中子層析成像技術用于文藝復興時期青銅雕塑和古羅馬鉛錠的檢測研究

中子具有極強的穿透能力，可以穿透而不破壞樣品。中子檢測的特點是對低密度材料的衰減較大，對高密度材料衰減較??；這和X射線(X-rays)的衰減系數基本相反。中子層析成像(Neutron Tomography，NT)的實現是通過獲取包含樣品結構特征信息投影數據的掃描和基于算法求出樣品斷層特征量分布的圖像重建與處理。NT圖像具有不受檢測斷層以外部分的干擾、沒有偽影的特點，優(yōu)點是圖像清晰、便于解讀并可對樣品材料定量分析。

LEHMANN E H等將中子層析成像技術用于阿姆斯特丹國立博物館(the Rijksmuseum Amsterdam)館藏文藝復興時期青銅雕塑和意大利西西里島附近發(fā)現的古羅馬沉船鉛錠的檢測研究，并與X射線的檢測結果進行了比對。

一、 阿姆斯特丹國立博物館藏青銅雕塑：

對青銅雕塑的中子層析掃描實驗裝置：探測器基于CCD相機(ANDOR Icon-M，冷卻到-50℃和降低暗電流)，放置在垂直光束方向的一個不透光盒子里，曝光時間為每個投影圖像20s量級。

通過NT切面圖等數字圖像可以清晰檢測出，青銅雕塑哪部分是空心的，哪部分是由陶瓷等其他材料填充的，外部損傷和金屬結構中的不均勻都可以一目了然。

經對阿姆斯特丹國立博物館收藏的14件文物的NT無損檢測分析發(fā)現，由于中子比X射線具有更高的穿透能力，所以NT檢測并沒有出現X射線檢測時的散射、射束硬化等偽影。值得一提的是，體積較大的青銅物品也可以通過NT方法進行無損檢測。通過測量研究對象的內部結構，獲得有關16世紀的青銅鑄造工藝和青銅雕塑內部保護狀況的信息。更便于區(qū)分內部空腔、陶瓷鑄件殘余物和塊體中的孔隙分布，還可以確定文物內部的一些穩(wěn)定加固部件。

二、 沉船出水鉛錠：

應用NT技術對古羅馬鉛錠(公元前3世紀—前1世紀)進行研究，這些鑄錠屬于西西里海岸附近兩個不同位置沉沒的羅馬船只。鉛是公元前2世紀至公元1世紀的羅馬時代的基本材料，用于軍事和商業(yè)的船舶建造，以及水和廢水管理的管道系統(tǒng)建設。地中海在鉛貿易中扮演著重要的角色，由商業(yè)船舶以錠的形式運輸原材料。因此，研究沉船以及出水鉛錠的特征對于揭示古代商業(yè)貿易航線的規(guī)律具有十分重要的意義。

實驗在位于德國柏林亥姆霍茲慕尼黑中心的中子成像設備CONRAD4進行。該設備位于BER-Ⅱ冷中子反應堆彎曲中子導向裝置的末端，L/D為170(L=500cm，D=3cm)準直裝置用于在10cm×10cm的光束場內，以獲得更好的空間分辨率，冷中子通量由2×108n·cm-2·s-1變?yōu)?07n·cm-2·s-1。

探測器系統(tǒng)是具有2048×2048像素的16位CCD相機(Andor)，從LiZnS閃爍體獲得的圖像通過反射鏡和透鏡系統(tǒng)投射到CCD芯片上。在檢測范圍內旋轉360°，拍攝300張圖像，每個投影圖像的曝光時間是10s。利用Octopus軟件中實現的反投影算法對數據進行重建，并使用VGStudioMax軟件進行可視化和3D渲染。

出水于意大利錫拉庫薩(Siracusa)的4個類似的鉛錠，每個都長約40cm，重約33kg(根據羅馬法律，奴隸所能承受的最大重量)，頂部有矩形模具標記。鑄錠的特點通常是模具標記位于3個規(guī)則的鋸齒矩形區(qū)域，其中可以找到字符和圖像。實驗中，特別研發(fā)的支架允許鉛錠圍繞做垂直軸旋轉。鉛錠的表面嚴重受損，可能是由于鹽、藻類以及含碳物質的沉積，也可能是由于船上發(fā)生過火災造成的。

NT技術被應用于從水下沉船中搶救出來的嚴重受損鉛錠，并判斷了文物的來源和交易時間。NT檢測發(fā)現其中腐蝕嚴重的鉛錠腐蝕層下的圖像和銘文，圖像代表海豚，銘文為MPLANILF，代表的是鉛錠生產商或是礦主，歷史可追溯到公元前1世紀。出水于另一海域(Capo Rasocolmo Messina)的鉛錠，長35cm，重30kg，截面形狀與錫拉庫薩鉛錠不同，歷史可追溯至公元前3世紀，銘文等提供了研究古代貿易路線的線索。

研究結果證明，中子可以穿透相對較厚的Pb和Cu合金層，NT圖像可以檢測到陶瓷殘留物、焊接連接和腐蝕效應，NT技術適用于考古研究領域。重要的是，這種實驗技術不僅可以用于大體積樣品的檢測，而且可以實現對多元素的無損檢測。

需要說明的是，中子束照射后，由于放射性核素的衰變，會產生二次輻射，文物受輻照部分就具有了放射性。但是經過一段時間的衰變后，文物樣品就會恢復非放射性。經專家對樣品的實際輻射測量證實，Cu和Pb必要的衰減時間約為3d。但應該注意避免應用NT技術研究半衰期過長且激活率高的材料，如Co或Ag等。

馬江麗 參考文獻《Neutron Methods for Archaeology and Cultural Heritage》，Springer International Publishing，2017：19-39