1 引言
核技術是以核性質、核反應、核輻射、核效應和核譜學爲基礎，以反應堆、加速器、輻射源和核輻射探測器爲工具的現代高新技術。與常規的非核技術相比，核技術具有穿透性強、非破壞無損分析的獨特優點，因此特別適合于研究不可再生的珍貴的文物和考古樣品，有時甚至是唯一適合的研究手段。可以用于文物保護和科技考古研究的核技術包括核分析技術、核成像技術、基于同步輻射的各種X射線技術、核測年技術、核輻照技術以及基于反應堆和散裂中子源的各種中子技術等。核分析、核成像、同步輻射、核測年等4 種核技術在文物保護和科技考古中的應用，此前有學者多有論述和介紹，在此不再贅述。本文擬結合筆者正在開展的中子技術與核輻照技術在文物保護和科技考古中的應用加以闡述。
2中子技術在文物保護和科技考古中的應用
中子射線是研究多種形態材料物質結構和動力學性質的理想探針。中子無電荷，在通過物質時並不受原子電場的作用，只有在靠近原子核時才會與核發生相互作用，因此中子射線束穿透能力非常強。在文物研究領域，中子技術能夠用于分析金屬、陶器、石器、木器等多種類型樣品，可以在年代推定、産地溯源、保存和修複方案的建立等工作中發揮重要作用。綜合各方面因素，針對特定文物設計合理有效的基于中子射線的分析方法，可以獲得其他實驗手段無法呈現的獨特信息。用于各種分析實驗的常用中子源爲反應堆中子源和加速器中子源。特別是散裂中子源，作爲一類加速器白光中子源，它提供的中子束強度高，中子能量分布範圍廣，可以滿足多種類型樣品的各種分析要求，在文物的科技研究領域具有廣闊的應用前景。采用中子分析技術時也要考慮到一些限制：一是基于中子方法表征文物遺存需要考慮實驗方法對材料樣品可能造成的影響。如一定能量中子照射樣品後，部分元素的穩定同位素會被活化成放射性同位素，特別是金屬元素鐵和钴等；二是實驗用中子源通常是大型研究設施，需要專業人員輔助完成分析工作，使用過程需要遵守輻射安全相關法規規定，尤其是要做足預防措施，保障文物的安全。下面簡單介紹文物研究中幾種常用的中子分析技術：中子成像、中子衍射、中子活化分析。
2.1 中子成像
中子成像技術的建立是基于中子束射線穿過物體時會發生衰減的基本原理。中子掃描樣品，通過獲取大量不同角度的射線圖像和應用重建算法，對物體的內部特征進行三維顯示，中子成像裝置如圖1。
圖1 中國散裂中子源中子成像裝置
中子可以輕易穿透許多物質，適用範圍很廣，特別是可以用于其他技術無法研究的物體類別，如大型的金屬、密封陶瓷花瓶或石像，適用于金屬器工藝和構造、內置物品分析等研究方向。中子吸收系數隨物質原子序數的變化是不規則的，同時同一元素不同同位素的衰減系數也是不同的。尤其是中子吸收對原子序數低的元素更爲靈敏，因此當文物內部是複合材質，如金屬器中含有有機物質，中子成像技術可以對有機物和金屬物質同時重建成像，這正是中子成像技術的獨特優勢。不同能量的中子配合各自的專有准直器和探測器系統等裝置，就可以組合成適用于不同應用要求的照相系統。其中熱中子照相分辨率高，目前在中子照相中應用最爲普遍，技術也比較成熟。快中子穿透能力更強，可以對體積更大、密度更高的材料進行照相，近年來也取得了很大的發展和廣泛的應用，成爲中子照相的一個熱點。中國科學院高能物理研究所東莞研究部的研究人員與故宮博物院文物保護人員合作，利用剛建好投入運行的能量分辨中子成像譜儀對一把西漢漆鞘包裹書刀進行了研究，獲得了清晰的內部圖像。該書刀由于腐蝕和老化，鐵刀已無法從漆鞘中取出，X射線成像難以同時獲得漆鞘和鐵刀的內部結構信息，而中子成像對這類文物卻大有用武之地。荷蘭國立博物館對收藏的文藝複興時期青銅器以及在西西裏附近發現的古羅馬沉船中的鉛錠利用中子成像技術將物體內部結構可視化，針對16 世紀青銅器的制造工藝進行了討論，並基于鉛錠腐蝕層的分析結果討論了它們可能的貿易路線。
2.2 中子衍射
中子衍射分析的原理與X射線衍射分析技術是相通的，不同的是中子與物質相互作用情況較爲複雜。中子射線通過物質時由于與原子核之間的核力作用産生的彈性散射，散射波之間産生幹涉，因此出現衍射現象，可以基于衍射圖像分析物質微觀結構，中子衍射裝置如圖2。
圖2 中國散裂中子源中子衍射裝置圖
中子衍射對于輕元素和同位素的分析能力很強，這是其他手段難以替代的優勢。特別的是，中子有磁矩，中子與原子磁矩的交互作用也會産生彈性散射，如具有較強磁矩的3d 過渡族元素鐵和鎳等。由于磁散射效應的存在，可以利用中子衍射技術分析鐵器等古代金屬制品，研究它們的材質和制作工藝。如殘余應力可以對材料的疲勞強度和尺寸穩定性等産生影響，會使得材料點陣産生變化，反應爲衍射圖像中的譜峰位置移動、寬化和強度變化，因此可以基于中子衍射圖譜分析材料內部應力分布情況。歐洲科學家利用中子衍射分析了維京海盜的三把劍，比較了劍體不同部位物相結構，基于物相差異討論了古劍的制造工藝。研究人員還利用中子衍射分析了佛羅倫薩聖若望洗禮堂鍍金青銅浮雕，分析了器件內部物相結構分布的不均勻性，爲後續保存提供了重要信息，並基于此討論了器件的生産工藝。
2.3 中子活化分析
中子活化分析是用中子束轟擊待分析樣品，中子被靶核俘獲生成具有一定壽命的放射性核素，根據這些核素衰變中發射特征伽馬射線的性質和強度，從而確定樣品中的元素成分和含量的一種分析方法。按中子能量範圍的不同，反應堆中子分析可分爲慢中子和快中子。它們都可以用來分析樣品內部和表層的元素信息。慢中子活化分析能測定大部分元素，且靈敏度很高。快中子活化相對于慢中子活化分析靈敏度低，但對輕元素分析具有較高的分析靈敏度，是慢中子活化分析的補充。利用活化分析方法可以測量古代陶瓷、金屬幣、銅鏡、燧石等文物和考古樣品中的微量元素和痕量元素，從而基于元素信息對被測物的産地和年代等進行推斷。中子活化分析在尋找指紋元素時的技術優勢就是所需樣品量少，可同時分析的元素多。特別是瞬發中子活化法可以非破壞性地對大部分元素進行定量分析，在文物研究領域具有廣闊的應用前景。英國大英博物館利用中子活化分析陶瓷器和大理石器，積累了大量的數據，並據此數據庫對相關産品進行産地溯源研究[7]。德國的柏林畫廊美術館花費二十多年時間利用中子活法分析方法分析了大量的油畫作品，基于元素信息分析繪畫創作過程，並總結提取了油畫作品在元素組成方面的時代特征。
3核輻照技術在文物保護方面的應用
核輻照工藝是利用γ射線或加速器産生的電子束輻照被加工物體，使其品質或性能得以改善的過程。核輻照技術在文物保護方面的應用主要集中于對有機質文物的處理，例如以木材爲基礎的建築和家具類文物、以紙爲基礎的書畫類文物、以棉麻絲毛爲基礎的紡織品類文物等。這些有機質文物的材質基礎化合物主要爲纖維素、蛋白質等，因此容易發生老化現象，且老化後會出現機械強度改變、質地松軟、脆弱等問題，受到細菌、真菌以及昆蟲的侵害也會加劇這些問題。而核輻照技術可以被用來對文物進行輻照滅菌殺蟲以及輻照固化加固來解決上述問題。用于文物輻照處理方式有兩種：一種是使用含有60Co或137Cs 等放射性核素的密封源的伽瑪輻照設施；另一種是電子束加速器或X射線輻射發生器。
體內存在纖維素酶或蛋白酶的各種微生物將有機質文物作爲食物或定殖場所會造成纖維素或蛋白質降解和損傷，而這些微生物正常代謝活動釋放出的各種有機酸、無機酸和色素等物質與結構性生物聚合物發生化學反應，會進一步加速聚合物破碎和降解，因此微生物的滲透可能會造成有機質文物機械性能改變、顔色變化、出現裂紋或局部腐爛等現象。不同物種的侵略者往往以合作形式共存，例如不以纖維素爲食的害蟲，會以細菌等微生物分解纖維素産生的糖爲食，通過這種方式與細菌共同侵害有機質文物。
核輻照滅菌是利用電離輻射照射使細菌真菌等微生物失活的過程，也稱爲輻照滅菌。電離輻射與微生物相互作用方式有兩種：一種是直接與細胞內的DNA、蛋白質作用使其失活、變性；另一種是輻照使水分解産生的羟基(—OH)等自由基與細胞內的DNA等成分進行間接作用，來損傷細胞。相較于傳統滅菌方式，輻照滅菌效果可控、綠色環保不會産生有毒有害氣體。
中國科學院高能物理研究所的科研人員研發了可移動式智能電子束輻照裝置(圖3)，並與敦煌博物院和故宮博物院的文保人員合作，將電子束輻照滅菌技術用于古代壁畫、館藏紙張類文物(圖4)、紡織品類文物的滅菌保護(圖5)。
圖3 可移動式智能電子束輻照裝置圖
圖4 不同電子束輻照劑量處理後富陽竹紙顔色變化
圖5 不同劑量電子束輻照後絲綢、棉、麻纖維斷裂伸長率
輻照滅菌在國外有較多應用于文物保護的實例，例如Jong-il Choi 等利用60Co 對韓國木制現金盒進行了滅菌處理。首先對木質錢箱中分離到的真菌菌種進行鑒定，發現分離到的真菌與黑曲黴、疣青黴和綠色木黴具有高度的相似性；其次對分離到的菌株的γ輻照的敏感性進行測定，並以5 KGy 的劑量對木制錢箱進行輻照滅菌；最後觀察木制錢箱輻照兩個月後沒有發現真菌，這表明5 kGy 的低劑量γ輻照可以成功地用于去除木制工藝品的病害。Akmal A. Sakr等從埃及Tell Basta 和Tanis 墓室壁畫中分離出的46 株鏈黴菌中，用60Co放射源對其中最具代表性8 個菌株進行不同劑量的γ輻照處理。結果表明γ輻射20~25 kGy可以根除鏈黴菌的菌落，除了朱砂顔料輕微變化外，石膏支撐體、結合介質和其他顔料的顔色不變，結合介質(動物膠和阿拉伯膠)能承受高達25 kGy的伽馬輻射。此外還發現三環唑可作爲鏈黴菌細胞産生黑色素的抑制劑，從而減少低于致死劑量的γ輻照的不良影響，因此認爲γ輻照是生物劣化文物的去汙的可行方法。
核輻照固化加固是以電子加速器産生的高能(150~300 keV)電子束或放射性核素産生的γ射線輻照液體低聚物産生自由基等，使低聚物能夠交聯聚合，快速形成固體産物的過程。該技術具有環境汙染小，無殘留物，反應快，能耗低等優點。將核輻照固化應用于文物的加固處理，國內外的文物保護研究人員已經開展了一些模擬研究和應用研究。Valentin Moise用輻照固化處理了來自18 世紀羅馬尼亞教堂的聖像以及19 世紀的羅馬尼亞南部老房子的地板。通過對比樣品輻照固化處理前後的熱穩定性、光化學穩定性和化學穩定性等，來測試一種新型無苯乙烯樹脂浸漬木材的性能。容波等開展了用電子束輻照加固秦俑彩繪的相關研究，對一系列單體進行選擇，並進行了不同的實驗條件對比，最終確定最佳輻照加固條件爲：2-羟基甲基丙烯酸乙醋爲單體，能量爲1 Mev，電流爲2 mA，輻照劑量爲60 kGy的電子束輻照可以有效地加固秦俑彩繪層。
4前景展望
2023 年中國科學院高能物理研究所申報“文物領域核技術應用與裝備國家文物局重點科研基地”獲得國家文物局認定，標志著高能所的文物保護和科技考古研究迎來全新的發展機遇。重點科研基地設置了文物專有核技術高端裝備研制和應用、基于同步輻射原位表征平台的文化遺産研究、基于散裂中子源的文化遺産研究、核分析技術在文物元素及同位素研究中的應用4 個重點研究方向。重點科研基地在移動式電子束輻照裝置、文物專用CT 設備、多維微區X射線熒光成像光譜儀、壁畫和有機質文物輻照滅菌保護工藝、中華文明陶瓷基因庫建設等方面都取得了長足的進展。目前研究人員正在與敦煌研究院、故宮博物院、國家博物館、廣東省博物館、景德鎮禦窯博物院等文博機構密切合作，將電子束輻照技術、中子技術、核成像技術、同步輻射、核分析技術、核測年技術等多種核技術用于館藏文物保護和考古樣品研究。重點科研基地將凝練研究目標、明確主攻方向、積極爭取承擔國家重大/重點任務、引進培養傑出人才，爲曆史文化遺産保護、堅定文化自信貢獻更多的“高能”方案。
闫靈通 孫合楊 馮向前
中國科學院高能物理研究所
