給西安古城墻做“ＣＴ”

人們?cè)卺t(yī)院做CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描）檢查時(shí)，可以從屏幕上清晰地看到人體的骨骼和內(nèi)臟，但是你能想到，人類可以看到厚厚的古城墻中的“五臟六腑”嗎？近日，蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、稀有同位素前沿科學(xué)中心劉志毅教授團(tuán)隊(duì)利用高精度宇宙射線繆子成像技術(shù)及相關(guān)設(shè)備，給西安古城墻做了一次“CT檢查”。高精度宇宙射線繆子成像技術(shù)有何特別之處，研究人員是如何給古城墻做“CT檢查”的呢？一起去看看吧！

先進(jìn)的繆子成像技術(shù)

始建于隋唐時(shí)期的西安古城墻，是中國(guó)現(xiàn)存歷史最悠久、規(guī)模最宏大、保存最完整的古代城垣建筑。但歷經(jīng)數(shù)百年風(fēng)雨，西安古城墻也像人體一樣，隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)“健康”問(wèn)題。夏季雨水較多，西安古城墻長(zhǎng)時(shí)間被雨水浸泡后，部分墻面上出現(xiàn)了裂縫和沉陷的現(xiàn)象，還有一些關(guān)鍵病灶深藏在墻體內(nèi)部，僅憑肉眼無(wú)法觀測(cè)到。如何檢測(cè)古城墻內(nèi)部的情況、有針對(duì)性地展開修復(fù)工程，成為一個(gè)難題。

以前用于檢修古城墻狀況的方法主要有兩種，一種是鉆孔法，即通過(guò)在墻體上打孔取材，來(lái)判斷其內(nèi)部情況。但這種勘探方式會(huì)破壞墻體，工作人員后期還需要對(duì)損壞部分進(jìn)行修復(fù)。另一種是雷達(dá)監(jiān)測(cè)法。雷達(dá)的頻率越小，探測(cè)的深度越深，精度也會(huì)越差，成像可能出現(xiàn)偏差；但如果探測(cè)的深度太淺，又不能夠滿足勘探的需要。因此，兩種方法都存在弊端。

而新型、環(huán)保、安全的高精度宇宙射線繆子成像技術(shù)則為人們提供了一種全新的解決方案。繆子是自然界中天然的射線，能量高，既無(wú)須放射源，也無(wú)須防護(hù)。繆子就像下雨一樣從天而降，無(wú)處不在，時(shí)時(shí)刻刻穿透我們的身體。根據(jù)估算，每平方米海平面上每分鐘會(huì)落下10 000個(gè)繆子，相當(dāng)于每1秒鐘就有1個(gè)繆子穿過(guò)我們的手掌。繆子具有極強(qiáng)的穿透能力，能貫穿上千米厚的地層，是一種天然的“探針”，可以對(duì)大型物體進(jìn)行成像和無(wú)損檢測(cè)，在大型文物古跡考古與保護(hù)、礦藏勘探、冰川科考、滑坡監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

繆子技術(shù)助力古城墻“體檢”

研究團(tuán)隊(duì)本次對(duì)西安古城墻開展的觀察古城墻內(nèi)部情況進(jìn)而有針對(duì)性地對(duì)其展開修復(fù)工程，是國(guó)內(nèi)首次運(yùn)用繆子成像設(shè)備對(duì)大型文物古跡進(jìn)行病灶診療。

在病灶診療時(shí)，首先需要采集繆子數(shù)據(jù)。研究團(tuán)隊(duì)選擇了西安古城墻的58號(hào)馬面區(qū)域作為探測(cè)目標(biāo)，共設(shè)置了6個(gè)測(cè)量點(diǎn)，多角度采集繆子數(shù)據(jù)。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。

研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)際探測(cè)過(guò)程中，遇到了不少困難，對(duì)整個(gè)墻體的勘探過(guò)程耗時(shí)將近4個(gè)月。團(tuán)隊(duì)需要先把古城墻的模型大致建好，才能進(jìn)行演算，實(shí)現(xiàn)成像。所以確定對(duì)58號(hào)馬面區(qū)域開展檢測(cè)后，團(tuán)隊(duì)不斷調(diào)整模型的尺寸，細(xì)化古城墻的輪廓。

對(duì)古城墻進(jìn)行整體測(cè)算并不困難，難的是密度異常部分的演算，古城墻中的密度異常體與周邊部分有銜接地帶，算起來(lái)有難度，可能會(huì)存在偏差。研究團(tuán)隊(duì)測(cè)出58號(hào)馬面區(qū)域的北面比較空虛，為了驗(yàn)證這個(gè)結(jié)果反復(fù)推演。最后確定58號(hào)馬面北墻附近的夯土密度確實(shí)較低。

雖然宇宙射線繆子成像探測(cè)器具有無(wú)接觸勘探、不會(huì)對(duì)勘探物體造成任何傷害等特點(diǎn)，但它的使用受客觀條件影響較大，如探測(cè)器被放置在室外，經(jīng)過(guò)日曬雨淋，容易出現(xiàn)電路短路、電壓波動(dòng)，或接收信號(hào)不穩(wěn)定等問(wèn)題。

考古科技化，是一條遙遠(yuǎn)而艱辛的路。當(dāng)前，科技成為考古發(fā)展新動(dòng)力，繆子成像技術(shù)或?qū)⒃诳萍伎脊蓬I(lǐng)域擁有廣闊前景。

（注：本文根據(jù)人民日?qǐng)?bào)、科技日?qǐng)?bào)等登載的文章整編。）