我國第一臺高速攝影機：東方巨響下的快門

雖已年過九旬，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所（以下簡稱西安光機所）研究員蔣森林依然清晰地記得，60年前那個初秋的下午，他一動不動地趴在戈壁灘上，一陣熱浪襲來烤得他脊背發(fā)燙，緊接著狂風(fēng)呼嘯而過，席卷起的漫天黃沙落滿全身。不久，歡呼聲響起。他緩緩抬起頭，看到周圍的人們跳躍、擁抱，把帽子高高拋向天空……這一刻，蔣森林明白，試驗成功了！

這是1964年10月16日的羅布泊，我國第一顆原子彈爆炸成功的現(xiàn)場。

“所有人都在慶祝，我心里卻很忐忑。”蔣森林回憶說，“一邊為原子彈爆炸試驗成功欣喜若狂，另一邊又很擔心我們的設(shè)備是否完成了任務(wù)?！痹诙冗^了一生中最漫長、最難挨的2天后，好消息終于傳來——西安光機所的兩型高速攝影機都拍到圖像了！“我當時高興壞了，不知說什么好，甚至走路都有點搖搖晃晃?！?/p>

讓世界對中國刮目相看的歷史性一刻，成為了西安光機所以及與蔣森林一樣參與這次任務(wù)的科研人員職業(yè)生涯的“高光時刻”。

1 生逢其時 接下“天字第一號”任務(wù)

1956年，毛澤東主席在中央政治局擴大會議上提出：“我們要不受人家欺負，就不能沒有這個東西（原子彈）。”一場集結(jié)全國各方力量打造國之重器的攻堅戰(zhàn)，就此拉開序幕。

原子彈爆炸成功的一個關(guān)鍵判據(jù)，就是用科學(xué)手段記錄爆炸初期火球擴展情況，這個手段非高速攝影技術(shù)莫屬。

高速攝影，俗稱“慢動作”攝影，即把瞬時高速動作放慢，捕捉人眼看不見的精彩瞬間，進而揭示底層物理規(guī)律。這是光機電一體化的復(fù)合型高技術(shù)，可用于觀測武器爆炸、彈道軌跡以及核爆炸等高速瞬態(tài)過程。

為解決核爆試驗必需的高速攝影設(shè)備和耐輻照光學(xué)材料問題，1962年，中國科學(xué)院和原第二機械工業(yè)部決定，在西部地區(qū)整合相關(guān)優(yōu)勢力量，成立中國科學(xué)院光學(xué)精密機械研究所西安分所（1970年更名為西安光機所）。

至此，我國的高速攝影技術(shù)研究正式開啟。

“研制高速攝影機的目的很明確，就是為第一次原子彈試爆服務(wù)?！笔Y森林說。西安光機所首任所長龔祖同有一句名言：“以祖國的需要為我們的方向?！毖兄莆覈谝慌_高速攝影機，就是西安光機所成立之初的首要任務(wù)。西安光機所首任黨委書記蘇景一在動員大會上振臂高呼：“這是我們所的‘天字第一號’任務(wù)。為國出力的時候到了，我們砸鍋賣鐵也要完成！”時至今日，很多西光人仍對這些振奮人心的話記憶猶新。

20世紀60年代初，蘇聯(lián)專家撤離中國，重創(chuàng)我國原子彈研制事業(yè)。在一窮二白的科研條件和極其有限的技術(shù)積累下，初生的西安光機所研制高速攝影設(shè)備之路舉步維艱。

高速攝影機，怎么搞？

時任電控課題組組長的趙宗堯在回憶文章中寫道：“1963年初，龔祖同所長提出研制‘三幅電光快門高速相機’計劃，在一次瞬態(tài)過程拍攝中獲得3幅不同時刻的圖像照片，每臺相機的曝光時間都要達到1微秒，填補國內(nèi)高速攝影機空白?！边@就是后來廣為人知的單片克爾盒高速攝影機。

此外，研制等效幀頻為20萬幀的半周等待型轉(zhuǎn)鏡式高速攝影機，即ZDF-20型高速攝影機，也被列入研究所“天字第一號”任務(wù)。

“克爾盒高速攝影機是微秒量級的，拍攝圖片畫幅更大，但只有4張；ZDF-20型高速攝影機雖然時間分辨率為亞微秒，但可以連續(xù)拍數(shù)十張。”西安光機所研究員陳中仁解釋了兩種設(shè)備的特點。

西安光機所就此開始同步推進單片克爾盒高速攝影機、ZDF-20型高速攝影機的研制工作，準備用“雙保險”方式，以我國第一臺高速攝影機之名，奔赴羅布泊，對準原子彈記錄歷史性的一瞬。

2 時間緊迫 “各顯神通”攻克難關(guān)

單片克爾盒高速攝影機研制的一個難題是解決克爾盒硝基苯提純和盒體玻璃窗封結(jié)問題。這個重任落在西安光機所研究員侯洵的肩上。

1962年，侯洵來到所里。侯洵后來回憶，當時龔祖同找到他，希望他從理論研究轉(zhuǎn)向?qū)嶒炑芯浚员ＷC “天字第一號”任務(wù)順利推進。盡管這個轉(zhuǎn)變跨度較大，但侯洵當即表示：“做實驗就做實驗，這是國家需要！”

侯洵的科研生涯經(jīng)歷了一窮二白的年代，由于條件局限，自制實驗設(shè)備可謂家常便飯。他認為動手能力是科研人員必備的重要技能，“因為只有獨特的設(shè)備，才能做出創(chuàng)新的工作”。不久之后，侯洵這種“自己動手”的技能就在攻克克爾盒高速攝影機技術(shù)難關(guān)的過程中發(fā)揮了重要作用。

在解決克爾盒盒體玻璃窗封結(jié)問題時，為將玻璃片黏結(jié)在盒體上，必須使用煤氣進行熱加工。當時西安根本沒有煤氣，于是侯洵和同事們想出一個“土辦法”：在裝有部分汽油的油桶蓋上插入兩根管子，一根插在汽油液面之上，一根插入汽油之內(nèi)直至接近底部，上端和空氣壓縮機相連，給桶內(nèi)打氣，從液面上那根管中出來的氣體就帶有汽油氣，可以燃燒。

煤氣配出來了，但設(shè)備還需要一個自動控制氣壓的器件。于是他們又自制一根U形玻璃管并裝上電極，用管內(nèi)水銀控制電路，進而控制桶內(nèi)氣壓。

與此同時，ZDF-20型高速攝影機的研制工作也在緊鑼密鼓地進行。西安光機所研究員李育林現(xiàn)已年屆九十，近兩年身體狀況不太好，但一聽到“ZDF-20”這個詞，他的精神為之一振，聲音也變得洪亮起來。

“沒錯，ZDF-20型高速攝影機就是西安光機所研制的。它最大的特點是采用了類菱形棱鏡分光元件和雙層四面體棱鏡反射掃描結(jié)構(gòu)，組成了半周等待型工作結(jié)構(gòu)。”李育林用略微顫抖的手指在桌面上來回比畫，想盡量將工作原理解釋得清晰易懂。

西安光機所建所之初，為更好兼顧國家任務(wù)研制與研究所發(fā)展，采用“三邊”建設(shè)政策，即“邊科研、邊建設(shè)、邊培干”。李育林就是培干人員之一，主攻光學(xué)設(shè)計?！癦DF-20型高速攝影機的設(shè)計對我們來說并不難?！崩钣肿孕诺卣f，難題更多出在生產(chǎn)制造上。雖然西安光機所有研制工廠，但是對于生產(chǎn)如此高精尖的光學(xué)設(shè)備而言，其制造能力還無法匹配。任務(wù)很緊迫，怎么辦？最終，所里調(diào)動多方面資源，經(jīng)多方聯(lián)系、全力爭取，找到兩家代工廠合作，成功解決了生產(chǎn)制造難題，保障了高速攝影機如期交付使用。

3 柳暗花明 辦法總比困難多

每當回憶起當年那段激情燃燒的歲月，蔣森林的思路就格外清晰，濃重的江蘇口音透露出不容置疑的堅決。他摩挲著手中的資料，將一串串印刻在腦海里的專業(yè)術(shù)語和數(shù)據(jù)娓娓道來：“克爾盒高速攝影機基于意大利科學(xué)家克爾提出的克爾效應(yīng)原理，通過光電倍增管，吸收原子彈爆炸瞬時產(chǎn)生的強光，將其轉(zhuǎn)換為電信號，進而控制快門，完成高速攝影?！?/p>

蔣森林回憶，除了克爾盒硝基苯提純和盒體玻璃窗封結(jié)工藝，研制克爾盒高速攝影機的另一個難題是快門的觸發(fā)機制，即產(chǎn)生時長1微秒、電壓3萬伏的強電場高壓脈沖。

如何產(chǎn)生這樣連續(xù)、高強度又精確的高壓脈沖？蔣森林和曹文欽等研究小組成員一籌莫展。他們嘗試去全國各地尋找解決辦法，但都無功而返。

正在蔣森林苦惱之時，一場偶遇帶來了轉(zhuǎn)機。有一天，蔣森林在街上碰到了大學(xué)舍友，在聊天中得知舍友所在單位是生產(chǎn)雷達的?！霸炖走_不就是做高壓脈沖嗎？我們只要對其進行改造，就可以解決時長1微秒、電壓3萬伏的強電場高壓脈沖難題。這真是天無絕人之路！”蔣森林馬上找到蘇景一匯報了這個想法。后經(jīng)蘇景一和時任中國科學(xué)院西北分院副院長華壽俊的努力溝通協(xié)調(diào)，西安光機所迅速組成5人小組并順利進駐蔣森林大學(xué)舍友的工作單位，開始關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

“我們每天早8點進廠、晚10點出廠，下班后就在廠門口的小攤吃一碗湯圓，就這樣干了兩個多月，終于解決了瞬時高壓產(chǎn)生的難題！”蔣森林激動地說。

科研就是過五關(guān)、斬六將。忙完這一段，蔣森林以為可以休息一下了，誰知更大的難題還在后面。團隊回到西安光機所，在所里首棟綜合科研樓621樓進行總裝調(diào)試的時候，電干擾出現(xiàn)了。“搞電的人最怕干擾，偏偏又是在進駐試爆基地前這個關(guān)鍵時刻?！?/p>

參與核爆試驗的8臺克爾盒高速攝影機共配備13個快門，包括機械快門、克爾快門和爆炸快門。電干擾會使爆炸快門提前打開，這將直接導(dǎo)致攝影機停止工作。

蔣森林和團隊開始了抽絲剝繭式的嘗試，終于在設(shè)備出所前基本解決了電干擾中的線干擾問題。但是，在試爆基地試驗過程中，場干擾偶爾還會毫無規(guī)律地出現(xiàn)。蔣森林和同事們克服心理壓力，一次又一次排除可能造成干擾的風(fēng)險點，最終保證了核爆當天拍攝成功。

4 光榮時刻 萬全準備萬無一失

1964年6月初，指揮部命令下達，歷史性的一刻終于到來。

兩型共10臺高速攝影機被運到核爆基地進行最后調(diào)試，西安光機所派出蔣森林、趙宗堯、魏順根、袁祖揚四人一同來到新疆羅布泊馬蘭核試驗基地。在這個以戈壁灘常見的馬蘭草命名的、地圖上并不存在的地方，他們將為我國第一次核爆試驗“保駕護航”。

試爆原子彈被安放在100多米高的鐵塔上，高速攝影機布置于距鐵塔10公里外的工壕。工壕很堅固，能抵抗沖擊波與光輻射。工壕有專門的窗口供各種測試設(shè)備瞄準鐵塔頂部，以便原子彈爆炸時捕捉有關(guān)訊息。

蔣森林等人的前期工作就是配合模擬化學(xué)爆炸進行拍攝試驗?！拔覀兒苤匾曉诨邪l(fā)生的故障，切實排除，絕不放過任何微小疑點?！彼延洸磺暹M行了多少場化學(xué)爆炸試驗，艱苦、枯燥的日子就這樣在不知不覺中度過，時間來到了10月16日。

“我們把設(shè)備分別布置在兩個工壕內(nèi)，原子彈爆炸時同時工作，互為備用，確保萬無一失?！笔Y森林說。單片克爾盒高速攝影機的時間分辨率可達微秒級，在爆炸時，它需要在0微秒、40微秒、70微秒和100微秒各拍一次。戈壁灘的環(huán)境干燥，電干擾問題出現(xiàn)得少了，但蔣森林心里依然打鼓。

“這天早上，緊急通知下達，所有人打包所有東西撤離。后來我們被汽車拉到一個陌生的地方，大家下車后都趴下一動不動?！笔Y森林回憶，當時所有人都沒有說話，但心里都明白，歷史性的一刻就要到來了……

中國第一顆原子彈爆炸試驗成功了。幸運之神也眷顧了西安光機所，兩型高速攝影機成功拍攝到原子彈爆炸初期火球擴展的系列圖像——單片克爾盒高速攝影機拍攝到4幅照片，ZDF-20型高速攝影機拍攝到62幅照片，獲得早期火球表觀溫度變化和火球半徑隨時間變化等重要數(shù)據(jù)，圓滿完成光測任務(wù)。

5 懷抱信念 邁上自立自強之路

核爆試驗成功的第二年，以龔祖同為團長的中國代表團受邀參加在瑞士舉辦的第七屆國際高速攝影會議。這是我國首次參與該領(lǐng)域的最高級別國際學(xué)術(shù)會議。我國高速攝影技術(shù)的發(fā)展，似那升騰而起的蘑菇云，開始引發(fā)世界的關(guān)注。

雖然任務(wù)順利完成了，但對于參與高速攝影機研制的西安光機所研究人員來說，這只是個開始，還有更多重要任務(wù)等待著他們。

蔣森林后來身體欠佳，但依然堅持參加并完成了接下來的我國首顆原子彈空爆任務(wù)。之后，蔣森林又和團隊設(shè)計研制出我國第一臺電視-變像管高速攝影機，服務(wù)于我國首次地下核試驗。他自豪地說：“我們研制出來的時間比美國還要早?！?966年，西安光機所又研制出ZDF-250型高速攝影機，參加了1967年6月17日我國首次氫彈試爆并圓滿完成光測任務(wù)。

“當時任務(wù)緊迫但條件有限，我們研究人員都擠在621樓，宿舍就是辦公室，房間里放著幾張二斗桌。光學(xué)設(shè)計靠翻五位對數(shù)表，機械設(shè)計全靠繪圖儀、鴨嘴筆，電路系統(tǒng)靠電烙鐵手工焊接。唯一一臺手搖臺式計算機就是所里最先進的設(shè)備了?！标愔腥收f起當年的情景，依然十分動情。

一臺又一臺高速攝影機走出621樓，完成了一項又一項國家重大任務(wù)，實現(xiàn)了一個又一個“第一次”，在科技自立自強的征程上，蹚出了一條中國人自己的道路。1985年，“現(xiàn)代國防試驗中的動態(tài)光學(xué)觀測和測量技術(shù)”項目榮獲國家科技進步獎特等獎，其中包含了西安光機所的18種高速攝影機。

多年以后，蔣森林在回憶參加我國首次核爆試驗的文章《戈壁灘上盛開的“馬蘭花”》中寫道：“我沒有見過植物馬蘭，也不知它會不會開花，但我親身感受過馬蘭的光輻射、沖擊波。馬蘭的火球、蘑菇云，就是最壯觀、最美麗的馬蘭花?！?/p>