　“以往，我們(men) 用得最多的是鑽孔法，就是通過在牆體(ti) 上打孔取材的方式，來判斷其內(nei) 部情況。但這種勘探方式會(hui) 直接破壞牆體(ti) ，後期還需要對損壞部分進行修複。”吳春說。

　　另一種是雷達監測法。雷達的頻率越小，穿透程度便會(hui) 越深，但其精度會(hui) 相應變差，成像可能出現偏差；而如果探測太淺，又不能夠滿足古建築、山脈等大型物體(ti) 的探測深度需要。

　　“鑽孔法對城牆有損，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(ge) 偶然的機會(hui) ，她結識了蘭(lan) 州大學核技術創新與(yu) 產(chan) 業(ye) 化團隊。

　　在給城牆南門的一麵牆做三維激光掃描的過程中，吳春不由地感慨：“這激光掃描呀，如果能透視到裏麵就好了。省得我們(men) 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(lan) 州大學教授，他能用一種宇宙射線對物體(ti) 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(ti) 是什麽(me) ，他也說不清。這下吳春來了興(xing) 致：“剛好58號馬麵(在城牆外側(ce) 依一定距離修建的凸出墩台，平麵有長方形和半圓形，因外觀狹長如馬麵，故名)出了一些問題，我聯係試試！”

　　他們(men) 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(hui) 發生核反應、電離等級聯反應，從(cong) 而一生二、二生四，從(cong) 上往下越來越多，有點像煙花，也像射燈。到達海平麵時，裏麵就富含各種組分，繆子隻是其一，還有中子、β射線和γ射線等。它們(men) 都被稱為(wei) “宇宙射線次級射線”。

　　“根據估算，海平麵上每平方米麵積上每分鍾會(hui) 落下10000個(ge) 繆子，也就是說，每秒鍾就會(hui) 有一個(ge) 繆子穿過我們(men) 的手掌。”蘭(lan) 州大學核技術創新與(yu) 產(chan) 業(ye) 化團隊相關(guan) 負責人打比方道，“它們(men) 就像下雨一樣澆著我們(men) ，淋著我們(men) ，時時刻刻穿透我們(men) 的身體(ti) 。”

　　作為(wei) 宇宙中的基本粒子之一，繆子的帶電量為(wei) 一個(ge) 負電荷，質量為(wei) 電子的207倍，它與(yu) 物體(ti) 發生相互作用的方式與(yu) 電子類似。相比於(yu) 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(wei) 我所用的。

　　原來，科研人員在被測物體(ti) 周邊放置繆子探測器，根據繆子射線在物體(ti) 中不同方向的穿透情況，搜集肉眼看不見的繆子計數，進而在計算機上進行分析，通過數據分析計算實現被測物體(ti) 的三維成像。

　　“對於(yu) 城牆這樣十幾米甚至幾十米厚的物體(ti) 來說，如果裏麵有個(ge) 一米大的空洞，我們(men) 完全可以通過繆子成像技術檢測到。”該團隊成員劉軍(jun) 濤從(cong) 團隊2018年著手幹這件事開始，他就跟著全程參與(yu) 了繆子成像係統的研發。

　　藏著秘密的“冰櫃”

　　2021年9月，蘭(lan) 州大學核科學與(yu) 技術學院兩(liang) 位骨幹教師，帶著由兩(liang) 位工程師以及四五位學生組成的團隊，向著古都西安出發。

　　與(yu) 他們(men) 同行的，是一個(ge) 長1.6米形狀酷似冰櫃的儀(yi) 器。

　　“之所以看起來像一台冰櫃，是因為(wei) 我們(men) 給原來隻能在實驗室使用的探測儀(yi) 器增設了金屬外殼，使設備可以防潮、避光，方便移動。”劉軍(jun) 濤說。

　　劉軍(jun) 濤告訴吳春，儀(yi) 器定型的時間不長，沒有成熟商業(ye) 產(chan) 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，隻要是科學的，我們(men) 都歡迎！”

　　這台貌不驚人的方疙瘩，隱藏著能給城牆看病的秘密。

　　它包括多對探測器層和采集板，負責收集從(cong) 宇宙中散落下來的繆子與(yu) 信息轉換；一個(ge) 用於(yu) 數據傳(chuan) 輸監測與(yu) 存儲(chu) 的主機係統；一台移動電源，可確保儀(yi) 器在野外運行時有穩定的供電；一個(ge) 用於(yu) 調控設備內(nei) 溫度和濕度的空調係統……

　　繆子成像技術研究，目前國內(nei) 也有少數同行團隊在做。蘭(lan) 州大學核技術創新與(yu) 產(chan) 業(ye) 化團隊的不同之處在於(yu) ，他們(men) 已經從(cong) 實驗室測試階段走向了實際應用。

　　2020年11月，該團隊成功研發我國首套塑閃宇宙射線繆子成像係統，並順利完成專(zhuan) 家驗收。

　　“‘塑閃’是塑料閃爍體(ti) 的簡寫(xie) 。繆子通過塑料閃爍體(ti) 後會(hui) 產(chan) 生光，有閃爍光就代表有繆子通過這個(ge) 材料。我用光電轉換的器件，可以把光信號轉為(wei) 電信號，看到脈衝(chong) 後，表示已經捕捉到了繆子。”劉軍(jun) 濤說。

　　采集繆子隻是第一步。

　　隨後，他們(men) 不斷完善軟件模型，模擬成像場景，調整各類參數，最終將其帶到西安古城牆下，開始“首秀”。

　　繆子成像技術主要有兩(liang) 種成像原理，即角度散射成像和強度衰減成像。此次西安古城牆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(ti) 內(nei) 部穿行過程中會(hui) 損失能量，而當其能量損失殆盡時便會(hui) 被物體(ti) 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(jue) 於(yu) 物體(ti) 的厚度及材料密度。因此，在已知物體(ti) 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(ti) 的密度，從(cong) 而對物體(ti) 的內(nei) 部結構與(yu) 物質組成進行重構。

　　“這就像人們(men) 利用X射線掃描身體(ti) ，通過透視人體(ti) 骨骼從(cong) 而成像一樣。”劉軍(jun) 濤介紹說，山體(ti) 、建築物、曆史遺跡等大型物體(ti) 的內(nei) 部結構成像，用的也是這一原理。

　　吳春給他們(men) 指定的測試段是城牆58號馬麵處。

　　正如給人體(ti) 做三維影像檢查會(hui) 采用放射源與(yu) 探測器旋轉多角度成像，想要給城牆做“CT”，也需要從(cong) 不同角度采集多組數據。團隊采取了環繞馬麵設置6個(ge) 觀測點的方案，放置探測器進行數據采集。

　　沒想到，剛把機器安放好，又一波全國範圍的新冠疫情席卷而來。

　　那是2021年秋，實驗麵臨(lin) 的最大問題是，因為(wei) 防疫政策需要，探測器不能按照計劃不停地變換位置。團隊隻能因陋就簡，順勢而為(wei) ，及時改變了測量計劃。終於(yu) 在2022年春節前夕，他們(men) 將儀(yi) 器帶回蘭(lan) 州。

　　讓吳春吃驚的是，這個(ge) 團隊成功測試出了城牆中的低密度區域——也就是一個(ge) 配電室。在測試團隊事先並不知道的情況下，他們(men) 通過宇宙繆子成像技術清晰地呈現出它的位置、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(ti) 三維成像的可行性。”劉軍(jun) 濤表示。

　　他們(men) 和58號馬麵

　　科研從(cong) 來無坦途。蘭(lan) 州大學核技術創新與(yu) 產(chan) 業(ye) 化團隊雖然首戰告捷，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(chan) 生的天然射線，具有無接觸勘探、不受時空限製、不會(hui) 對勘探物體(ti) 造成任何傷(shang) 害、綠色環保等特點，但它的使用受客觀條件影響較大。

　　“不像醫院裏使用人工射線源，環境比較單純，我們(men) 的儀(yi) 器往往放置在室外，得經曆風吹日曬等自然環境的考驗。”蘭(lan) 州大學2020級能源動力專(zhuan) 業(ye) 碩士研究生姚凱強說。

　　在室外使用就會(hui) 出現各種問題，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(hui) 跳動不穩。整個(ge) 牆體(ti) 的勘探過程耗時將近4個(ge) 月，為(wei) 了應對各種環境的考驗，團隊對實驗室內(nei) 原來使用的平板探測器進行了升級與(yu) 調整。

　　姚凱強和另一名師兄專(zhuan) 門留在了西安，隔兩(liang) 天就得去現場調整儀(yi) 器。另外，後期也需要處理那些不穩定環境下接收到的雜亂(luan) 數據。

　　與(yu) 數據收集相比，更大的挑戰在於(yu) 開發反演成像的算法平台。

　　“我們(men) 在進行文物探測的過程中總會(hui) 遇到一個(ge) 問題，就是測量到的數據比待解的未知量少很多。比如有兩(liang) 個(ge) 變量一個(ge) 方程的情況下，方程的解是無窮多的。”對2021級核技術專(zhuan) 業(ye) 碩士研究生劉國睿來說，這就需要她和小夥(huo) 伴在龐雜的結果中挑選出能夠同時滿足多個(ge) 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描述對城牆進行了可行性分析，幾何模型比較簡單，僅(jin) 僅(jin) 知道城牆的長寬高，裏麵可能有什麽(me) 情況。在仿真中，他們(men) 需要先把城牆的模型大致建好，再進行正演計算，用正演的結果去反演成像。

　　“相當於(yu) 我們(men) 先算一個(ge) 可能得到的測量結果，然後用這個(ge) 測量結果做反演，看能不能給裏麵的防空洞成出一個(ge) 三維圖像來。”劉國睿說。

　　確定做58號馬麵後，他們(men) 把模型更加細化了。

　　初期建的模型特別簡單，就是一個(ge) 矩形的堆，後來又加上馬麵，對尺寸進行調整。激光測繪把整個(ge) 城牆的輪廓描繪清楚之後，他們(men) 決(jue) 定換模型，盡管那時6個(ge) 探測點都已確定。

　　最後一次模擬時，探測點位早已敲定，團隊更新了非常細化的城牆輪廓，決(jue) 定重新建模再做一次。根據優(you) 質成像的分辨率，他們(men) 在馬麵裏假設了一個(ge) 防空洞，看能不能成像。

　　另一個(ge) 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(xi) ，後繼續在此攻讀研究生，在她看來，整體(ti) 測算並不困難，但密度異常體(ti) 與(yu) 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(hui) 帶有係統偏差。”她說。

　　最終的研究結果就是，這次試驗精度可以對城牆內(nei) 部一個(ge) 長寬高均為(wei) 1米的防空洞成像出來。

　　“我們(men) 還測到馬麵北麵比較空虛，當時比較質疑這個(ge) 結果，為(wei) 此做了好多驗證。”劉國睿強調，他們(men) 必須排除是不是自己技術方麵的原因，比如數據處理不當、測量問題之類。排除過後，得出結論——58號馬麵北牆附近的夯土密度確實較低。

　　回想起這一幕，這個(ge) 性格沉靜的女孩，終於(yu) 有了笑意。

　　追尋“中國方案”

　　蘭(lan) 州大學師生付出的所有努力，吳春都看在眼裏。實際上，58號馬麵的情況，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。

　　劉國睿在分析馬麵數據的過程中發現，磚和夯土之間好像有空腔，因為(wei) 不確定，就反複向吳春求證。

　　“小姑娘問，裏麵是不是有空腔？為(wei) 什麽(me) 會(hui) 有？是真的有，還是我們(men) 收集的數據不夠、計算方法不對而導致的偏差？我當時就欣慰地笑了。”但吳春並沒有挑明，而是讓她繼續往下做。

　　後來的成果報告會(hui) 上，吳春正式向有關(guan) 部門匯報稱，蘭(lan) 州大學核技術創新與(yu) 產(chan) 業(ye) 化團隊的繆子成像結果，跟西安城牆管委會(hui) 掌握的情況基本吻合。從(cong) 此，她對他們(men) 更加信任了。

　　這份信任，源於(yu) 科研人員對自身的嚴(yan) 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(men) 恪守這一理念，初心不改。

　　“為(wei) 什麽(me) 是這個(ge) ，而不是那個(ge) ？哪一步出了錯，都無法導出正確結果。”劉軍(jun) 濤深諳其研究之複雜，意義(yi) 之深遠。

　　如今，團隊已經擴展至30餘(yu) 人，每個(ge) 人分工明確。導師的悉心培養(yang) 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，已在物理學經典期刊上發表研究論文，內(nei) 容便是針對宇宙射線繆子技術在實地應用中出現的問題，並提出探索性的解決(jue) 方案。

　　每一位成員的心裏，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澱。當前，隨著科技已經成為(wei) 考古發展新動力，他們(men) 在完成西安城牆成像工作的過程中，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。

　　“這項技術以後在大型遺跡考古中一定會(hui) 發揮作用，我們(men) 也想在科技考古領域做成標杆性的亮點。”劉軍(jun) 濤告訴記者，今年，敦煌研究院也與(yu) 團隊接觸並計劃建立合作關(guan) 係，他們(men) 將在深入探測石窟內(nei) 部結構的工作中共同努力。

　　與(yu) 不斷發展的成像技術相輔相成的，是持續更新的應用場景。

　　一直以來，繆子成像技術應用的瓶頸主要在於(yu) 探測係統現場應用場景的適應性、成本控製等。在團隊不斷優(you) 化完善下，這項技術也從(cong) 考古探測發展到了地質勘查、礦產(chan) 勘探、集裝箱檢測等更廣闊的空間。

　　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，明晰岩石邊界？對他們(men) 來說，製作輕量化、耐低溫的繆子成像儀(yi) 器，正在成為(wei) 新的探索方向。

　　值得一提的是，從(cong) 儀(yi) 器組裝所需要的材料等硬件到算法係統軟件，蘭(lan) 州大學核技術創新與(yu) 產(chan) 業(ye) 化團隊都致力於(yu) 將其本土化。

　　是啊，要想獲得“中國方案”、作出“中國貢獻”，必須實現技術國產(chan) 化，這是每位科研人員肩負的重大使命。劉軍(jun) 濤欣喜地透露，現在團隊這項技術的國產(chan) 化率已經達到了95%左右。

　　今年，一直致力於(yu) 文物保護高質量發展的吳春，又與(yu) 蘭(lan) 州大學團隊取得了聯係，看實驗能否深入開展。她寄希望於(yu) 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(wei) 牆體(ti) 的修繕工程提供可靠參考，使得預防性保護更具前瞻性。

　　“經過這樣完整的檢驗之後，我們(men) 希望這種技術能夠得到廣泛應用。可以相信，科技將助力中國考古迎來‘黃金時代’。”吳春說。

　　考古科技化，技術國產(chan) 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(ge) 人都渴望化身滴水，匯入時代的海河，信念灼灼。