2021年9月，一个来自兰州大学核科学与技术学院、稀有同位素前沿科学中心的文物探测小分队向着古都西安出发，这只队伍由两位老师、两个工程师和四五个学生组成，他们带去了一个长1.6米，形状酷似“冰柜”的仪器。

此行的目的，是为了用这台仪器给有600余年历史的西安古城墙做个“CT”，为这一极富中华文化特征的历史古迹做一个健康体检。

这个不到十人的小分队是核科学与技术学院、稀有同位素前沿科学中心的缪子成像技术研究团队，他们于2020年11月前后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。近一年的时间里，团队完善成像软件模型，多次虚拟成像场景，调整各类参数……最终将其带到西安城墙下，完成了它的“首秀”。

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缪子成像能做什么

在现代医学技术的加持下，想要掌握人体内部的健康状况，我们可以使用各种影像仪器，通过核磁共振、CT扫描、B超等寻找身体内部“病灶”的情况。那么如果想知道一座几十米城墙的内部“健康”状况，又该使用什么样的方法呢？

团队骨干刘军涛副教授介绍，常规的勘探实体物质主要有三种方法，分别是钻孔法、雷达监测、激光测绘，但这些勘探方式有的需要对目标物进行破坏勘探，有的则很难穿透目标物进行深部探测，有的因为精度不够而缺乏参考价值，这些都是大型目标物内部探测所面临的共同难题。

而作为一种新兴的成像技术，宇宙射线缪子成像技术利用的是天然射线，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。“相比其它的物探技术，它或许就是我们要寻找的全新解决方案。”团队希望能够为大型文物古迹探测找到新的道路。

缪子是自然界的基本粒子之一，和电子同属轻子，质量为电子的207倍，被称为“胖版电子”。我们所生活的自然空间中充斥着缪子，它们主要来自宇宙初级射线与大气相互作用后的次级产物，因此被称为宇宙射线缪子。

粗略地讲，在海平面每平方米面积上每分钟内会有1万个宇宙射线缪子到达，相当于每秒会有1个缪子穿过我们的手掌。2017年由三个国家科学家组成的科研团队利用宇宙射线缪子对世界上最大的胡夫金字塔进行探测，找到了以前从未发现过的隐藏暗室，这一考古成果发布在《Nature》上，引起了强烈反响。

相比于中子、X射线和γ射线等成像方法，宇宙射线缪子具有更强的穿透能力，“使用缪子成像技术我们可以对城墙进行三维扫描成像，对于城墙这样十几米甚至几十米厚的东西来说，里面如果有一个一米大的空洞，我们是完全可以通过缪子成像技术检测到的。”

给城墙做“CT”

西安城墙是我国重要的文化遗产之一，它凝聚着中国古代劳动人民的智慧，对研究中国古代社会的城市建设、历史、军事和建筑艺术等方面都具有很高的价值。但由于北方夏季雨水较多，数百年的屹立使得西安古城墙出现了部分坍塌、沉陷等问题。如何对它进行病灶的“诊疗”，观察城墙内部情况进而有针对性地对其展开修复工程，成为一个迫在眉睫的科学问题。

团队选择的测试段是城墙的58号马面区域（依一定距离在城墙外侧建的凸出墩台，平面有长方形和半圆形，因外观狭长如马面，故名），他们采取了环绕城墙马面设置六个观测点的方案，在城墙不同地点均放置探测器，多角度进行数据采集。

“反演结果清晰地展示了在马面北墙紧贴墙砖面处有明显的密度异常体。”三维成像结果出来后，承担数据分析工作的2021级硕士研究生刘国睿兴奋地介绍。“与此同时，我们还发现在成像结果中有一个低密度区域。后来与城墙管理人员比对之后，发现这正是该马面的配电室区域，这达到了盲测的有效验证。因为在未知的情况下，通过我们的技术清晰地将其位置、形状、大小呈现了出来，很好地展示了这套装置的高精度扫描能力。”

目前相关成果以精选（featured）和封面（cover）文章刊发在应用物理经典杂志《Journal of Applied Physics》上，硕士研究生刘国睿、博士研究生罗旭佳同学为共同第一作者，刘军涛副教授为第一通讯作者。同时，AIP科学之光（Scilight）也对该成果作为亮点工作进行了重点宣传报道。

在完成西安城墙成像工作的过程中，团队也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，“中华文明探源工程历时二十年，取得了一批重大成果，也为我国科技工业者提出了更高的要求。中华文明历史久远，许多关键性遗址存在着内部不明导致考察受阻的现实困难，利用缪子成像技术可以较好地解决内部结果探测，可以极大地协助文物工作者的重要研究。”刘军涛表示，习近平总书记曾强调“要让更多文物和文化遗产活起来”，以科技助力中华文明探源工程，为文物勘探及检测提供技术支撑，一直是科技工作者们肩负的历史重任。他们正在努力地与西北地区的文物部门、青藏高原研究、地质勘查等研究机构进行研讨，力争为我国的考古事业，为中华文明探源工程奉献力量。

十余年自研成就国内首次

事实上，作为一项前沿科技，作为国内首次实施的缪子成像技术对大型文物古迹的实验研究，团队面临可供借鉴的案例较少，许多核心技术需要依靠团队和国内同行一起进行突破，同时还要考虑到核心元器件的国产化等问题。

另一方面，天然的来源带来优势，但也决定了缪子受到客观条件的约束，测量时间受限于宇宙射线的通量，团队在探测期间也经历了许多野外作业中带来的诸多意想不到的技术困难，“露天环境，还有矿山等野外条件下的作业，往往长达几个月，这不仅对我们的设备是一种非常严苛的考验，对团队里的每一位成员也是一种身心磨练。”刘军涛说，“风吹日晒是常事，还要随时监测设备情况，解决电压不稳、短路等各种突发情况。”

针对这些难题，他们凭借多年的基础和应用研究经验，搭建仪器、应对各种野外突发情况、搜集数据、演算测试……如今，团队采用独特的探测器设计与读出采集系统方案，大幅度降低了系统成本，同时在算法上突破常规技术，使成像技术应用到更多现实场景中成为可能。

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，他们都致力于将其本土化，“我们要把这个技术国产化，采用我们自己的原材料、资金、技术等各个方面，现在我们这项技术的国产化率应该在95%左右。”

对于研发及实践过程中所经历的种种艰辛和繁杂，刘军涛感叹不已，回忆起整个过程得到众多领域单位的支持和理解，他带着真挚的敬意说道，“假如没有学校、甘肃省科技厅、甘肃省地矿局、甘肃省自然资源厅以及西安城墙管理委员会对于科技创新的支持和包容，缪子成像装置可能仍然静静地躺在我们的实验室台架上。”

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。在团队的不断虚拟推演下，缪子成像技术的应用也从考古探测发展到了地质勘探、矿产勘探、海关集装箱检测等更广阔的场景。

不久前，他们又有了新的思路，是否可以使用缪子成像技术探测冰川的厚度，明晰岩石边界，为探寻青藏高原生态、地质环境提供新的方向？这对团队来说，又是一个新挑战，“虽然缪子成像技术国际上也一直有人在做，但是在冰川地区使用探测器还是比较困难的，我们目前的设备还比较笨重且对温度的要求较高。”制作轻量化、耐低温的缪子成像仪器正在成为他们一个新的探索方向。