中子具有極強(qiáng)的穿透能力，可以穿透而不破壞樣品。中子檢測(cè)的特點(diǎn)是對(duì)低密度材料的衰減較大，對(duì)高密度材料衰減較?。贿@和X射線(X-rays)的衰減系數(shù)基本相反。中子層析成像(Neutron Tomography，NT)的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)獲取包含樣品結(jié)構(gòu)特征信息投影數(shù)據(jù)的掃描和基于算法求出樣品斷層特征量分布的圖像重建與處理。NT圖像具有不受檢測(cè)斷層以外部分的干擾、沒(méi)有偽影的特點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)是圖像清晰、便于解讀并可對(duì)樣品材料定量分析。

LEHMANN E H等將中子層析成像技術(shù)用于阿姆斯特丹國(guó)立博物館(the Rijksmuseum Amsterdam)館藏文藝復(fù)興時(shí)期青銅雕塑和意大利西西里島附近發(fā)現(xiàn)的古羅馬沉船鉛錠的檢測(cè)研究，并與X射線的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)。

一、 阿姆斯特丹國(guó)立博物館藏青銅雕塑：

對(duì)青銅雕塑的中子層析掃描實(shí)驗(yàn)裝置：探測(cè)器基于CCD相機(jī)(ANDOR Icon-M，冷卻到-50℃和降低暗電流)，放置在垂直光束方向的一個(gè)不透光盒子里，曝光時(shí)間為每個(gè)投影圖像20s量級(jí)。

通過(guò)NT切面圖等數(shù)字圖像可以清晰檢測(cè)出，青銅雕塑哪部分是空心的，哪部分是由陶瓷等其他材料填充的，外部損傷和金屬結(jié)構(gòu)中的不均勻都可以一目了然。

經(jīng)對(duì)阿姆斯特丹國(guó)立博物館收藏的14件文物的NT無(wú)損檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，由于中子比X射線具有更高的穿透能力，所以NT檢測(cè)并沒(méi)有出現(xiàn)X射線檢測(cè)時(shí)的散射、射束硬化等偽影。值得一提的是，體積較大的青銅物品也可以通過(guò)NT方法進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。通過(guò)測(cè)量研究對(duì)象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，獲得有關(guān)16世紀(jì)的青銅鑄造工藝和青銅雕塑內(nèi)部保護(hù)狀況的信息。更便于區(qū)分內(nèi)部空腔、陶瓷鑄件殘余物和塊體中的孔隙分布，還可以確定文物內(nèi)部的一些穩(wěn)定加固部件。

二、 沉船出水鉛錠：

應(yīng)用NT技術(shù)對(duì)古羅馬鉛錠(公元前3世紀(jì)—前1世紀(jì))進(jìn)行研究，這些鑄錠屬于西西里海岸附近兩個(gè)不同位置沉沒(méi)的羅馬船只。鉛是公元前2世紀(jì)至公元1世紀(jì)的羅馬時(shí)代的基本材料，用于軍事和商業(yè)的船舶建造，以及水和廢水管理的管道系統(tǒng)建設(shè)。地中海在鉛貿(mào)易中扮演著重要的角色，由商業(yè)船舶以錠的形式運(yùn)輸原材料。因此，研究沉船以及出水鉛錠的特征對(duì)于揭示古代商業(yè)貿(mào)易航線的規(guī)律具有十分重要的意義。

實(shí)驗(yàn)在位于德國(guó)柏林亥姆霍茲慕尼黑中心的中子成像設(shè)備CONRAD4進(jìn)行。該設(shè)備位于BER-Ⅱ冷中子反應(yīng)堆彎曲中子導(dǎo)向裝置的末端，L/D為170(L=500cm，D=3cm)準(zhǔn)直裝置用于在10cm×10cm的光束場(chǎng)內(nèi)，以獲得更好的空間分辨率，冷中子通量由2×108n·cm-2·s-1變?yōu)?07n·cm-2·s-1。

探測(cè)器系統(tǒng)是具有2048×2048像素的16位CCD相機(jī)(Andor)，從LiZnS閃爍體獲得的圖像通過(guò)反射鏡和透鏡系統(tǒng)投射到CCD芯片上。在檢測(cè)范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)360°，拍攝300張圖像，每個(gè)投影圖像的曝光時(shí)間是10s。利用Octopus軟件中實(shí)現(xiàn)的反投影算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，并使用VGStudioMax軟件進(jìn)行可視化和3D渲染。

出水于意大利錫拉庫(kù)薩(Siracusa)的4個(gè)類似的鉛錠，每個(gè)都長(zhǎng)約40cm，重約33kg(根據(jù)羅馬法律，奴隸所能承受的最大重量)，頂部有矩形模具標(biāo)記。鑄錠的特點(diǎn)通常是模具標(biāo)記位于3個(gè)規(guī)則的鋸齒矩形區(qū)域，其中可以找到字符和圖像。實(shí)驗(yàn)中，特別研發(fā)的支架允許鉛錠圍繞做垂直軸旋轉(zhuǎn)。鉛錠的表面嚴(yán)重受損，可能是由于鹽、藻類以及含碳物質(zhì)的沉積，也可能是由于船上發(fā)生過(guò)火災(zāi)造成的。

NT技術(shù)被應(yīng)用于從水下沉船中搶救出來(lái)的嚴(yán)重受損鉛錠，并判斷了文物的來(lái)源和交易時(shí)間。NT檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其中腐蝕嚴(yán)重的鉛錠腐蝕層下的圖像和銘文，圖像代表海豚，銘文為MPLANILF，代表的是鉛錠生產(chǎn)商或是礦主，歷史可追溯到公元前1世紀(jì)。出水于另一海域(Capo Rasocolmo Messina)的鉛錠，長(zhǎng)35cm，重30kg，截面形狀與錫拉庫(kù)薩鉛錠不同，歷史可追溯至公元前3世紀(jì)，銘文等提供了研究古代貿(mào)易路線的線索。

研究結(jié)果證明，中子可以穿透相對(duì)較厚的Pb和Cu合金層，NT圖像可以檢測(cè)到陶瓷殘留物、焊接連接和腐蝕效應(yīng)，NT技術(shù)適用于考古研究領(lǐng)域。重要的是，這種實(shí)驗(yàn)技術(shù)不僅可以用于大體積樣品的檢測(cè)，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多元素的無(wú)損檢測(cè)。

需要說(shuō)明的是，中子束照射后，由于放射性核素的衰變，會(huì)產(chǎn)生二次輻射，文物受輻照部分就具有了放射性。但是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的衰變后，文物樣品就會(huì)恢復(fù)非放射性。經(jīng)專家對(duì)樣品的實(shí)際輻射測(cè)量證實(shí)，Cu和Pb必要的衰減時(shí)間約為3d。但應(yīng)該注意避免應(yīng)用NT技術(shù)研究半衰期過(guò)長(zhǎng)且激活率高的材料，如Co或Ag等。

馬江麗 參考文獻(xiàn)《Neutron Methods for Archaeology and Cultural Heritage》，Springer International Publishing，2017：19-39