射线探伤无损检测方法在文物考古现场应用最新进展

射线探伤无损检测方法在文物考古现场应用最新进展内容摘要：便携式X射线探伤及数字扫描系统能够在文物考古现场对考古遗迹，不同材质的文物的内部结构、腐蚀及保存状况，加固修复效果及考古学文化进行快速分析、鉴别和研究。本文阐述了文物考古现场X射线探伤在针对不同材质文物及考古遗迹进行检测时的原理、方法、条件及实践应用。关键词：X射线探伤；数字扫描系统；石膏包；青铜器；脆弱质文物中图分类号：K854.3文献标识码：A文章编号：1000-4106（2013）01-0035-09一引言射线检测技术可以穿透物体表层，“观察”到物体内部结构，自1895年伦琴发现X射线以来，这种对物体内部结构及缺陷的可视化技术就被广泛应用于文物保护工作领域。文物领域最早的射线检测可追溯到20世纪20-30年代，当时主要用于纸质文物艺术品的检测。随着X射线管发射功率的提高，X射线探伤技术可应用于不同材质文物的研究。盖顿斯（R.J.Gettens）从50年代开始对弗里尔美术馆（FreerGallery）馆藏的120件中国铜器逐一进行X射线透视、化学分析、金相检验，他的工作将射线检测同其他理化检测手段有机地结合起来，至今仍有重要意义1。射线的研究范围包括：X射线探伤，中子射线照相，X射线计算机体层成像（CT扫描）。综合应用这些射线检测技术成了文物无损检测的一个重要方向。从2009年开始，敦煌研究院和中国文化遗产研究院在国家科技部支撑项目中华文明探源工程子课题“文物移动实验室在考古发掘现场应用支撑技术研究”的支持下，在多个文物考古现场，针对不同材质文物进行X射线探伤分析，涉及青铜器、铁器等金属器物，陶瓷器，玉器，竹木漆器，车马器石膏包及棺椁原位检测。通过文物考古现场X射线检测分析试验，对各种材质文物的检测方法和检测条件进行了梳理，并对各种材质文物可能获取的信息进行了探讨，为以后文物考古现场X射线探测提供了方法与示范。二射线装备与原理1.X射线探伤原理射线穿过被照射物体后，将有所损耗。不同厚度、不同密度的物质，射线的穿透率也有不同。将射线探伤仪和底片放在被照射物体的两侧，物体不同部位的厚度、密度和缺陷不同，导致射线穿透后的强度不同，这样，其与底片反应产生的灰度亦随之不同。评片人员根据灰度影像，可判读物体内部的结构状况，进而判断文物的形态，推测文物的材质、相互依存关系，揭示被检测文物内部的缺陷以及其他有价值的信息。对胶片感应产生的灰色影像分析构成了射线研究分析的全部内容。文物被射线穿透，呈现不同的灰度影像，与文物的材质、密度及厚度有关，也同射线的能量、胶片的质量有关，要控制这些变量，达到最优化的效果，需要不断测试，提炼出合适的工艺图。X射线探伤获取的是研究对象的正投影影像，需要一定的X光判读经验或者多角度拍摄方可得到准确的信息。2.数字扫描系统平面的扫描器使我们可以扫描任何尺寸的图像板。在图像数字信号读取和擦除过程中无图像板的弯曲和损坏，扫描和擦除可一次完成，这个系统（表1）最终可完全取代传统胶片功能，使我们在所有能量范围内得到类似胶片质量的X图像，而且相片的清晰度有了很大提高。同时经过扫描的电子胶片即可投入下一次测试，为拍摄距离、拍摄电压、拍摄时间提供快速方便的依据，大大提高了拍摄效率。方便快捷，降低了废片率，节约了成本。对于大型器物，可多次拍摄后进行图像拼接，获得完整的影像。在文物的X射线成像中，成像质量受多方面因素的影响，主要包括文物的材质及厚度、不均匀处或者包含物的形状与方向、X射线的强度和曝光双臂间、X射线的焦点尺寸、被透照物至焦点及底片间的距离、增感屏种类、胶片类型与胶片显影条件等。为了方便地体现影像质量的好坏，表征各因素的影响，在X射线成像工作中常使用对比度、清晰度、颗粒度等指标来评价拍摄效果。三X射线无损分析系统在文物保护领域中的应用X射线在文物保护中的应用较为成熟，然而在文物考古现场的保护应用上还处于初级阶段，经过探索，目前在以下几个方面可以进行探测：3.1石膏包分析（图版23）图1（a）中可见当卢所在位置和保存状态，为实验室二次清理提供依据。图1（b）中灰线所圈区域为马牙，其他具有明显形态的为车马器金属配件。石膏包体和X探伤测试条件的关系：1.由于车马器坑内有大量木炭堆积，在进行石膏包处理时，包裹内主要为木炭及车马器遗迹。木炭较为松散，密度较低，射线极易穿透。在该仪器的最低管电压下很难显现。2.车马器表面的漆皮由于材质密度较低，厚度很薄，故很难在该仪器的最低电压上显现。3.由于车马器配件多为金属材质，同时大部分厚度仅在1-5cm以内，在60-80kV电压下可以显现并区别于其他材质遗迹。4.同时马骨由于长年环境腐蚀，密度较低，在60kv下便可显现其形态。5.对于车马器的探测，可以结合软X射线，在更低电压下对木质、骨质等密度较低的材质文物遗迹进行探测，综合可得出遗迹的具体分布情况，进而指导实验室二次清理。3.2青铜器分析3.2.1带铭文青铜器探查图2（b）可见被锈蚀覆盖的青铜铭文，为考古学文化研究提供依据。3.2.2制作工艺探查图3（b）可见铜盒全身有垫片支点，为制作薄体青铜器的重要工艺。3.2.3青铜器包裹体探查图4封闭的青铜器的探查发现，青铜卣内还有三件青铜器，经过考古工作者辨认，体型修长的为觯（图中1），较矮的为尊（图中2），一个呈跪坐姿式的妇人头顶的为盘（图中3）。3.2.4青铜器腐蚀状态探查图5（b）可见青铜戈内部不均匀的腐蚀状态。3.2.5青铜器修复痕迹检测在记录材料遗失或不完整的情况下，图6可见青铜鼎采用不同修复材料进行过修补和做旧。青铜器与X探伤测试条件的关系：1.青铜器主要由铜、锡、铅等金属铸造而成。X射线对这三种元素的穿透能力较弱。故而采用X射线拍摄时，往往需要较高的管电压。2.对于厚度大约在1cm以下的文物，拍摄距离在60cm左右，可选择60-120kV管电压。3.对于青铜器厚度1-2cm时，拍摄距离在60cm左右，可选择120-160kV管电压。4.对于青铜器厚度大于2cm时，拍摄距离在60cm左右，可选择140kV管电压。5.对于青铜器物，若将X光片置于一侧，拍摄距离在60cm左右，则电压往往高于160kV。3.3大型陶俑分析从图7（b）可见头部有一条斜向裂隙，外部不可见。大腿处有裂隙一条贯穿左右腿；右手手腕有裂纹，左肋处有裂纹一条。牛头位置有裂隙一条。大型陶俑与X探伤测试条件的关系：1.由于陶俑质地较薄及易被X射线穿透，故尽可能使用较低的管电压和电流进行测试，对大型陶俑一般选择60-100kV的管电压，管电流为3mA。2.由于陶俑体型较大需要进行多次拍摄和拼接才能得到理想的结果，拍摄时，尽可能选择同样的拍摄条件，进行拼接时才可得到灰度相近的结果。3.4脆弱质文物软X射线分析图8可见内壁有附着物及把手。图9可清晰见到木纹及腐蚀状态。图10可见漆碟内部各位置的缺陷和薄弱处，并可对漆盘的工艺进行分析研究。脆弱质文物的X射线拍摄条件和方法探讨：在这一章节中，采用K-60软X射线（波长大于0.01nm）对不同材质的脆弱质文物进行了分析，由于脆弱质文物较金属等文物易穿透，故在拍摄时常采用能量较低的射线进行照射。由于铅增感屏对波长较长的软X射线有吸收作用，故软X射线拍摄不宜使用增感屏。对竹木简拍摄时，其管电压一般为10-25kV，电流为2mA或者2.5mA。对漆器拍摄时，能发现其轮廓和腐蚀状态，拍摄的管电压为20-60kV，电流为2mA或者2.5mA。由于陶瓷器质地较薄及易被X射线穿透，故尽可能使用较低的管电压和电流进行测试，对陶瓷器一般选择35-80kV的管电压。3.5棺椁X探伤原位检测（图版24）棺椁长230cm，右宽55cm，左宽70cm，高52cm。经考古工作人员发掘清理，并对棺椁右侧的淤泥层分析，推测墓葬棺椁可能被洪水多次冲刷，导致内棺脱离底板被淤泥抬高，且棺椁内亦有可能被淤泥填充。若淤泥致密，则射线穿透难度增加，需要较高的管电压。如图11，在拍摄电压为180kV时，拍摄发现，棺椁底部泛白，为射线未穿透现象，左上侧黑色区域为内棺盖部分影像，并有棺钉。此次墓葬棺椁原位拍摄为国内首次，其拍摄条件需要结合现场实际情况而定，假定棺椁内部无淤泥，则由于棺椁为木质，在低于100kV电压下便可以穿透，然而在达到180kV的管电压下，棺椁仍没有被穿透，可以判断棺椁内部完全被淤泥填充。由于设备管电压最高为200kV，采用设备最高管电压时仍未能将棺椁穿透。故而需要更高管电压的X射线探伤仪进行拍摄。四X射线影像拼接技术因为胶片尺寸的限制，对一个石膏包的测试往往需要多次才能完成，采用Photoshop或autoCAD等图片处理软件，则可得到石膏包内部文物的相对位置关系。再结合考古发掘时拍摄的工作照片及遗迹、遗物绘图，在完全揭露石膏包之前，了解石膏包内遗迹、遗物的附存关系及文物的保存状态，为揭露遗迹的准确性及文物出土时的抢救性保护赢得时间。根据以上判定基础，进行了X光拼图。由图12与图14可见，X射线探伤及拼接结果可对复杂的考古遗迹在整体提取装箱后，为实验室二次发掘清理提供资料。由图15可见，X射线探伤机拼接结果可对大型文物的病害状况给予支撑。此研究首次将数字扫描系统和电子胶片应用于国内文物考古领域，系统最终可完全取代传统胶片功能，使我们在所有能量范围内得到类似胶片质量的X图像，且相片的清晰度有很大提高，便于储存和传播，同时工作效率得到大大提高。便携式X射线探伤在文物考古现场可对考古遗迹及不同材质文物的内部结构、腐蚀及保存状况、加固修复效果及考古学文化进行快速分析、鉴别和研究。而采用Photoshop或者autoCAD等图片处理软件拼接大型遗迹和文物的X光影像，可以获得遗迹内部的整体结构，为遗迹或大型文物的进一步研究提供资料。五中子射线成像和CT断层扫描等射线方法在文物领域应用前景中子射线技术相对于X射线技术而言具有一些优势，X射线技术对于金、银、铅的穿透率很低，而中子射线可以达到这个要求，另外中子射线技术对含氢的材质比较敏感，如水、装水的陶器及有机材料如木头、种子、植物、食物残留物、纺织品和纸张等。然而中子射线设备笨重，辐射大，以前使用较少2。2001-2006年，欧洲COST-G8计划（pan-EuropeannetworkofcoordinatednationalresearchprojectsinthefieldofNon-destructiveanalysisandtestingofmuseumobjects）为了更好地保护博物馆的文物，采用了大量的无损分析手段来获得文物各方面的信息。该项目成员瑞士国家博物馆首次和PSI（thePaulScherrerInstitute）进行了合作，采用中子射线机（NEUTRA）和X射线对来自罗马和凯尔特人的金属文物的内部结构进行了检测。NEUTRA是瑞士PSI定制的一台可用于射线照相和层析成像的热中子射线机，由于热中子射线的直径可达40cm，可广泛用于科学研究和实验。以前的射线机需要各种胶片来达到感应成像的目的，但NEUTRA同其他射线机不同，中子射线机可以生成数字化的影像，同时曝光时间不到胶片曝光的百分之一，这对样品及实验人员的安全大有裨益。NEUTRA同时还有层析成像的功能，通过高敏感度的CCD记录和观察中子闪烁计数器发射的射线。X射线机也来自PSI，使用的管电压为40-125kV。结果发现，中子射线具有更好地穿透率和对比率，对现代有机材料更敏感，而X射线无从发现3，4。中子射线的穿透能力要较X射线强，另外比较两者可发现中子射线照片对修补部分仍能清晰表现，而X射线则不能显示。这种修补材料后来被证实是现代橡胶材料。2005年，E.Lehmanna同样使用SINQ的NEUTRA，对木材中氢含量分布及B-72材料加固后的效果做了研究。根据B-72材料的扩散性和木材加固后的均匀性，证明了20%的丙烯醛溶解的B-72与80%甲苯溶解的B-72具有最佳加固效果5。一般的X射线探伤仅获得文物的二维信息，而采用计算机断层扫描可以得到三维图像。2007年，B.C.Masschaele介绍了UGCT机构研发的一系列CT设备，这些设备具有很高分辨率和扫描精度，并可选用不同的探头来对不同需求的物品进行检测6。2009年，VicenteG.Ruiz采用X射线断层扫描技术对石质文物的加固效果进行了研究，加固前后石质文物毛细管水上升速度不同，加固后的石材由于加固材料填充了孔隙，孔隙率降低，毛细管水上升速度大大降低。通过处理前后CT对毛细管水渗透系数及有效孔隙量的测量，发现处理后石材毛细管渗透系数大幅度降低，这对石材的保护研究具有重要意义7。2010年，M.P.Morigi和F.Casali论述了都灵文物保护修复中心在博洛里亚大学物理系做的一些X射线及CT的工作，针对不同尺度的物体采用不同的射线源。通过CT技术对日本13和17世纪的两个大型木质文物进行了检测，最后获得的CT影像为保护修复工作者提供了大量的信息，这很可能是世界上第一例针对大型文物的原位CT扫描8。同时中国学者也将CT及显微CT技术应用到文物考古的研究中来。2004年，马振智，杨军昌9等人采用工业CT对陕西历史博物馆馆藏古代棘轮进行了分析。2009年，杨益民采用显微CT技术对古代石质文物钻孔技术进行了研究10。由于CT断层扫描及显微CT技术不仅可以获得文物的三维信息，而且对文物的内部结构信息的检测更加精细化，会越来越受文物考古领域专家和工作人员的重视和青睐。六结论X射线探伤技术由于其无损性，自被运用于文物研究工作以来，业已取得巨大的成功11-13。随着射线技术的进步和发展，中子射线和CT技术也逐步被应用到文物领域。X射线探伤技术以其简单易行，判断准确而被广泛应用于文物考古现场，从而为实验室的再发掘和保护提供了大量可靠的参考数据。而中子射线与CT技术相对于X射线探伤有其自身的优势，相信在不久的将来，可以将X射线成像，中子射线成像，CT断层扫描技术综合应用于文物领域。参考文献：1程德润，赵明仁，刘成，李红星.古代青铜器“粉状锈”锈蚀机理新探J.西北大学学报（自然科学版），1989（1）：35-43.2黄允兰，林碧霞，王昌燧，等.古代铁器腐蚀产物的结构特征J.文物保护与考古科学，1996（1）：24-28.3祝鸿范，周浩.青铜器文物腐蚀受损原因的研究J.电化学，1999（3）：314-318.4周浩，祝鸿范，蔡兰坤.青铜器锈蚀结构组成及形态的比较研究J.文物保护与考古科学，2005（3）：24-29.5王菊琳，许淳淳，于淼.青铜文物表面腐蚀产物的组成及深度分布研究J.中国腐蚀与防护学报，2005（3）：163-166.6张瑛，蔡兰坤，顾小兰，等.青铜文物锈体的组织结构分析J.腐蚀科学与防护技术，2005（4）：262-264.7李涛，秦颍，罗武干，等.古代青铜器锈蚀产物的拉曼和红外光谱分析J.有色金属，2008（2）：146-152.8卢燕玲.铁仔山古墓群出土铁器腐蚀病害与机理分析J.中国文物科学研究，2011（3）：39-43.9C.Bosi，G.L.Garagnani，V.Imbeni，C.Martini，R.Mazzeo，G.Poli.UnalloyedcopperinclusionsinancientbronzeartifactsJ.JournalofMaterialsScience，2002（37）：4285-4298.10MariaCristinaSquarcialupi，GianPieroBernardini，ValentinaFaso.CharacterizationbyXPSofthecorrosionpatinaformedonbronzesurfacesJ.CulturalHeritage，2002（3）：199-204.11I.Constantinid