射線探傷無損檢測方法在文物考古現場應用最新進展

內容摘要：便攜式X射線探傷及數字掃描系統能夠在文物考古現場對考古遺跡，不同材質的文物的內部結構、腐蝕及保存狀況，加固修復效果及考古學文化進行快速分析、鑒別和研究。本文闡述了文物考古現場X射線探傷在針對不同材質文物及考古遺跡進行檢測時的原理、方法、條件及實踐應用。

關鍵詞：X射線探傷；數字掃描系統；石膏包；青銅器；脆弱質文物

中圖分類號：K854.3 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106（2013）01-0035-09

一 引言

射線檢測技術可以穿透物體表層，“觀察”到物體內部結構，自1895年倫琴發現X射線以來，這種對物體內部結構及缺陷的可視化技術就被廣泛應用于文物保護工作領域。

文物領域最早的射線檢測可追溯到20世紀20-30年代，當時主要用于紙質文物藝術品的檢測。隨著X射線管發射功率的提高，X射線探傷技術可應用于不同材質文物的研究。蓋頓斯（R.J.Gettens）從50年代開始對弗里爾美術館（Freer Gallery）館藏的120件中國銅器逐一進行X射線透視、化學分析、金相檢驗，他的工作將射線檢測同其他理化檢測手段有機地結合起來，至今仍有重要意義[1]。射線的研究范圍包括：X射線探傷，中子射線照相，X射線計算機體層成像（CT掃描）。綜合應用這些射線檢測技術成了文物無損檢測的一個重要方向。

從2009年開始，敦煌研究院和中國文化遺產研究院在國家科技部支撐項目中華文明探源工程子課題——“文物移動實驗室在考古發掘現場應用支撐技術研究”的支持下，在多個文物考古現場，針對不同材質文物進行X射線探傷分析，涉及青銅器、鐵器等金屬器物，陶瓷器，玉器，竹木漆器，車馬器石膏包及棺槨原位檢測。通過文物考古現場X射線檢測分析試驗，對各種材質文物的檢測方法和檢測條件進行了梳理，并對各種材質文物可能獲取的信息進行了探討，為以后文物考古現場X射線探測提供了方法與示范。

二 射線裝備與原理

1. X射線探傷原理

射線穿過被照射物體后，將有所損耗。不同厚度、不同密度的物質，射線的穿透率也有不同。將射線探傷儀和底片放在被照射物體的兩側，物體不同部位的厚度、密度和缺陷不同，導致射線穿透后的強度不同，這樣，其與底片反應產生的灰度亦隨之不同。評片人員根據灰度影像，可判讀物體內部的結構狀況，進而判斷文物的形態，推測文物的材質、相互依存關系，揭示被檢測文物內部的缺陷以及其他有價值的信息。對膠片感應產生的灰色影像分析構成了射線研究分析的全部內容。文物被射線穿透，呈現不同的灰度影像，與文物的材質、密度及厚度有關，也同射線的能量、膠片的質量有關，要控制這些變量，達到最優化的效果，需要不斷測試，提煉出合適的工藝圖。

X射線探傷獲取的是研究對象的正投影影像，需要一定的X光判讀經驗或者多角度拍攝方可得到準確的信息。

2. 數字掃描系統

平面的掃描器使我們可以掃描任何尺寸的圖像板。在圖像數字信號讀取和擦除過程中無圖像板的彎曲和損壞，掃描和擦除可一次完成，這個系統（表1）最終可完全取代傳統膠片功能，使我們在所有能量范圍內得到類似膠片質量的X圖像，而且相片的清晰度有了很大提高。同時經過掃描的電子膠片即可投入下一次測試，為拍攝距離、拍攝電壓、拍攝時間提供快速方便的依據，大大提高了拍攝效率。方便快捷，降低了廢片率，節約了成本。對于大型器物，可多次拍攝后進行圖像拼接，獲得完整的影像。

在文物的X射線成像中，成像質量受多方面因素的影響，主要包括文物的材質及厚度、不均勻處或者包含物的形狀與方向、X射線的強度和曝光雙臂間、X射線的焦點尺寸、被透照物至焦點及底片間的距離、增感屏種類、膠片類型與膠片顯影條件等。為了方便地體現影像質量的好壞，表征各因素的影響，在X射線成像工作中常使用對比度、清晰度、顆粒度等指標來評價拍攝效果。

三 X射線無損分析系統在文物

保護領域中的應用

X射線在文物保護中的應用較為成熟，然而在文物考古現場的保護應用上還處于初級階段，經過探索，目前在以下幾個方面可以進行探測：

3.1 石膏包分析（圖版23）

圖1（a）中可見當盧所在位置和保存狀態，為實驗室二次清理提供依據。

圖1（b）中灰線所圈區域為馬牙，其他具有明顯形態的為車馬器金屬配件。

石膏包體和X探傷測試條件的關系：

1. 由于車馬器坑內有大量木炭堆積，在進行石膏包處理時，包裹內主要為木炭及車馬器遺跡。木炭較為松散，密度較低，射線極易穿透。在該儀器的最低管電壓下很難顯現。

2. 車馬器表面的漆皮由于材質密度較低，厚度很薄，故很難在該儀器的最低電壓上顯現。

3. 由于車馬器配件多為金屬材質，同時大部分厚度僅在1-5cm以內，在60-80kV電壓下可以顯現并區別于其他材質遺跡。

4. 同時馬骨由于長年環境腐蝕，密度較低，在60kv下便可顯現其形態。

5. 對于車馬器的探測，可以結合軟X射線，在更低電壓下對木質、骨質等密度較低的材質文物遺跡進行探測，綜合可得出遺跡的具體分布情況，進而指導實驗室二次清理。

3.2 青銅器分析

3.2.1 帶銘文青銅器探查

圖2（b）可見被銹蝕覆蓋的青銅銘文，為考古學文化研究提供依據。

3.2.2 制作工藝探查

圖3（b）可見銅盒全身有墊片支點，為制作薄體青銅器的重要工藝。

3.2.3 青銅器包裹體探查

圖4封閉的青銅器的探查發現，青銅卣內還有三件青銅器，經過考古工作者辨認，體型修長的為觶（圖中1），較矮的為尊（圖中2），一個呈跪坐姿式的婦人頭頂的為盤（圖中3）。

3.2.4 青銅器腐蝕狀態探查

圖5（b）可見青銅戈內部不均勻的腐蝕狀態。

3.2.5 青銅器修復痕跡檢測

在記錄材料遺失或不完整的情況下，圖6可見青銅鼎采用不同修復材料進行過修補和做舊。

青銅器與X探傷測試條件的關系：

1. 青銅器主要由銅、錫、鉛等金屬鑄造而成。X射線對這三種元素的穿透能力較弱。故而采用X射線拍攝時，往往需要較高的管電壓。

2. 對于厚度大約在1cm以下的文物，拍攝距離在60cm左右，可選擇60-120kV管電壓。

3. 對于青銅器厚度1-2cm時，拍攝距離在60cm左右，可選擇120-160kV管電壓。

4. 對于青銅器厚度大于2cm時，拍攝距離在60cm左右，可選擇>140kV管電壓。

5. 對于青銅器物，若將X光片置于一側，拍攝距離在60cm左右，則電壓往往高于160kV。

3.3 大型陶俑分析

從圖7（b）可見頭部有一條斜向裂隙，外部不可見。大腿處有裂隙一條貫穿左右腿；右手手腕有裂紋，左肋處有裂紋一條。牛頭位置有裂隙一條。

大型陶俑與X探傷測試條件的關系：

1. 由于陶俑質地較薄及易被X射線穿透，故盡可能使用較低的管電壓和電流進行測試，對大型陶俑一般選擇60-100kV的管電壓，管電流為3mA。

2. 由于陶俑體型較大需要進行多次拍攝和拼接才能得到理想的結果，拍攝時，盡可能選擇同樣的拍攝條件，進行拼接時才可得到灰度相近的結果。

3.4 脆弱質文物軟X射線分析

圖8可見內壁有附著物及把手。

圖9可清晰見到木紋及腐蝕狀態。

圖10可見漆碟內部各位置的缺陷和薄弱處，并可對漆盤的工藝進行分析研究。

脆弱質文物的X射線拍攝條件和方法探討：

在這一章節中，采用K-60軟X射線（波長大于0.01nm）對不同材質的脆弱質文物進行了分析，由于脆弱質文物較金屬等文物易穿透，故在拍攝時常采用能量較低的射線進行照射。由于鉛增感屏對波長較長的軟X射線有吸收作用，故軟X射線拍攝不宜使用增感屏。

對竹木簡拍攝時，其管電壓一般為10-25kV，電流為2mA或者2.5mA。

對漆器拍攝時，能發現其輪廓和腐蝕狀態，拍攝的管電壓為20-60kV，電流為2mA或者2.5mA。

由于陶瓷器質地較薄及易被X射線穿透，故盡可能使用較低的管電壓和電流進行測試，對陶瓷器一般選擇35-80kV的管電壓。

3.5 棺槨X探傷原位檢測（圖版24）

棺槨長230cm，右寬55cm，左寬70cm，高52cm。經考古工作人員發掘清理，并對棺槨右側的淤泥層分析，推測墓葬棺槨可能被洪水多次沖刷，導致內棺脫離底板被淤泥抬高，且棺槨內亦有可能被淤泥填充。若淤泥致密，則射線穿透難度增加，需要較高的管電壓。如圖11，在拍攝電壓為180kV時，拍攝發現，棺槨底部泛白，為射線未穿透現象，左上側黑色區域為內棺蓋部分影像，并有棺釘。

此次墓葬棺槨原位拍攝為國內首次，其拍攝條件需要結合現場實際情況而定，假定棺槨內部無淤泥，則由于棺槨為木質，在低于100kV 電壓下便可以穿透，然而在達到180kV的管電壓下，棺槨仍沒有被穿透，可以判斷棺槨內部完全被淤泥填充。由于設備管電壓最高為200kV，采用設備最高管電壓時仍未能將棺槨穿透。故而需要更高管電壓的X射線探傷儀進行拍攝。

四 X射線影像拼接技術

因為膠片尺寸的限制，對一個石膏包的測試往往需要多次才能完成，采用Photoshop或autoCAD等圖片處理軟件，則可得到石膏包內部文物的相對位置關系。再結合考古發掘時拍攝的工作照片及遺跡、遺物繪圖，在完全揭露石膏包之前，了解石膏包內遺跡、遺物的附存關系及文物的保存狀態，為揭露遺跡的準確性及文物出土時的搶救性保護贏得時間。

根據以上判定基礎，進行了X光拼圖。

由圖12與圖14可見，X射線探傷及拼接結果可對復雜的考古遺跡在整體提取裝箱后，為實驗室二次發掘清理提供資料。

由圖15可見，X射線探傷機拼接結果可對大型文物的病害狀況給予支撐。

此研究首次將數字掃描系統和電子膠片應用于國內文物考古領域，系統最終可完全取代傳統膠片功能，使我們在所有能量范圍內得到類似膠片質量的X圖像，且相片的清晰度有很大提高，便于儲存和傳播，同時工作效率得到大大提高。

便攜式X射線探傷在文物考古現場可對考古遺跡及不同材質文物的內部結構、腐蝕及保存狀況、加固修復效果及考古學文化進行快速分析、鑒別和研究。

而采用Photoshop或者autoCAD等圖片處理軟件拼接大型遺跡和文物的X光影像，可以獲得遺跡內部的整體結構，為遺跡或大型文物的進一步研究提供資料。

五 中子射線成像和CT斷層掃描等射線方法在文物領域應用前景

中子射線技術相對于X射線技術而言具有一些優勢，X射線技術對于金、銀、鉛的穿透率很低，而中子射線可以達到這個要求，另外中子射線技術對含氫的材質比較敏感，如水、裝水的陶器及有機材料如木頭、種子、植物、食物殘留物、紡織品和紙張等。然而中子射線設備笨重，輻射大，以前使用較少[2]。

2001-2006年，歐洲COST-G8計劃（pan-European network of coordinated national research projects in the field of Non-destructive analysis and testing of museum objects）為了更好地保護博物館的文物，采用了大量的無損分析手段來獲得文物各方面的信息。該項目成員瑞士國家博物館首次和PSI（the Paul Scherrer Institute）進行了合作，采用中子射線機（NEUTRA）和X射線對來自羅馬和凱爾特人的金屬文物的內部結構進行了檢測。NEUTRA是瑞士PSI定制的一臺可用于射線照相和層析成像的熱中子射線機，由于熱中子射線的直徑可達40cm，可廣泛用于科學研究和實驗。以前的射線機需要各種膠片來達到感應成像的目的，但NEUTRA同其他射線機不同，中子射線機可以生成數字化的影像，同時曝光時間不到膠片曝光的百分之一，這對樣品及實驗人員的安全大有裨益。NEUTRA同時還有層析成像的功能，通過高敏感度的CCD記錄和觀察中子閃爍計數器發射的射線。X射線機也來自PSI，使用的管電壓為40-125kV。結果發現，中子射線具有更好地穿透率和對比率，對現代有機材料更敏感，而X射線無從發現[3，4]。

中子射線的穿透能力要較X射線強，另外比較兩者可發現中子射線照片對修補部分仍能清晰表現，而X射線則不能顯示。這種修補材料后來被證實是現代橡膠材料。

2005年，E.Lehmanna同樣使用SINQ的NEUTRA，對木材中氫含量分布及B-72材料加固后的效果做了研究。根據B-72材料的擴散性和木材加固后的均勻性，證明了20%的丙烯醛溶解的B-72與80%甲苯溶解的B-72具有最佳加固效果[5]。

一般的X射線探傷僅獲得文物的二維信息，而采用計算機斷層掃描可以得到三維圖像。

2007年，B.C.Masschaele 介紹了UGCT機構研發的一系列CT設備，這些設備具有很高分辨率和掃描精度，并可選用不同的探頭來對不同需求的物品進行檢測[6]。2009年，Vicente G.Ruiz采用X射線斷層掃描技術對石質文物的加固效果進行了研究，加固前后石質文物毛細管水上升速度不同，加固后的石材由于加固材料填充了孔隙，孔隙率降低，毛細管水上升速度大大降低。通過處理前后CT對毛細管水滲透系數及有效孔隙量的測量，發現處理后石材毛細管滲透系數大幅度降低，這對石材的保護研究具有重要意義[7]。2010年，M.P.Morigi和F.Casali論述了都靈文物保護修復中心在博洛里亞大學物理系做的一些X射線及CT的工作，針對不同尺度的物體采用不同的射線源。通過CT技術對日本13和17世紀的兩個大型木質文物進行了檢測，最后獲得的CT影像為保護修復工作者提供了大量的信息，這很可能是世界上第一例針對大型文物的原位CT掃描[8]。

同時中國學者也將CT及顯微CT技術應用到文物考古的研究中來。2004年，馬振智，楊軍昌[9]等人采用工業CT對陜西歷史博物館館藏古代棘輪進行了分析。2009年，楊益民采用顯微CT技術對古代石質文物鉆孔技術進行了研究[10]。

由于CT斷層掃描及顯微CT技術不僅可以獲得文物的三維信息，而且對文物的內部結構信息的檢測更加精細化，會越來越受文物考古領域專家和工作人員的重視和青睞。

六 結論

X射線探傷技術由于其無損性，自被運用于文物研究工作以來，業已取得巨大的成功[11-13]。隨著射線技術的進步和發展，中子射線和CT技術也逐步被應用到文物領域。X射線探傷技術以其簡單易行，判斷準確而被廣泛應用于文物考古現場，從而為實驗室的再發掘和保護提供了大量可靠的參考數據。而中子射線與CT技術相對于X射線探傷有其自身的優勢，相信在不久的將來，可以將X射線成像，中子射線成像，CT斷層掃描技術綜合應用于文物領域。

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