我國(guó)第一臺(tái)高速攝影機(jī)：東方巨響下的快門(mén)

60年前那個(gè)初秋的下午，蔣森林一動(dòng)不動(dòng)地趴在戈壁灘上，一陣熱浪襲來(lái)烤得他脊背發(fā)燙，緊接著狂風(fēng)呼嘯而過(guò)，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?chē)娜藗兲S、擁抱，把帽子高高拋向天空……這一刻，他明白，試驗(yàn)成功了！

這是1964年10月16日的新疆羅布泊，我國(guó)第一顆原子彈爆炸成功的現(xiàn)場(chǎng)。

“所有人都在慶祝，我心里卻很忐忑。”雖現(xiàn)已年過(guò)九旬，中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)西安光機(jī)所）研究員蔣森林至今依然清晰地記得當(dāng)時(shí)的心情：“我們一邊為原子彈爆炸試驗(yàn)成功欣喜若狂，另一邊又很擔(dān)心我們的設(shè)備是否完成了任務(wù)。”在度過(guò)了一生中最漫長(zhǎng)、最難挨的兩天后，好消息終于傳來(lái)——西安光機(jī)所的兩型高速攝影機(jī)都拍到圖像了，“我當(dāng)時(shí)高興壞了，不知說(shuō)什么好，甚至走路都有點(diǎn)搖搖晃晃”。

讓世界對(duì)中國(guó)刮目相看的歷史性一刻，成為西安光機(jī)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(shí)刻”。

生逢其時(shí)，接下“天字第一號(hào)”任務(wù)

1956年，毛澤東在中央政治局?jǐn)U大會(huì)議上提出：“我們要不受人家欺負(fù)，就不能沒(méi)有這個(gè)東西（原子彈）。”一場(chǎng)集結(jié)全國(guó)各方力量打造國(guó)之重器的攻堅(jiān)戰(zhàn)，就此拉開(kāi)序幕。

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

高速攝影，俗稱(chēng)“慢動(dòng)作”攝影，即把瞬時(shí)高速動(dòng)作放慢，捕捉人眼看不見(jiàn)的精彩瞬間，進(jìn)而揭示底層物理規(guī)律。這是光機(jī)電一體化的復(fù)合型高技術(shù)，可用于觀測(cè)武器爆炸、彈道軌跡以及核爆炸等高速瞬態(tài)過(guò)程。

“研制高速攝影機(jī)的目的很明確，就是為第一次原子彈試爆服務(wù)。”蔣森林說(shuō)。

20世紀(jì)60年代初期，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(jī)所研制高速攝影設(shè)備之路舉步維艱。

高速攝影機(jī)，怎么搞？

時(shí)任電控課題組組長(zhǎng)的趙宗堯在回憶文章中寫(xiě)道：“1963年初，龔祖同所長(zhǎng)提出研制‘三幅電光快門(mén)高速相機(jī)’計(jì)劃，在一次瞬態(tài)過(guò)程拍攝中獲得3幅不同時(shí)刻的圖像照片，每臺(tái)相機(jī)的曝光時(shí)間都要達(dá)到1微秒，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)高速攝影機(jī)空白。”這就是后來(lái)廣為人知的單片克爾盒高速攝影機(jī)。

此外，研制等效幀頻為20萬(wàn)幀的半周等待型轉(zhuǎn)鏡式高速攝影機(jī)，即ZDF-20型高速攝影機(jī)，也被列入研究所重點(diǎn)任務(wù)。

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

西安光機(jī)所就此開(kāi)始同步推進(jìn)單片克爾盒高速攝影機(jī)、ZDF-20型高速攝影機(jī)的研制工作，準(zhǔn)備用“雙保險(xiǎn)”方式，以我國(guó)第一臺(tái)高速攝影機(jī)之名，奔赴羅布泊，對(duì)準(zhǔn)原子彈記錄歷史性的一瞬。

時(shí)間緊迫，“各顯神通”攻克難關(guān)

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

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(shí)驗(yàn)設(shè)備可謂家常便飯。他認(rèn)為動(dòng)手能力是科研人員必備的重要技能，“因?yàn)橹挥歇?dú)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(dòng)手”的技能就在攻克克爾盒高速攝影機(jī)技術(shù)難關(guān)的過(guò)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(wèn)題時(shí)，為將玻璃片黏結(jié)在盒體上，必須使用煤氣進(jìn)行熱加工。當(dāng)時(shí)西安根本沒(méi)有煤氣，于是侯洵和同事們想出一個(gè)“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(jī)相連，給桶內(nèi)打氣，從液面上那根管中出來(lái)的氣體就帶有汽油氣，可以燃燒。

煤氣配出來(lái)了，但設(shè)備還需要一個(gè)自動(dòng)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(jìn)而控制桶內(nèi)氣壓。

與此同時(shí)，ZDF-20型高速攝影機(jī)的研制工作也在緊鑼密鼓地進(jìn)行。西安光機(jī)所研究員李育林現(xiàn)已年屆90，近兩年身體狀況不太好，但一聽(tīng)到“ZDF-20”這個(gè)詞，他的精神為之一振，聲音也變得洪亮起來(lái)。

“沒(méi)錯(cuò)，ZDF-20型高速攝影機(jī)就是西安光機(jī)所研制的。它最大的特點(diǎn)是采用類(lèi)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(lái)回比畫(huà)，想盡量將工作原理解釋得清晰易懂。

“ZDF-20型高速攝影機(jī)的設(shè)計(jì)對(duì)我們來(lái)說(shuō)并不難。”李育林自信地說(shuō)，難題更多出在生產(chǎn)制造上。雖然西安光機(jī)所有研制工廠，但是對(duì)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(wú)法匹配。任務(wù)很緊迫，怎么辦？最終，所里調(diào)動(dòng)多方面資源，經(jīng)多方聯(lián)系、全力爭(zhēng)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(jī)如期交付使用。

如何產(chǎn)生這樣連續(xù)、高強(qiáng)度又精確的高壓脈沖？另一邊，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(guó)各地尋找解決辦法，但都無(wú)功而返。

正當(dāng)蔣森林苦惱之時(shí)，一場(chǎng)偶遇帶來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)。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(dá)的。“造雷達(dá)不就是做高壓脈沖嗎？我們只要對(duì)其進(jìn)行改造，就可以解決時(shí)長(zhǎng)1微秒、電壓3萬(wàn)伏的強(qiáng)電場(chǎng)高壓脈沖難題。這真是天無(wú)絕人之路！”

經(jīng)西安光機(jī)所首任黨委書(shū)記蘇景一和時(shí)任中國(guó)科學(xué)院西北分院副院長(zhǎng)華壽俊的努力溝通協(xié)調(diào)，西安光機(jī)所迅速組成5人小組并順利進(jìn)駐蔣森林大學(xué)舍友的工作單位，開(kāi)始關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。“我們每天早上8點(diǎn)進(jìn)廠、晚上10點(diǎn)出廠，下班后就在廠門(mén)口的小攤吃一碗湯圓，就這樣干了兩個(gè)多月，終于解決了瞬時(shí)高壓產(chǎn)生的難題！”蔣森林激動(dòng)地說(shuō)。

光榮時(shí)刻，萬(wàn)全準(zhǔn)備、萬(wàn)無(wú)一失

1964年6月初，指揮部命令下達(dá)，歷史性的一刻終于到來(lái)。

兩型共10臺(tái)高速攝影機(jī)被運(yùn)到核爆基地進(jìn)行最后調(diào)試，西安光機(jī)所派出蔣森林、趙宗堯、魏順根、袁祖揚(yáng)4人一同來(lái)到新疆羅布泊馬蘭核試驗(yàn)基地。在這個(gè)以戈壁灘常見(jiàn)的馬蘭草命名的、地圖上并不存在的地方，他們將為我國(guó)第一次核爆試驗(yàn)“保駕護(hù)航”。

試爆原子彈被安放在100多米高的鐵塔上，高速攝影機(jī)布置于距鐵塔10公里外的工壕。工壕很堅(jiān)固，能抵抗沖擊波與光輻射。工壕有專(zhuān)門(mén)的窗口供各種測(cè)試設(shè)備瞄準(zhǔn)鐵塔頂部，以便原子彈爆炸時(shí)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(jìn)行拍攝試驗(yàn)。“我們很重視在化爆中發(fā)生的故障，切實(shí)排除，絕不放過(guò)任何微小疑點(diǎn)。”他已記不清進(jìn)行了多少場(chǎng)化學(xué)爆炸試驗(yàn)，艱苦、枯燥的日子就這樣在不知不覺(jué)中度過(guò)，時(shí)間來(lái)到了10月16日。

“我們把設(shè)備分別布置在兩個(gè)工壕內(nèi)，原子彈爆炸時(shí)同時(shí)工作，互為備用，確保萬(wàn)無(wú)一失。”蔣森林說(shuō)。單片克爾盒高速攝影機(jī)的時(shí)間分辨率可達(dá)微秒級(jí)，在爆炸時(shí)，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(wèn)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(dá)，所有人打包所有東西撤離。后來(lái)我們被汽車(chē)?yán)揭粋€(gè)陌生的地方，大家下車(chē)后都趴下一動(dòng)不動(dòng)。”蔣森林回憶，當(dāng)時(shí)所有人都沒(méi)有說(shuō)話，但心里都明白，歷史性的一刻就要到來(lái)了……

中國(guó)第一顆原子彈爆炸試驗(yàn)成功了。西安光機(jī)所研制的兩型高速攝影機(jī)成功拍攝到原子彈爆炸初期火球擴(kuò)展的系列圖像——單片克爾盒高速攝影機(jī)拍攝到4幅照片，ZDF-20型高速攝影機(jī)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(shí)間變化等重要數(shù)據(jù)，圓滿完成光測(cè)任務(wù)。

（摘自《中國(guó)科學(xué)報(bào)》）