西安古城墙能做“CT”吗
①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。想知道一座有着几十米高的西安古城墙的健康状况，该怎么办?2022年兰州大学核技术创新与产业化团队利用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”。
叫缪子的宇宙射线
②利用一种宇宙射线对物体进行成像，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”。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。缪子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。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。
藏着秘密的“冰柜”
③给西安古城墙做“CT”的缪子探测器，看起来像一台冰柜，是因为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。
④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。采集缪子只是第一步。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。2022年春节前夕，探测器成功测试出了城墙中的低密度区域，也就是一个配电室。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。
科研从来无坦途
⑤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。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。
⑥一直以来，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。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。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。
（选自《科技日报》2023年3月17日，有删改）
