現(xiàn)代射線技術(shù)與文物保護/考古應(yīng)用研究

魏龍　陳剛

內(nèi)容摘要：每一項科學(xué)技術(shù)的進步與發(fā)展都推動了人類對自然界認識的進一步深入，同時也有力地促進了承載著歷史的文物的保護和研究?，F(xiàn)代射線技術(shù)的發(fā)展就是最為典型的范例。現(xiàn)代射線技術(shù)主要指基于X射線、γ射線、中子等基本粒子與物質(zhì)的相互作用原理，對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)進行表征的波譜學(xué)技術(shù)和成像技術(shù)。中國科學(xué)院高能物理研究所是我國高能物理與先進射線技術(shù)及射線應(yīng)用的綜合性研究基地。主要針對核分析、同步輻射以及計算機斷層成像（CT）等特點鮮明的現(xiàn)代射線技術(shù)，在對基本原理進行簡單描述的基礎(chǔ)上，就中國科學(xué)院高能物理研究所所在現(xiàn)代射線技術(shù)與文物保護及考古研究領(lǐng)域所做的一些工作進行了簡單綜述。

關(guān)鍵詞：核分析；同步輻射；計算機斷層成像；考古；文物保護

中圖分類號：K854.3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106（2018）02-0078-09

Modern Radiographic Technologies and Their Applications in Heritage Conservation and Archaeological Research

WEI Long CHEN Gang FENG Xiangqian LI Gang LIU Baodong WANG Baoyi

（Institute of High Energy Physics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049）

Abstract： The developments of science and technology have greatly enlarged our understanding of nature； some have even promoted the conservation and research of naturally based items and sites which are the carriers of history. The development of modern radiographic technology is a clear example， this being a spectroscopy and imaging technology used to create images of material microstructures that is mainly based on the interactions between matter and fundamental particles such as x-ray photons， γ-ray photons， and neutrons. The Institute of High Energy Physics at the Chinese Academy of Sciences（IHEP-CAS）is a comprehensive research base for high energy physics and modern radiographic technology in China. This paper provides introductions to some modern radiographic techniques， such as nuclear analysis， synchrotron radiation， and computed tomography （CT）， and reviews some of their applications in heritage conservation and archaeology research as carried out by IHEP-CAS.

Keywords： nuclear analysis； synchrotron radiation； computed tomography； archaeology research； heritage conservation

文物作為歷史形象的物質(zhì)載體，承載著中華文化和民族精神的傳承。現(xiàn)代文物保護研究的核心就是不斷利用最新、最先進的現(xiàn)代手段和科學(xué)方法實現(xiàn)對文物全方位、全系統(tǒng)、完整的了解和認識，從而制定合理與科學(xué)的保護措施，以最大限度地保持和保護文物的物質(zhì)與文化內(nèi)涵，延長文物的壽命。每一項科學(xué)技術(shù)的進步與發(fā)展都推動了人類對自然界認識的進一步深入，同時也有力地促進了歷史文物的保護和研究?，F(xiàn)代射線技術(shù)的發(fā)展就是最為典型的范例?，F(xiàn)代射線技術(shù)主要指基于X射線、γ射線、中子等基本粒子與物質(zhì)的相互作用原理，對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)進行表征的波譜學(xué)技術(shù)和成像技術(shù)。射線技術(shù)以其無損、定量、實時的特點，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在文物保護與科學(xué)考古領(lǐng)域逐漸形成了比較完整和科學(xué)的保護研究體系，不僅為文物的保護和研究提供了重要方法和技術(shù)，而且使得文物研究從表觀主觀觀察，發(fā)展成為從外部形貌分析到內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)研究、具有定性和定量特征的全方位科學(xué)研究。

中國科學(xué)院高能物理研究所是我國高能物理與先進射線技術(shù)及射線應(yīng)用的綜合性研究基地，是我國最早開展射線探測技術(shù)和射線應(yīng)用研究的單位。早在1984年，孫景信等人與中國社科院考古所的李虎侯合作，采用中子活化分析技術(shù)開展龍泉窯古瓷的微量元素分析，開啟了國內(nèi)用中子活化方法研究古陶瓷的先河[1]。1998年，在冼鼎昌院士和柴之芳院士的倡議下，高能物理研究所進一步組建了核技術(shù)考古課題組，運用多種先進的核分析技術(shù)和同步輻射技術(shù)，系統(tǒng)地開展了中國古陶瓷的原料來源、燒制工藝、產(chǎn)地溯源、斷代和真?zhèn)舞b別研究，目前已經(jīng)收集了我國歷代典型名窯發(fā)掘出土的萬余件古陶瓷標本，建立了比較系統(tǒng)的用于科學(xué)分析的古陶瓷標本庫。

本文主要針對核分析、同步輻射以及計算機斷層成像（CT）等特點鮮明的現(xiàn)代射線技術(shù)，在對基本原理進行簡單描述的基礎(chǔ)上，就中科院高能所在現(xiàn)代射線技術(shù)與文物保護、考古研究領(lǐng)域所做的一些工作進行簡單的綜述。

1 核分析技術(shù)與古陶瓷鑒別

核分析技術(shù)是最成功和最廣泛地應(yīng)用到古陶瓷成分分析研究的方法之一，其中最具代表性的中子活化分析技術(shù)（NAA）具有分析靈敏度高、準確度高、精確度好、需樣量少等優(yōu)點，非常適合于考古樣品的成分分析和產(chǎn)地溯源研究。X射線熒光分析技術(shù)（XRF）是一種重要的元素成分分析方法，具有不破壞樣品、可同時進行多元素分析等特點，特別適合于古陶瓷的無損分析研究，尤其適合極其珍貴的古陶瓷完整器物的分析鑒定[2]。

1.1 古陶瓷產(chǎn)地溯源[3]

1995年在西安附近的唐秋官尚書李晦墓中出土了一批精美的唐三彩制品，其中的唐三彩俑使這個墓葬成為迄今為止有唐三彩俑的年代最早的紀年唐墓，對唐三彩俑起源的研究具有十分重要的參考價值。但是與多數(shù)墓葬出土的唐三彩一樣，這批唐三彩器物燒制地點的認定仍沒有定論。為了研究李晦墓唐三彩的燒制地點和窯址，采用X射線熒光分析技術(shù)對李晦墓出土的唐三彩進行了微量元素分析，將分析結(jié)果與西安西郊機場窯址、銅川黃堡窯址、河南黃冶窯址的微量元素數(shù)據(jù)進行因子分析（圖1）。因子分析結(jié)果表明，李晦墓唐三彩胎與銅川黃堡窯唐三彩胎的成分存在明顯差異，與河南黃冶窯出土的唐三彩胎的成分接近。據(jù)此可以斷定，李晦墓中的唐三彩是河南黃冶窯燒制的。

1.2 古陶瓷的年代區(qū)分[4]

江西洪州窯是唐代六大青瓷名窯之一，它以豐富的器型、多樣的裝飾技法、生動的紋飾和創(chuàng)新的工藝技術(shù)在中國陶瓷史上占有重要的地位。對歷代洪州窯古瓷的化學(xué)成分進行研究，有助于人們了解洪州窯的選料和制作工藝及其興衰發(fā)展史。采用中子活化分析方法對歷代洪州窯古瓷胎的元素組成進行分析，并對其進行了分組（圖2）。

從圖2中可以看出，洪州窯的瓷器大體上可以分為5組，分述如下：

第1組是東漢晚期和東吳時期的樣品。這時期是洪州窯青瓷的初創(chuàng)時期，無論是器物的外觀還是胎的化學(xué)組成都與其他各期相去甚遠。

第2組是兩晉和南朝的樣品。這三期樣品的胎色接近，大多為灰白色，化學(xué)組成也較接近。

第3組是初唐和盛唐的樣品。洪州窯瓷器的胎釉顏色從唐代開始由淺變深，發(fā)生了極大的改變，與之相對應(yīng)的是其化學(xué)成分也有較大的變化。

第4組是隋代的樣品。隋代上承兩晉南北朝，下啟唐代，瓷器燒造處于過渡時期，在PCA圖上居于第2組和第3組之間，且極為分散。

第5組是晚唐五代時的樣品。晚唐五代是洪州窯的衰落期，由于種種原因，其制瓷工藝急劇下滑，所燒制的瓷器比較粗糙。

1.3 古陶瓷真?zhèn)舞b別

當一百多年前，唐三彩穿越千年時光，向世人再現(xiàn)它的風(fēng)采之時，立即吸引了收藏家們的注意，成為收藏界和拍賣市場的寵兒。但是，隨著制陶技藝的破譯，現(xiàn)代唐三彩工藝品大量涌入市場，很多現(xiàn)代唐三彩經(jīng)過做舊之后以高價賣給收藏者，給一些收藏者造成巨大的經(jīng)濟損失。

在北京和西安的古玩市場購買若干唐三彩仿品，利用XRF對其胎進行了分析，并與古代真品進行了對比。從元素分布散點圖（圖3、4）中可以看出，仿品與真品之間具有明顯的界限。

1.4 古陶瓷原料和工藝研究[5]

在中國陶瓷史上，龍泉窯是生產(chǎn)青瓷的著名窯系，南宋時期龍泉青瓷的制作工藝已達到鼎盛，所以以往人們研究的熱點多集中于宋元時期的龍泉青瓷上。雖然古代文獻有記載龍泉窯是明代初期燒造宮廷用瓷的窯場之一，但由于之前沒有發(fā)掘出龍泉官窯或為宮廷燒造的龍泉官瓷，所以對龍泉官瓷的研究甚少。龍泉楓洞巖窯址發(fā)掘出土的刻龍紋和“官”字款的明代洪武和永樂時期的官瓷為系統(tǒng)研究龍泉官瓷提供了豐富的實物依據(jù)。采用XRF系統(tǒng)分析了明代洪武和永樂時期官瓷胎釉配方的年代特征，同時也對比分析了明代早期龍泉民用瓷的胎釉特點。龍泉明代官瓷胎和釉的化學(xué)成分含量數(shù)據(jù)都具有一定的離散性。在官瓷胎中，洪武時期胎料中的K2O、TiO2和Fe2O3含量平均值高于明代永樂時期，而CaO含量的變化規(guī)律則相反，如圖5所示。從Fe的數(shù)據(jù)可以看出，洪武和永樂時期制作所用胎泥原料中都加入了少量的紫金土，這樣不僅可以增加瓷胎的強度，也可以增加胎的灰度。從圖6可以看出，洪武的胎料與永樂的存在差別，而永樂官瓷胎料與明早期民用瓷胎料接近。在官瓷釉中，洪武時期釉料中的各元素含量平均值與永樂時期的相比并無明顯差異，并且官瓷釉中的化學(xué)組成與民用瓷的相同?？梢?，明洪武和永樂時期燒制的官瓷使用了明代早期民用瓷的釉原料和燒制技術(shù)，官瓷釉料的配制和加工方法沒有出現(xiàn)技術(shù)變更，保持了延續(xù)性。

2 同步輻射技術(shù)應(yīng)用

同步輻射提供的硬X射線具有亮度高、平行度高、相干性高、能譜寬等獨特優(yōu)點?；谕捷椛涞膶嶒炇侄伟ㄑ苌洹⒆V學(xué)和成像等三大類。在古生物學(xué)、人類遺存和文物研究方面使用較多的方法是同步輻射硬X射線（SRX）相位襯度成像，SRX熒光成像和微區(qū)SRX吸收譜與成像等。

2.1 SRX相襯成像

SRX相襯成像包括同軸相襯成像[6-10]、干涉成像[11]、衍射增強成像[12]等多種方法。其中SRX同軸相襯成像實驗幾何簡便、可實現(xiàn)的空間分辨率高、適用的X射線能量范圍廣，是同步輻射光源上使用最廣泛的SRX相襯成像方法。SRX同軸相襯成像具有密度靈敏度高、穿透能力強、多尺度空間分辨率等優(yōu)點。SRX相襯成像密度靈敏度遠遠高于傳統(tǒng)硬X射線吸收襯度成像，其根本原因是，在硬X射線能區(qū)絕大部分元素的光學(xué)常數(shù)相位項比吸收項大幾十到上千倍。因此，絕大部分樣品的SRX相襯成像的對比度遠遠好于傳統(tǒng)的硬X射線吸收襯度成像，但相位襯度成像需要高品質(zhì)的硬X射線光源。兼?zhèn)鋸姶┩改芰透呙芏褥`敏度這兩大優(yōu)點使得SRX同軸相襯成像在古生物化石、人類遺存和文物研究等相關(guān)領(lǐng)域的無損成像研究中具有獨特優(yōu)勢，可以很好地應(yīng)用于化石和人類遺存樣品的高靈敏度、多尺度分辨、高精度3D無損成像。下面舉一個SRX相襯成像應(yīng)用于古生物化石研究的例子。

2015年中國地質(zhì)大學(xué)的古生物學(xué)家在兩塊來自緬甸克欽邦胡康河谷的琥珀中發(fā)現(xiàn)兩塊疑似鳥類的化石。兩塊琥珀的歷史約9900萬年，屬于白堊紀中期的諾曼森階。由于這兩塊化石都埋藏在琥珀內(nèi)部且覆蓋著厚實的毛，可見光成像無法直接看到化石中的骨骼部分。普通X光機微CT的成像基于吸收襯度、密度靈敏度低，所獲圖像的襯度不夠高，能分辨出來的細節(jié)太少。由于SRX 同軸相襯CT在保持硬X射線高穿透性的同時，密度靈敏度大大提高，因此被研究團隊寄予厚望。

2015年夏天聯(lián)合研究團隊在北京同步輻射裝置（BSRF）、2015年秋天在上海同步輻射裝置（SSRF）的SRX同軸相襯CT裝置上無損地獲取了該化石多尺度分辨的高質(zhì)量投影圖像。此后，經(jīng)過對投影圖像的斷層重建、數(shù)據(jù)的自動和手動分割、分段拼接和3D重構(gòu)，得到了被毛和琥珀包圍著的化石骨骼部分的高清3D圖像（圖7），揭示出化石內(nèi)部的3D形態(tài)特征。

基于SRX同軸相襯CT重建的骨骼三維形態(tài)圖（圖8），研究團隊首先確認其中一塊標本的確是鳥類，屬于典型的早熟性反鳥類幼鳥。該工作成果2016年6月28日發(fā)表在Nature出版集團的著名刊物《自然通訊》（NATURE COMMUNICATIONS）上。

研究團隊在系統(tǒng)分析另外一塊標本骨骼部分SRX 同軸相襯CT三維圖像時（圖9），發(fā)現(xiàn)該化石明顯區(qū)別于典型的古鳥類，骨骼形態(tài)（如腹側(cè)明顯的溝槽結(jié)構(gòu)）與典型的非鳥虛骨龍類恐龍類似，是非鳥虛骨龍類恐龍（coelurosaurs）的一段尾骨，包括至少9段尾椎。這是人類有史以來發(fā)現(xiàn)的第一塊埋藏在琥珀中的恐龍標本。研究團隊還利用BSRF的X射線熒光成像方法獲得了尾椎化石出露斷面的微量元素分布圖（圖10），其中鐵、錳、鈦、鍺等元素的分布與化石的形態(tài)高度吻合，蘊含著豐富的埋藏學(xué)信息。利用BSRF對鐵元素所做的近邊吸收譜分析表明，其中80%以上的鐵原子為二價，這應(yīng)該是血紅蛋白和鐵蛋白的遺跡。

這項重要發(fā)現(xiàn)于2016年12月8日發(fā)表在生物學(xué)著名刊物《當代生物學(xué)》（Current Biology）上[13]。該雜志屬于《細胞》出版集團，五年影響因子平均為9.7。該發(fā)現(xiàn)一經(jīng)發(fā)表，很快就在世界范圍內(nèi)引起了科學(xué)界、媒體和公眾的廣泛關(guān)注。到2017年4月，該文章的Altmetric指數(shù)達到4034，在近五年全球已發(fā)表的710多萬篇研究論文中排第28位，在2016年全球發(fā)表的270多萬篇科技文章中排第6位，在2016全球最受公眾關(guān)注的科學(xué)成果地球科學(xué)領(lǐng)域排第1名，在美國國家地理學(xué)會評選的2016年全球6項重大科學(xué)大發(fā)現(xiàn)中排第2位。

Altmetric是被國外很多出版和信息機構(gòu)用于對科學(xué)論文學(xué)術(shù)影響力進行實時監(jiān)測和評價的指標。采用該指標的機構(gòu)包括《自然》《科學(xué)》《柳葉刀》《細胞》等著名期刊和PLOS出版平臺、SCOPUS數(shù)據(jù)庫、PMC OA期刊出版平臺、BioMed CentralOA期刊出版平臺等。

2.2 SRX熒光成像

基于同步輻射的X射線熒光譜（XRF）用固定能量的同步輻射X射線激發(fā)原子芯電子，測量退激發(fā)到芯空穴后發(fā)射的X射線熒光譜。SRX熒光具有截面大、非破壞性、本底小和選擇性激發(fā)等優(yōu)點。依探測方式的不同，X射線熒光譜可分為能量色散譜方法和波長色散譜方法。前者譜能量分辨較低，適用于痕量元素組分定性/定量分析、元素2D成像等；后者譜能量分辨高，應(yīng)用于痕量元素組分定性/定量分析、自旋/價態(tài)和電荷轉(zhuǎn)移等研究。

近年來，隨著同步輻射光源亮度的提高以及探測器性能的提高，同步輻射XRF的測量速度大幅度提升，每個譜達到ms量級，使得2D元素成像的像素數(shù)目可以越來越高，對較大樣品完成元素成像的速度也越來越快。XRF的元素2D成像在繪畫研究中展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。下面舉一個例子：

自1922年起人們就注意到，1876—1980年間印象派畫家埃德加·德加筆下一幅黑衣黑帽的女性肖像畫下層的畫面在表層肖像的臉上形成了一塊斑。如何不損傷畫作就看清被埋在下面的秘密一直困擾著科學(xué)界。據(jù)最近《科學(xué)報告》雜志的論文“A hidden portrait by Edgar Degas”報道，澳大利亞維多利亞美術(shù)館和澳大利亞同步加速器實驗室合作，利用快速XRF的元素成像無損高分辨地揭示出德加那幅畫作下面隱藏的另外一幅肖像畫[14]。他們把這幅畫作虛擬地分成3160萬個規(guī)則排列的相鄰小區(qū)域，然后快速地獲取每個區(qū)域的XRF譜，得到每個小區(qū)域內(nèi)的元素豐度，并得到不同元素的圖像；再根據(jù)各種元素的豐度推斷畫家當時使用的顏料，比如汞和鐵多對應(yīng)朱紅、赭石這樣的紅色系顏料成分，鈷對應(yīng)藍色，鉛和鋅可能是鉛白和鋅白等；再綜合其他方法的信息，并結(jié)合畫家用色習(xí)慣的已有數(shù)據(jù)，恢復(fù)出一張較為接近原貌的彩色復(fù)原圖，而且認出畫中人物是德加最喜歡的模特Emma Dobigny。

2.3 SRX吸收譜成像

讓入射X射線在待測元素吸收邊附近作能量掃描，測量與光電吸收相關(guān)的X射線信號，可以獲得X射線吸收譜（XAFS，包括XANES譜和EXAFS譜）。XAFS譜對局域結(jié)構(gòu)敏感，可給出吸收原子及配位原子的種類、間距、配位數(shù)、鍵角和無序度因子以及局域電子結(jié)構(gòu)等信息。XAFS方法有原子選擇性，能夠以亞原子分辨率提供目標原子周圍的局域結(jié)構(gòu)和化學(xué)狀態(tài)信息。樣品的狀態(tài)可以是固體和溶液，也可以是氣體；可以是晶體，也可以是非晶體等。

基于同步輻射光源的高亮度、好的準直性以及光源能量連續(xù)可調(diào)性等特點，共聚焦XAFS方法在國內(nèi)外的同步輻射裝置上被廣泛采用。高能物理研究所的張靜等人在BSRF的1W1X射線吸收譜站利用毛細管透鏡搭建了一套共聚焦XAFS實驗裝置。利用該系統(tǒng)，他們研究了祭紅的呈色機制[15-16]。

祭紅亦稱霽紅，是一種高溫銅紅釉，明初創(chuàng)燒于景德鎮(zhèn)御窯廠，因常用于祭祀，故名祭紅。祭紅釉色深沉安定，很符合明朝的審美意識。一經(jīng)問世便得到皇宮貴族、文人雅士的喜愛與重視。以往的研究發(fā)現(xiàn)祭紅的呈色元素為銅，呈色效果與釉層的結(jié)構(gòu)和厚度相關(guān)。對于呈色機制而言，呈色元素的價態(tài)、含量和近鄰結(jié)構(gòu)等應(yīng)更為重要，因此XAFS可以大顯身手。

相關(guān)研究團隊采用多種無損方法分析若干明宣德景德鎮(zhèn)官窯祭紅瓷器殘片。顯微觀察表明，不同呈色區(qū)域表層都有相似的透明釉，其呈色差異主要取決于紅色顏料層。成分分析顯示，不同呈色樣品的釉中著色劑Cu的含量基本相同。然而X射線吸收精細結(jié)構(gòu)EXAFS分析發(fā)現(xiàn)，不同呈色樣品中著色劑Cu的價態(tài)和近邊結(jié)構(gòu)有所不同。

釉色偏黑的樣品中Cu的價態(tài)基本為+1價，而釉色偏紅的樣品中Cu的價態(tài)同時存在+1和0兩種價態(tài)?？傮w說來，呈色好的樣品單質(zhì)金屬銅特征峰明顯，其紅色鮮艷、均勻；而呈色差的樣品，單質(zhì)金屬銅特征峰不明顯，但一價銅的特征峰明顯，其色調(diào)灰暗。因此，呈色劑Cu的氧化狀態(tài)是祭紅瓷器呈色的決定性因素。本研究對其他類似相關(guān)研究提供了很好的借鑒。

3 CT技術(shù)與應(yīng)用

CT技術(shù)利用物質(zhì)對X射線衰減的差異，使用對物體進行不同角度掃描得到的投影數(shù)據(jù)，重建樣品內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像，不受物體材料種類、形狀、結(jié)構(gòu)等因素的影響，成像更加直觀、分辨率較高。在非破壞條件下，可以三維立體圖像清晰、準確、直觀地展示被檢測物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成、材質(zhì)及缺損狀況，被譽為當今最佳的無損檢測技術(shù)之一。

X射線CT已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于文物保護及考古領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域，研究對象的材質(zhì)、形狀和尺寸是多樣的。例如文物的材質(zhì)包含青銅器、鐵器、陶瓷器、玉器、竹木漆器等；不同文物的形狀變化也比較大，有很薄的字畫、很小的珠子，也有大型的青銅器等；化石材質(zhì)相對比較簡單，但是其尺寸變化較大，有毫米級的昆蟲化石，也有大型的恐龍骨化石，而且大部分的古生物化石受巖石的擠壓呈現(xiàn)板狀。因此，在文物保護及考古領(lǐng)域，需要各種專用的CT設(shè)備。

近年來，中國科學(xué)院高能物理研究所在科技部及中國科學(xué)院相關(guān)課題的支持下，研制了十余套CT設(shè)備系統(tǒng)，包括基于加速器的高能工業(yè)CT系統(tǒng)、通用型工業(yè)CT系統(tǒng)、高分辨率三維顯微CT系統(tǒng)及版狀物檢測顯微CL（Computed Laminography）系統(tǒng)。

3.1 陳璋圓壺CT成像

陳璋圓壺（又名重金絡(luò)壺）現(xiàn)藏于南京博物院，為1982年2月10日出土于盱眙南窯莊窖藏的三件國家級文物之一，是唯一一件集先秦金屬工藝之大成于一身，能反映重大歷史事件，能體現(xiàn)泥范鑄造工藝最高水平的現(xiàn)存青銅器，堪稱國之瑰寶。陳璋圓壺殘高為24cm，口徑12.8cm，腹徑22.2cm，足徑13.8cm。長期受到20kg黃金的壓力，長埋地下兩千年，在雙金屬與應(yīng)力腐蝕的作用下，腹下部鏤空紋飾已有殘損。2011年5月由南京博物院、中國科技史學(xué)會傳統(tǒng)工藝研究分會攜國內(nèi)外青銅器研究專家和工藝制造專家對陳璋圓壺的修復(fù)和復(fù)原研究保護工作項目正式啟動。

為了研究陳璋圓壺的內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的加工工藝，為文物的復(fù)原提供依據(jù)，2011年在中國科學(xué)院高能物理研究所，使用6 MeV加速器射線源CT系統(tǒng)，對陳璋圓壺進行無損檢測。通過后期對CT圖像進行的分析發(fā)現(xiàn)[17]：壺頸部有一道規(guī)則的圓凸線，并且在突出臺階的周邊有溢出的銅液。這個特征告訴我們，壺頸和壺體是分開鑄造的。銅箍有兩圈，內(nèi)箍是一個完整的圓形，壺體的盤龍網(wǎng)絡(luò)與內(nèi)箍連接，立獸和鋪首都是直接鑲接在內(nèi)箍上，同時，外箍分為四段，由立獸連接外箍兩端，而在兩立獸中間鑲接一鋪首裝飾。

3.2 古生物化石CT成像

對于研究化石內(nèi)部結(jié)構(gòu)并建立三維模型的方法，早期使用磨片法，通過一層一層磨掉化石拍照獲得化石內(nèi)部結(jié)構(gòu)，非常耗時，而且磨完后化石不復(fù)存在。CT掃描技術(shù)是一種無損檢測手段，可以對包埋在巖石中的古生物化石，或經(jīng)技術(shù)處理后裸露的古生物化石進行內(nèi)部器官和組織結(jié)構(gòu)的觀察，對化石本身沒有任何損傷。

2011年，中國科學(xué)院高能物理研究所與中國科學(xué)院自動化研究所為中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所（下文簡稱古脊椎所）研發(fā)了兩臺化石檢測專用CT，已納入首都科技條件平臺。2014年，“化石X射線成像裝置研制及應(yīng)用”獲得北京市科學(xué)技術(shù)進步三等獎。2014年，中國科學(xué)院高能物理研究所在國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項項目“X射線三維顯微成像檢測系統(tǒng)研制與應(yīng)用開發(fā)”任務(wù)6“面向電力電子器件和生物化石應(yīng)用儀器樣機研發(fā)”的支持下，研制了面向電力電子器件和生物化石應(yīng)用的顯微CL，突破了板狀物微米分辨三維掃描技術(shù)。其中一臺專用于板狀生物化石檢測的顯微CL安裝在古脊椎所實驗室。迄今為止，古脊椎所的三臺X射線三維成像設(shè)備已經(jīng)檢測各類化石2000多例。使用CT作為檢測手段，在《自然》《自然通訊》《科學(xué)》《科學(xué)報告》《美國科學(xué)院院刊》等重要刊物上發(fā)表論文三十余篇。下面我們選取幾個典型的成果予以簡單介紹。

2012年，古脊椎所研究團隊用CT技術(shù)復(fù)原了東生魚的顱腔以及相關(guān)的神經(jīng)、血管等結(jié)構(gòu)，結(jié)果不但填補了基干四足動物早期化石記錄的空白，還將四足動物支系的演化歷史前推了1千萬年[18]。

2013年9月25日，英國《自然》雜志以頭條文章在線報道了古脊椎所朱敏研究員領(lǐng)導(dǎo)的國際古生物學(xué)家團隊在早期脊椎動物演化方面取得的最新進展[19]。朱敏等人在中國云南省古老的志留紀地層中發(fā)現(xiàn)了一條保存完好的古魚，并將其命名為初始全頜魚（Entelognathusprimordialis）。這條魚雖然在其他方面都保持著盾皮魚綱（最原始的有頜脊椎動物）的身體形態(tài)，但卻已經(jīng)演化出硬骨魚綱（亦稱硬骨脊椎動物，包括陸生脊椎動物和仍生活在水中的硬骨魚類）的典型頜部結(jié)構(gòu)和面部特征，是古生物學(xué)家夢寐以求的，介于這兩大類群之間的“缺失環(huán)節(jié)”，它在古生物學(xué)上的重要意義，類似于始祖鳥、游走鯨和南方古猿等耳熟能詳?shù)摹斑^渡化石”。成果一經(jīng)發(fā)表，迅速引起國際學(xué)術(shù)界與各大主流媒體的高度關(guān)注。

早始新世的湖北江漢魚在發(fā)現(xiàn)之初被歸入鯉科紋唇魚屬，在稍后的重新研究中由同一作者立為新屬——江漢魚屬，但是科級分類未定。時隔二十余載，盡管湖北江漢魚化石時有發(fā)現(xiàn)，但是其系統(tǒng)歸屬一直懸而未決。古脊椎所研究人員運用顯微CL系統(tǒng)掃描湖北江漢魚，讓深藏不露的骨骼結(jié)構(gòu)昭然若揭，為一些關(guān)鍵骨骼特征研究提供了有力支持。研究人員對選模（lectotype）標本和重新采自原地點湖北松滋的67枚地模（topotype）標本進行詳細研究，揭示江漢魚代表鯉形目已滅絕的基干類群，應(yīng)立為江漢魚科，成為鯉形目研究多年來所發(fā)現(xiàn)的第一個化石新科[20]。該研究成果于2015年10月12日在線發(fā)表于《北美古脊椎動物學(xué)報》。

2016年10月21日，古脊椎所朱敏所率領(lǐng)的研究團隊在《科學(xué)》雜志上報道了有關(guān)動物頜骨起源的重要發(fā)現(xiàn)[21]。研究團隊通過對新發(fā)現(xiàn)的盾皮魚類長吻麒麟魚的研究，使人類的頜骨起源一直追溯到最原始的有頜脊椎動物類群中，為繪制頜骨的演化全景補上了重要的一塊拼圖。在《科學(xué)》同期配發(fā)的評述中，北美古脊椎動物學(xué)會主席約翰·朗認為該發(fā)現(xiàn)“掃除了我們在脊椎動物頜演化認識上一個大的盲區(qū)”。

2017年11月13日，中國科學(xué)院古脊椎所研究人員與中美數(shù)家研究機構(gòu)在英國《自然》雜志上發(fā)表了關(guān)于晚侏羅世燕遼生物群樹賊獸一個新種——阿霍氏樹賊獸的研究成果[22]，報道了迄今為止賊獸類中最好的滑翔皮翼形態(tài)和毛發(fā)印痕的細節(jié)，對其保存的中生代哺乳動物中時代最早、最為完整的中耳區(qū)結(jié)構(gòu)進行了詳細的對比研究，這一成果對于認識中生代哺乳動物多樣性和哺乳動物中耳演化具有重要意義。研究中使用CL對阿霍氏樹賊獸化石的頭部進行了高精度的成像，給研究提供了直觀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像依據(jù)。

目前，X射線三維檢測技術(shù)已成為古生物化石研究領(lǐng)域的必備工具。其無損、快速精確等優(yōu)點被廣大古生物化石研究專家所推崇。

3.3 多模態(tài)文物成像

2016年開始，中國科學(xué)院高能物理研究所、荷蘭數(shù)學(xué)和信息中心聯(lián)合故宮博物院、上海自然博物館、阿姆斯特丹國立博物館、荷蘭萊頓自然生物多樣性中心開展了中荷聯(lián)合科學(xué)主題研究（JSTP）項目——“透明博物館”。該項目旨在為科研人員和參觀者提供博物館藏品的可交互虛擬現(xiàn)實三維可視化方案。目前CT技術(shù)和光學(xué)成像技術(shù)都比較成熟。CT可以在無損的情況下得到樣品的內(nèi)部信息，光學(xué)成像可以得到樣品表面的準確圖像。但是這種兩種成像技術(shù)的研究都是孤立的。將這兩種成像方式融合，能得到關(guān)于物體的更完備和逼真的信息。同樣，將三維打印、虛擬現(xiàn)實、三維顯示、遠程數(shù)據(jù)共享結(jié)合起來可以極大地拓展我們的觀測體驗。

4 小 結(jié)

基于大型電子加速器的同步輻射技術(shù)是現(xiàn)代射線技術(shù)的主流和主要方法，為深入開展物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)研究提供了早期小型射線儀器根本無法實現(xiàn)的射線強度和射線品質(zhì)。中國科學(xué)院高能物理研究所基于北京正負電子對撞機國家實驗室的同步輻射裝置以及國家十三五規(guī)劃建設(shè)的北京高能同步輻射光源，成為中國乃至全世界最先進的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究大型研究機構(gòu)和研究基地，為我國的科學(xué)技術(shù)發(fā)展、國防科技以及各類國家需求和社會需求做出貢獻。中華五千年的歷史文明，擁有任何國家都無可比擬的文物資源，隨著我國科學(xué)技術(shù)的突破性進步和發(fā)展，現(xiàn)代射線技術(shù)作為現(xiàn)代科技標志性的開展物質(zhì)世界微結(jié)構(gòu)研究的重要手段和方法，必將促進文物保護研究到達一個全新的高度。

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