我国第一台高速摄影机：东方巨响下的快门

60年前那个初秋的下午，蒋森林一动不动地趴在戈壁滩上，一阵热浪袭来烤得他脊背发烫，紧接着狂风呼啸而过，席卷起的漫天黄沙落满全身。不久，欢呼声响起。他缓缓抬起头，看到周围的人们跳跃、拥抱，把帽子高高抛向天空……这一刻，他明白，试验成功了！

这是1964年10月16日的新疆罗布泊，我国第一颗原子弹爆炸成功的现场。

“所有人都在庆祝，我心里却很忐忑。”虽现已年过九旬，中国科学院西安光学精密机械研究所（以下简称西安光机所）研究员蒋森林至今依然清晰地记得当时的心情：“我们一边为原子弹爆炸试验成功欣喜若狂，另一边又很担心我们的设备是否完成了任务。”在度过了一生中最漫长、最难挨的两天后，好消息终于传来——西安光机所的两型高速摄影机都拍到图像了，“我当时高兴坏了，不知说什么好，甚至走路都有点摇摇晃晃”。

让世界对中国刮目相看的历史性一刻，成为西安光机所以及与蒋森林一样参与这次任务的科研人员职业生涯的“高光时刻”。

生逢其时，接下“天字第一号”任务

1956年，毛泽东在中央政治局扩大会议上提出：“我们要不受人家欺负，就不能没有这个东西（原子弹）。”一场集结全国各方力量打造国之重器的攻坚战，就此拉开序幕。

原子弹爆炸成功的一个关键判据，就是用科学手段记录爆炸初期火球扩展情况，这个手段非高速摄影技术莫属。

高速摄影，俗称“慢动作”摄影，即把瞬时高速动作放慢，捕捉人眼看不见的精彩瞬间，进而揭示底层物理规律。这是光机电一体化的复合型高技术，可用于观测武器爆炸、弹道轨迹以及核爆炸等高速瞬态过程。

“研制高速摄影机的目的很明确，就是为第一次原子弹试爆服务。”蒋森林说。

20世纪60年代初期，在一穷二白的科研条件和极其有限的技术积累下，初生的西安光机所研制高速摄影设备之路举步维艰。

高速摄影机，怎么搞？

时任电控课题组组长的赵宗尧在回忆文章中写道：“1963年初，龚祖同所长提出研制‘三幅电光快门高速相机’计划，在一次瞬态过程拍摄中获得3幅不同时刻的图像照片，每台相机的曝光时间都要达到1微秒，填补国内高速摄影机空白。”这就是后来广为人知的单片克尔盒高速摄影机。

此外，研制等效帧频为20万帧的半周等待型转镜式高速摄影机，即ZDF-20型高速摄影机，也被列入研究所重点任务。

“克尔盒高速摄影机是微秒量级的，拍摄图片画幅更大，但只有4张；ZDF-20型高速摄影机虽然时间分辨率为亚微秒，但可以连续拍数十张。”西安光机所研究员陈中仁解释了两种设备的特点。

西安光机所就此开始同步推进单片克尔盒高速摄影机、ZDF-20型高速摄影机的研制工作，准备用“双保险”方式，以我国第一台高速摄影机之名，奔赴罗布泊，对准原子弹记录历史性的一瞬。

时间紧迫，“各显神通”攻克难关

单片克尔盒高速摄影机研制的一个难题是解决克尔盒硝基苯提纯和盒体玻璃窗封结问题。这个重任落在西安光机所研究员侯洵的肩上。

侯洵的科研生涯经历了一穷二白的年代，由于条件局限，自制实验设备可谓家常便饭。他认为动手能力是科研人员必备的重要技能，“因为只有独特的设备，才能做出创新的工作”。不久之后，侯洵这种“自己动手”的技能就在攻克克尔盒高速摄影机技术难关的过程中发挥了重要作用。

在解决克尔盒盒体玻璃窗封结问题时，为将玻璃片黏结在盒体上，必须使用煤气进行热加工。当时西安根本没有煤气，于是侯洵和同事们想出一个“土办法”：在装有部分汽油的油桶盖上插入两根管子，一根插在汽油液面之上，一根插入汽油之内直至接近底部，上端和空气压缩机相连，给桶内打气，从液面上那根管中出来的气体就带有汽油气，可以燃烧。

煤气配出来了，但设备还需要一个自动控制气压的器件。于是他们又自制一根U形玻璃管并装上电极，用管内水银控制电路，进而控制桶内气压。

与此同时，ZDF-20型高速摄影机的研制工作也在紧锣密鼓地进行。西安光机所研究员李育林现已年届90，近两年身体状况不太好，但一听到“ZDF-20”这个词，他的精神为之一振，声音也变得洪亮起来。

“没错，ZDF-20型高速摄影机就是西安光机所研制的。它最大的特点是采用类菱形棱镜分光元件和双层四面体棱镜反射扫描结构，组成了半周等待型工作结构。”李育林用略微颤抖的手指在桌面上来回比画，想尽量将工作原理解释得清晰易懂。

“ZDF-20型高速摄影机的设计对我们来说并不难。”李育林自信地说，难题更多出在生产制造上。虽然西安光机所有研制工厂，但是对于生产如此高精尖的光学设备而言，其制造能力还无法匹配。任务很紧迫，怎么办？最终，所里调动多方面资源，经多方联系、全力争取，找到两家代工厂合作，成功解决了生产制造难题，保障了高速摄影机如期交付使用。

如何产生这样连续、高强度又精确的高压脉冲？另一边，蒋森林和曹文钦等研究小组成员一筹莫展。他们尝试去全国各地寻找解决办法，但都无功而返。

正当蒋森林苦恼之时，一场偶遇带来了转机。有一天，蒋森林在街上碰到了大学舍友，在聊天中得知舍友所在单位是生产雷达的。“造雷达不就是做高压脉冲吗？我们只要对其进行改造，就可以解决时长1微秒、电压3万伏的强电场高压脉冲难题。这真是天无绝人之路！”

经西安光机所首任党委书记苏景一和时任中国科学院西北分院副院长华寿俊的努力沟通协调，西安光机所迅速组成5人小组并顺利进驻蒋森林大学舍友的工作单位，开始关键技术攻关。“我们每天早上8点进厂、晚上10点出厂，下班后就在厂门口的小摊吃一碗汤圆，就这样干了两个多月，终于解决了瞬时高压产生的难题！”蒋森林激动地说。

光荣时刻，万全准备、万无一失

1964年6月初，指挥部命令下达，历史性的一刻终于到来。

两型共10台高速摄影机被运到核爆基地进行最后调试，西安光机所派出蒋森林、赵宗尧、魏顺根、袁祖扬4人一同来到新疆罗布泊马兰核试验基地。在这个以戈壁滩常见的马兰草命名的、地图上并不存在的地方，他们将为我国第一次核爆试验“保驾护航”。

试爆原子弹被安放在100多米高的铁塔上，高速摄影机布置于距铁塔10公里外的工壕。工壕很坚固，能抵抗冲击波与光辐射。工壕有专门的窗口供各种测试设备瞄准铁塔顶部，以便原子弹爆炸时捕捉有关讯息。

蒋森林等人的前期工作就是配合模拟化学爆炸进行拍摄试验。“我们很重视在化爆中发生的故障，切实排除，绝不放过任何微小疑点。”他已记不清进行了多少场化学爆炸试验，艰苦、枯燥的日子就这样在不知不觉中度过，时间来到了10月16日。

“我们把设备分别布置在两个工壕内，原子弹爆炸时同时工作，互为备用，确保万无一失。”蒋森林说。单片克尔盒高速摄影机的时间分辨率可达微秒级，在爆炸时，它需要在0微秒、40微秒、70微秒和100微秒各拍一次。戈壁滩的环境干燥，电干扰问题出现得少了，但蒋森林心里依然打鼓。

“这天早上，紧急通知下达，所有人打包所有东西撤离。后来我们被汽车拉到一个陌生的地方，大家下车后都趴下一动不动。”蒋森林回忆，当时所有人都没有说话，但心里都明白，历史性的一刻就要到来了……

中国第一颗原子弹爆炸试验成功了。西安光机所研制的两型高速摄影机成功拍摄到原子弹爆炸初期火球扩展的系列图像——单片克尔盒高速摄影机拍摄到4幅照片，ZDF-20型高速摄影机拍摄到62幅照片，获得早期火球表观温度变化和火球半径随时间变化等重要数据，圆满完成光测任务。

（摘自《中国科学报》）