文物的X射线成像

章节摘录

版权页:第1章 概  述 文物兼有艺术价值、历史价值与科学价值，是我们打开通往古代社会大门的钥匙。文物作为历史形象的物质载体，能够突破时间和空间的限制，给历史以质感，这一点，是其他任何物质实体都无法取代的。 文物保护研究工作可以分为文物保护科学与文物保护技术两个方面。文物保护科学致力于解释回答“是什么”、“为什么”的问题，也就是文物材料的性质及其劣变规律，文物在环境中劣变的因果性；文物保护技术则关心“做什么”、“怎么做”，因而要给出操作方法。科学强调客观，是理性认识，而技术则反映了主体的价值取向，是实践认识。由于文物保护对象-文物几乎囊括了所有人类生产制造的物品，所以文物保护科学研究必然涉及多种学科，需要从多个专业以及不同的角度对文物展开理解和认识。 从第一眼看到文物开始，到最终解释定论，经历着一个复杂的过程。这个认识过程是否科学有序，直接影响到对文物的认识程度①。文物保护工作就是通过对文物进行完整而科学的分析认识，制订并实施合理的保护措施保持文物的物质与文化内涵，最大限度地延长文物的寿命。 随着科学技术的进步，越来越多的现代科学技术、仪器和方法也自然而然地被科学家吸收用于文物保护事业，逐渐形成更加完整、更加科学的保护研究方法体系，使文物保护工作达到另一个全新的高度。 在诸多的检测分析技术中，X射线成像技术是十分重要的一种，并日益广泛地应用于文物研究。但是总体来说，与文物保护这门学科一样，X射线检测技术在文物中的应用还处于最初步的探索阶段，还没有形成一套完整的研究体系。与医学X射线诊断和工业X射线探伤不同，文物的X射线成像所面对的研究对象繁杂，所使用的X射线强度跨度大，对操作人员以及仪器设备的使用要求也相应变得复杂，这首先就需要我们对研究的对象以及所使用的设备有一个基本的了解。 自1988年于中国历史博物馆与姚青芳先生一道为司母戊大方鼎拍摄X射线照片开始，至今已经拍摄各类文物的X射线照片万余张，希望借此书做一个初步的总结，期望对从事相关研究的文物保护工作者有所帮助。 1.1 射线检测 射线检测是目前五种常规无损检测技术之一，它依据被检物体成分、密度、厚度等的不同，对射线（即电磁辐射或粒子辐射）产生不同的吸收或散射的特性，对被检物体的质量、尺寸、特性等作出判断。 1.1.1 射线检测的主要方法 目前射线检测已广泛应用在医学、工业、军事及科学研究等领域。在工业上的应用最为广泛，也形成了完整的方法体系，一般可划分为三类： 射线照相检测技术。包括X射线照相检测（主要用于铸焊件、电子元器件检验及结构测绘）、γ射线照相检测（主要用于铸焊件检验）、中子射线照相检测（主要应用于含氢物质，腐蚀、发射性材料等检测）、电子射线照相检测（主要用于纸张、邮票等的检测）、相纸射线照相检测（主要用于低灵敏度检测）、高速射线照相检测（弹道、爆炸、工艺、生物等过程研究）等。 射线实时成像检测技术。包括X射线荧光实时成像（主要用于机场、车站、海关检查）、图像增强实时成像检测（主要用于工业在线检测）、数字实时成像检测（主要用于机场、车站、海关检查）、X射线光导摄像实时成像（主要用于生物、文物考古等研究）等。 射线层析检测技术。包括射线层析检测（CT技术）（主要用于航空航天重要器件检测、科学研究）、康普顿散射成像检测（主要用于机场、航空航天重要器件检测）。 1.1.2 射线检测的特点 与其他常规无损检测技术（如超声检测技术、磁粉检测技术等）相比，射线检测技术具有以下几方面特点： •应用范围广，适用于各种材料的检验，包括金属材料（有色、黑色）、非金属材料、复合材料以及放射性材料； •对被检物件无特殊要求，检验结果显示直观； •检测结果可以长期保存；•检验技术和检验工作质量可以自我监测。 上述特征也是射线检测的优点，因此，射线检测技术目前广泛应用于机械、兵器、造船、电子、航空、航天等工业领域以及医学和科学研究领域。 射线检测技术的缺点主要在于辐射问题。射线具有辐射生物效应，对人体可产生伤害，因此在应用射线检测技术时必须考虑辐射防护问题，需要按照国家和行业的有关标准和规定做好防辐射工作，保证工作人员安全。另外较高的检测成本及对裂纹类缺陷方向性检测的限制也可算是常规射线检测的缺点，近年来的新设备和新技术正在克服这些弱点，如射线实时成像检测技术、计算机层析（CT）技术等。 1.2 X射线成像检测技术概述 X射线成像检测技术是射线检测技术的一个重要领域。自1895年伦琴发现X射线以来的一个多世纪里，X射线检测技术一直在飞速发展并越来越广泛地应用于诸多领域。 1.2.1 X射线成像检测技术的发展历史 1895年德国物理学家伦琴发现X射线是射线检测技术的原始基础；1911年德国米勒博士成功地制造了世界上第一支X射线管，提供了产生X射线的基本组件和设备；1912年美国物理学家D•库利吉博士研制出可以承受高电压、高管流的新型射线管――白炽阴极X射线管，为X射线的工业应用奠定了基础；1915年，人们开始利用X射线去透照物体并在感光板上获得物体的影像，这就是最早的射线透射成像技术；1922年美国马萨诸塞州的Watertown陆军兵工厂安装了库利吉X射线机，第一次完成了真正的工业X射线照相。此后射线照相技术得到了迅速发展，20世纪30年代开始正式进入工业应用；40年代射线照相检验底片的质量问题被首次提出；1962年前后建立了完整的基本理论，在今天仍在指导常规射线照相技术。70年代后图像增强器射线实时成像技术、射线层析技术（CT技术、康普顿散射成像检测技术）等发展迅速；90年代后进入了数字射线检测技术时代。 1.2.2 X射线成像检测技术的基本理论 X射线又称伦琴射线，是1895年德国物理学家伦琴（1845～1923）在研究阴极射线时发现的一种穿透物体的贯穿性辐射现象，因当时不知它是何种射线故命名为X射线，后来为了纪念伦琴的贡献，又称之为伦琴射线。德国物理学家劳厄（1879～1960）于17年后通过X射线晶体衍射试验证明了X射线本质是具有强穿透能力的电磁波。X射线的波长范围为0.005～10nm，介于紫外线和γ射线之间（实际的界限有一定的模糊）。波长直接关系到X射线的穿透能力，波长越短，光子的能量越大，其穿透能力也越强。在实际工作中通常将光子能量高、波长短的X射线称为硬X射线。在X射线成像检测中，实际使用的波长范围一般是0.005～0.3nm。 当X射线射入物体后会与物体发生复杂的相互作用，即光子与物质原子的相互作用，表现出光电效应、康普顿效应、电子对效应和瑞利散射等现象。由于这些相互作用，一部分射线被物质吸收，一部分射线被散射，因而X射线在穿透物质时产生了衰减。 当射线通过被检测物体时，由于物体上不同成分、厚度、密度的部位对射线的吸收能力不同，射线的衰减程度就不同，因而反映在X射线成像底片上的黑度就不同，底片上相应部位就会出现黑度的差异。通过这些黑度差异可以获取物体内部成分结构等重要信息，这便是X射线透射成像检测的基础。 1.3 X射线成像检测技术在文物领域的应用概述 除了工业、医学、军事领域外，X射线成像检测技术也是研究金属、泥质、石质、木质文物以及漆器、油画、纸张和丝织品等类别文物制作工艺和保存状况的一种有效无损检测手段，因此也在越来越广泛地用于文物领域。 1.3.1 X射线成像检测技术在文物领域应用的发展状况 X射线透射成像技术应用于文物艺术品的研究始于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射线技术的发展、X射线管发射功率的提高，X射线成像技术开始用于博物馆不同材质藏品的分析检测。通过观察文物内部的形态、相关技术的结构特征、古代及近现代修复痕迹等，为器物真伪鉴定和古代技术研究提供依据①。20世纪50年代，R.J.Gettens就曾使用X射线成像检测技术对佛利尔美术馆馆藏青铜器的铸造特征进行了分析②。在中国，X射线成像技术应用于文物研究始于20世纪70年代。上海博物馆针对书画及漆木器等文物的无损检测和科学鉴定，率先在国内应用了软X射线机进行文物无损检测，使用DGX-4型软X射线机进行了一系列的试验和应用，获得了理想的效果和经验③。其他如北京科技大学、甘肃省博物馆等，也先后引入了此项技术。西安文物保护修复中心在与意大利合作期间（从1995年开始），即把X射线成像技术系统地用于不同材质文物如青铜器、陶瓷器、铁器、金银器、骨质文物的研究中，以考察文物的保存状况、内部形貌、器物的古代制作工艺特征等④。 近十几年来X射线成像检测技术在金属文物（尤其是青铜器）检测中的应用更加普遍，几乎是研究金属文物必不可少的检测手段。除了单个的器物之外，北京大学考古文博学院文物保护实验室也开始尝试用该检测手段对青铜器群做系统研究，实验室曾使用X射线成像检测技术先后对陕西宝鸡国墓地青铜器群①、山西曲沃晋侯墓地青铜器群②、江西新干大洋洲商墓青铜器群进行了尝试性的系统研究。 1.3.2 X射线成像检测技术在文物领域的主要应用 概括起来，文物的X射线成像在文物领域的应用主要包括以下几个方面： （1）文物内部结构的研究 在进行实验室考古发掘时，文物常处于复杂的堆积状态，此时通过X射线成像，可以辅助判断各类文物的准确位置与相互关系。例如在对内蒙古图尔基山辽墓出土文物的实验室发掘整理中，X射线成像技术有效地帮助发掘者获知棺内金银器类文物、人骨架和遗存金属汞的原始状态，进而有的放矢地进行考古发掘。 对于金属质文物（如青铜器、铁器、金银器等）来说，通过X射线检测技术可以使研究者透视器物的内部，即从X射线成像底片上对其纹饰、铭文、铸造工艺特征（如芯撑、范缝、盲芯、加强筋、补铸等）等方面的信息有更加清晰准确的辨认，从而得以获取出不可直接观察到的重要信息。因此它是研究金属器铸造、保存状况的有效方法。 此外，X射线成像检测技术还可以应用在木质、油画、壁画等其他类文物上。 （2）文物腐蚀状况的研究 文物的X射线成像，除了可以帮助我们了解文物的内部构造外，还可以帮助我们了解文物的腐蚀状况、修复情况（如青铜器的焊粘接、修补、粘接等），可以通过这种无损的分析检测方法了解文物的保存状况，为制定相应的保护方案提供依据。但是，由于对此认识较晚以及样品稀缺，导致相关的基础研究一直处于空白状态。我们通过一些有限的青铜样品，进行了这方面的尝试，试图通过X射线成像中的不同表现形式，揭示出青铜器内部不同形式和不同程度的腐蚀。尽管只是初步的研究，但是，我们认为，这种研究是有意义的，可以为文物病害无损检测学科的建设，提供有益的帮助。 （3）为文物的考古学研究提供依据 文物的X射线成像检测结果还可以用以探究考古学分期、文化面貌等问题。传统的考古学研究通常是根据纹饰、器形等外部信息来进行上述领域的研究，而X射线成像检测技术可以获取到外表不可见的制造工艺等内部信息，研究者可通过探究这些制造工艺中潜在的规律，结合纹饰器形等信息来研究分期及文化面貌等问题。尤其在青铜器群的研究中，通过X射线成像技术获取的芯撑、加强筋、分铸等铸造工艺信息可以作为分期及文化面貌研究的依据之一，从而为考古学研究提供一定的辅助作用。 1.3.3 X射线成像检测技术在文物领域应用中存在的问题 X射线成像检测技术具有无损的优点，提供的信息直观、实用、可靠，灵敏度高，重复性好。但也存在一定问题，从目前应用情况来看，主要存在以下几方面。 一是成本较高，不利于大规模拍摄。这在某种程度上限制了此项技术的广泛使用，不可能对所有的器物进行拍摄。所以需要与考古人员合作、商讨，挑选出具有代表性的、重要的器物进行调查。 二是设备的限制。因为仪器放置、大小等原因，一些器物没有办法从最好的角度进行拍摄，所以一些问题要留到以后来解决。在对弧度较大的部位拍摄时，照片反映的信息有一定失真现象，虽然可以通过采取底片紧贴器物内、外壁拍摄的措施来获取单壁的影像，但在条件许可的情况下，最好采用周向X射线机进行拍摄，但此方式尚未见有在文物检测中应用的报道。此外我们目前的设备只能拍摄平面图像，反映平面的二维影像，对三维实物成像具有局限性。这一局限有待于工业CT技术的广泛应用来解决。 三是对文物的影响。虽然X射线成像不会对被测青铜器造成损害，但是必须强调X射线应在热释光测试分析完成后或热释光样品采集完后再进行。经过X射线照射的陶器、瓷器、青铜器范土等，进行测年时其结果往往会不准确，只能采取一些措施来加以补救①。 四是具有一定的危险性。X射线属于高能射线，对生物体有害，会引起多种疾病。要认真做好防护工作，操作过程中要有安全意识，操作员要注意个人防护，并保证他人的安全。

书籍目录

第一章　概述
第二章　文物X射线成像检测的基础理论
第三章　文物X射线成像分析设备与器材
第四章　文物X射线成像质量的控制
第五章　X射线成像在青铜器铸造工艺研究中的应用
第六章　X射线成像在青铜器保存状况分析中的应用
第七章　青铜器X射线影像与青铜腐蚀状况对比研究
第八章　其他文物的X射线成像
第9章　X射线照相技术在青铜器考古研究中的应用
参考文献
附录一　文物X射线影像档案
附录二　文物X射线影像拍摄工艺记录表
附录三　使用仪器及实验条件
附录四　新干大洋洲商墓出土青铜礼器编号对照表
后记

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《放射线检测:文物的X射线成像》由科学出版社出版。

作者简介

《放射线检测:文物的X射线成像》内容简介：X射线成像是文物分析检测的主要方法之一，对研究文物的制作工艺、保存状况有着重要的意义。《放射线检测:文物的X射线成像》简要介绍了文物X射线成像检测的基础知识，并结合实例对常见的不同质地文物的X射线影像中可见的主要现象进行了分析讨论。 

《放射线检测:文物的X射线成像》第一次系统介绍了文物X射线成像的分析检测技术，对文物保护、科技考古工作者具有一定的参考价值。

图书封面

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