中子层析成像技术用于文艺复兴时期青铜雕塑和古罗马铅锭的检测研究

中子具有极强的穿透能力，可以穿透而不破坏样品。中子检测的特点是对低密度材料的衰减较大，对高密度材料衰减较小；这和X射线(X-rays)的衰减系数基本相反。中子层析成像(Neutron Tomography，NT)的实现是通过获取包含样品结构特征信息投影数据的扫描和基于算法求出样品断层特征量分布的图像重建与处理。NT图像具有不受检测断层以外部分的干扰、没有伪影的特点，优点是图像清晰、便于解读并可对样品材料定量分析。

LEHMANN E H等将中子层析成像技术用于阿姆斯特丹国立博物馆(the Rijksmuseum Amsterdam)馆藏文艺复兴时期青铜雕塑和意大利西西里岛附近发现的古罗马沉船铅锭的检测研究，并与X射线的检测结果进行了比对。

一、 阿姆斯特丹国立博物馆藏青铜雕塑：

对青铜雕塑的中子层析扫描实验装置：探测器基于CCD相机(ANDOR Icon-M，冷却到-50℃和降低暗电流)，放置在垂直光束方向的一个不透光盒子里，曝光时间为每个投影图像20s量级。

通过NT切面图等数字图像可以清晰检测出，青铜雕塑哪部分是空心的，哪部分是由陶瓷等其他材料填充的，外部损伤和金属结构中的不均匀都可以一目了然。

经对阿姆斯特丹国立博物馆收藏的14件文物的NT无损检测分析发现，由于中子比X射线具有更高的穿透能力，所以NT检测并没有出现X射线检测时的散射、射束硬化等伪影。值得一提的是，体积较大的青铜物品也可以通过NT方法进行无损检测。通过测量研究对象的内部结构，获得有关16世纪的青铜铸造工艺和青铜雕塑内部保护状况的信息。更便于区分内部空腔、陶瓷铸件残余物和块体中的孔隙分布，还可以确定文物内部的一些稳定加固部件。

二、 沉船出水铅锭：

应用NT技术对古罗马铅锭(公元前3世纪—前1世纪)进行研究，这些铸锭属于西西里海岸附近两个不同位置沉没的罗马船只。铅是公元前2世纪至公元1世纪的罗马时代的基本材料，用于军事和商业的船舶建造，以及水和废水管理的管道系统建设。地中海在铅贸易中扮演着重要的角色，由商业船舶以锭的形式运输原材料。因此，研究沉船以及出水铅锭的特征对于揭示古代商业贸易航线的规律具有十分重要的意义。

实验在位于德国柏林亥姆霍兹慕尼黑中心的中子成像设备CONRAD4进行。该设备位于BER-Ⅱ冷中子反应堆弯曲中子导向装置的末端，L/D为170(L=500cm，D=3cm)准直装置用于在10cm×10cm的光束场内，以获得更好的空间分辨率，冷中子通量由2×108n·cm-2·s-1变为107n·cm-2·s-1。

探测器系统是具有2048×2048像素的16位CCD相机(Andor)，从LiZnS闪烁体获得的图像通过反射镜和透镜系统投射到CCD芯片上。在检测范围内旋转360°，拍摄300张图像，每个投影图像的曝光时间是10s。利用Octopus软件中实现的反投影算法对数据进行重建，并使用VGStudioMax软件进行可视化和3D渲染。

出水于意大利锡拉库萨(Siracusa)的4个类似的铅锭，每个都长约40cm，重约33kg(根据罗马法律，奴隶所能承受的最大重量)，顶部有矩形模具标记。铸锭的特点通常是模具标记位于3个规则的锯齿矩形区域，其中可以找到字符和图像。实验中，特别研发的支架允许铅锭围绕做垂直轴旋转。铅锭的表面严重受损，可能是由于盐、藻类以及含碳物质的沉积，也可能是由于船上发生过火灾造成的。

NT技术被应用于从水下沉船中抢救出来的严重受损铅锭，并判断了文物的来源和交易时间。NT检测发现其中腐蚀严重的铅锭腐蚀层下的图像和铭文，图像代表海豚，铭文为MPLANILF，代表的是铅锭生产商或是矿主，历史可追溯到公元前1世纪。出水于另一海域(Capo Rasocolmo Messina)的铅锭，长35cm，重30kg，截面形状与锡拉库萨铅锭不同，历史可追溯至公元前3世纪，铭文等提供了研究古代贸易路线的线索。

研究结果证明，中子可以穿透相对较厚的Pb和Cu合金层，NT图像可以检测到陶瓷残留物、焊接连接和腐蚀效应，NT技术适用于考古研究领域。重要的是，这种实验技术不仅可以用于大体积样品的检测，而且可以实现对多元素的无损检测。

需要说明的是，中子束照射后，由于放射性核素的衰变，会产生二次辐射，文物受辐照部分就具有了放射性。但是经过一段时间的衰变后，文物样品就会恢复非放射性。经专家对样品的实际辐射测量证实，Cu和Pb必要的衰减时间约为3d。但应该注意避免应用NT技术研究半衰期过长且激活率高的材料，如Co或Ag等。

马江丽 参考文献《Neutron Methods for Archaeology and Cultural Heritage》，Springer International Publishing，2017：19-39