便携式文物数字射线照相系统

一、X 射线探伤技术在文物考古中应用的原理X 射线探伤技术，是利用射线透过物体时，发生吸收和散射这一特性，通过测量材料中因缺陷存在影响射线的吸收来探测缺陷的一种技术。根据底片上有缺陷部位与无缺陷部位的黑度图像不一样，就可判断出缺陷的种类、数量、大小等，这就是射线照相探伤的原理，也称 X 射线照相技术。在考古学中运用 X 射线照相技术，就是利用 X 射线照相方法所具有不损坏器物的特性，而且，具有高穿透能力的电磁辐射 X 射线。在文物保护工作中单一的利用数码照片，只能对器物表面及形的一些信息进行了解，锈层底部及器物的内部的信息无法知晓，X 射线照相技术就能很好地解决这一问题。从另一个角度上讲，X 射线照相技术实际是一种“转换”技术，是把用肉眼直接观察不到的信息，变成“可识信息”，以反应物体内部的形貌特征，或者是物体内部结构特征。通过记录在 X 射线照片物体透视影像的丰富信息及其特征，来判断文物内部结构特征，或者相关的其他特征，如文物保存状况、前修复痕迹、相关其历史艺术信息，相关器物制作工艺特点等。现在，X 射线探伤技术已经成熟地应用于文物保护修复及古代技术研究中。运用此种设备进行文物相关研究比较广泛。X 射线是借助荧光屏显像的一种成像技术，具有穿透和荧光两个作用。X 射线照相是借助各种摄影装置，利用 X 射线的吸收、穿透和感光等作用。将被检客体的影像记录在与 X 射线仪连接的电脑相应的程序中。传统光学成像方式与 X 射线平面成像有些差异，传统的光学成像，不管模拟成像或数字成像，均使用光学透镜，波长范围为紫外线、可见光和近红外线。X 射线平面成像不用光学透镜成像。而是利用射线的直线传播，穿透物体，在物体背后放置 X 射线感光片将影像记录下来。X 射线平面成像与光学成像相比，除了不用镜头外，最主要的是记录的信息并不相同。二、X 射线照相技术在文物考古和绘图方面的应用实例文物具有不可再生性，在修复文物前，用 X 光照相方法能反应文物保存现状，通过这种无损分析结合文物的保存状况更利于文物保护与研究1. 在文物考古方面的应用X 射线照片作为光源的一种照相方法，利用具有高穿透能力的电磁辐射 X 光，在不破坏“研究对象”的情况下，对其内部形态进行探测来反应物体内部结构特征的一种无损检测方法。不同材质的文物，由于非均质特征，各个部位对 X 射线能量的吸收明显不同。能够显示铁器表层的锈蚀深度，能够了解器物的内部形貌特征。 现代文物保护修复，不仅是把破碎的文物复原，把受自然力侵蚀的文物寿命延长，而是对其历史价值、艺术价值的一个重新“发掘”、认识和评价的过程。文物在锈蚀或损坏得比较严重的情况下，对其修复保护操作前，没有详细的了解器物的现状，直接进行操作很可能对文物造成损伤甚至破坏，相关的历史和艺术信息将永远的消失，并且对文物研究也会有极大的影响，造成无法弥补的遗憾。下面结合铁牌饰、铁饰件、铁称砣数码相片与X 射线照片的对比图片，可以细致地了解器物纹样与图案。 图2 为铁牌饰的 X 射线照片，从片中看到的是一件非常生动的艺术品，没有任何损伤拼接痕迹，轮廓立体感强，人、马的轮廓线及人体五官和头部也非常清楚，马的线条也很清晰，马身上的饰物、缰绳、马鞍、弓弦、缨、鞦带等细微之处都清晰地呈现出来。马的五官、尾部、四蹄的外轮廓与真实马的形态相像，从马的尾巴及身体上的饰物上看去，动感很强。整体上看去好似一人悠闲地在马背上吹着音乐，而马听着美妙的乐声慢步行走，很陶醉的样子。铁饰件的数码片中，只能看到表面厚厚的锈层，锈层下的任何信息都显示不出来。这次在文物保护的过程中，我们利用 X 射线照技术，详细的对器物进行了解，发现锈层下的有粗细不均线条组合成生动的图案，而且固定在铁饰件边缘的两个片状铁片及与铆钉相接的结构也能清晰地看到。这个信息的解读对于保护研究方面与保护工作的操作方面以及考古研究工作的开展有着非常重要的价值，也同时要求文物保护人员在进行保护工作时要特别小心，如果不小心就会伤及器物的花纹。所以在保护操作工作中，一边对照 X 射线图片，一边小心谨慎进行保护操作，结果器物花纹没有受到一丝的伤害，同时也说明器物得到了成功的保护。秤砣虽锈迹斑斑，却保存尚好。器表 1 面刻有凹槽（图 5），另一面无任何纹饰。经 X 射线照相，想进一步对其进行了解。结果很遗憾，在 X 射线片上除有一些白点外（图 6），只能看到一块加工规整的铁块，没有显现出任何套接及修复痕迹，说明这件器物是一次成形的实心器物。在器物中心部位有若干大小不等的小圆点，我们认为此物应是在制作器物时产生的气泡而形成。器物表面刻的凹槽在 X 射线片中没有任何体现，我们也无法辨别记录的是什么文字，这种结果的出现主要是由于器物太厚，器物上所刻文字的凹槽太浅所致。反而在数码片中，这种实心器物用数码片的效果反而要比 X 射线片好一些，表面信息虽然不是很清晰，还可以看到大致的轮廓。2. 在考古绘图中的应用出土文物是研究者对遗址的文化进行判定的重要依据。器物图是对器物进行平面展示的平台，绘图是编写考古报告中的一项不可缺少的基本工作，也是进一步研究器物相关工艺的基础。目前的考古绘图，是完全使用手工测量，可直接测量的部分，在图中可以准确绘出其结构与大小，而一些无法测量的部位，尤其在绘器物的剖面图、内部结构及加工工艺和器物厚度是无法准确测量的，也只能估测，这样会影响考古报告的读者对器物内部结构的认知程度。X 射线平面成像是 X 射线穿透物体的影像信息的记录。由于 X 射线穿透能力强，光学成像射线无法穿透的物体，X 射线却可能穿透，获得其内部信息。通过 X 射线照片专业绘图员可以对文物的内部形貌及器物的原貌有更加细致的了解。在绘图时，用绘图工具测量、数码片、X 射线片三者相结合，能够完整地把器物的内、外部信息更全面地表现出来。如铁锁为圆柱形，锈蚀严重，有些锈层已经剥落（图 7），内部结构不详。从（图 8）X 射线照片中，能够清晰地了解铁锁的内部形貌。除铁锁两端外侧可看到的铁条贯通铁锁内部外，再无任何部件。铁条一侧弯曲，呈“U”形，且残断。则另一侧端部似花瓣形扁片。数码片对器物表面信息是一个很好的展示，在铁锁两侧各有一孔，一侧为圆形，另一侧则为月牙形，且二孔在一条直线上。通过铁锁使用两种照相技术相结合的方法。能够清晰地了解铁锁内、外部结构与构成，有助于绘图者对器物有更深一层、更细致的了解，提高了绘制器物线图的准确性，尤其是对器物的内部结构能够绘得更准确。再如，帽顶，表面可以看到它的内部构成。先制成直径不等的空心半圆形范，并在范上刻好花纹，三个直径基本相同，另一个较前者稍大，其中两个小的半圆对扣成球体，而另一个小半圆与大者叠扣在一起，再用一根方形铁条通过顶点将其串在一起（图 9、图 10）。三、利用 X 射线照相技术进行文物保护应注意的问题利用 X 射线技术对文物进行保护，能收到较好的效果，但不能取代所有的方法，还要注意与其他方法的结合。1. 要对 X 光片进行整体判读从利于文物保护与研究的角度，在提取器物时，最好用整取的方法将器物内部任何遗物信息留存。在对器物进行清洗保护时，根据 X 射线片对器物的锈蚀物进行清理，这样就不会将器物本身破坏，也不会丢失任何信息，可以更准确地识别器物的内部构成与结构形貌。2. 要与传统的数码技术相结合如前所述，进行文物保护，利用 X 射线技术并不能解决所有的问题。从（图 5、图 6）的秤砣来看，器物大致为柱状，受 X 射线穿透力的影响，在识别时纹样图案的效果极差。（图 8）的铁锁 X 射线照片也如此，除铁锁的内部存有一根铁条以外，无其他任何信息，也无法得知铁锁内部的具体结构。而数码相机照的照片，可以把器物表面的一些特征及信息反应出来。而两者相结合，第一有利于文物保护与制造工艺的研究；第二有利于文物保护操作工作的进行。所以个人认为，用 X 射线技术对文物进行研究时，应运用多种科学技术方法相结合进行测试，具有互补的作用。获取更多、更大量的信息，减少丢失任何有价值信息的可能性，对文物考古的相关研究可提供更全面的内在信息。通过对以上三件器物 X 射线相片，可以看出，它们的效果完全不同。由于骑士牌饰为薄片状，相关的历史和艺术信息一览无余。而多年保护工作的实践，本人总结出一些经验。对器物进行保护工作前，一定要进行一些科学技术的测试，能够尽量多的留下一些信息。文物具有不可再生性，所以对文物进行的保护都应在详细了解文物之后再进行操作。X射线探伤技术，具有无损的特征，这种特性非常适合在文物研究和文物保护中应用，可以更全面地揭示与文物有关的历史信息，更生动地提供文物的制作工艺及技术，更详细地绘制器物的原图。

p style="LINE-HEIGHT: 1.75em"　　目前，国际上工业便携式X射线机的代表品牌有日本理学、美国通用电气公司(GE)、俄罗斯Spektroflash、比利时ICM、德国 YXLON等。/pp style="LINE-HEIGHT: 1.75em"　　日本理学便携式变频充气X射线机20世纪70年代就进入中国市场，当时中国市场使用的还是油绝缘工频机，体积大，重量重，相比之下，日本理学便携式变频充气的X射线机体积小、重量轻、性能稳定，尽管价格高昂(从最初的十几万元，到后来20多万元，目前价格还在20万元左右)，仍然受到市场追捧。但是，几十年来，没有新技术、新产品出现，主回路没有变化，仍然是变频充气机，近几年，尽管做了一些改进，技术上没有大的突破。/pp style="TEXT-ALIGN: center LINE-HEIGHT: 1.75em"img title="PT151109000058Zv3y.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201511/insimg/43aae15f-ad3d-45b8-b58b-4f7d2108b0e3.jpg"/　　/pp style="TEXT-ALIGN: center LINE-HEIGHT: 1.75em"日本理学便携式X射线机 图片来源：网络/pp style="LINE-HEIGHT: 1.75em"　　美国通用电气公司(GE)ERESCO MF4系列便携式X射线机，采用中频恒压技术，频率大约为20 kHz，金属陶瓷X射线管，产品系列kV输出有160kV、200kV、280kV、300kV，辐射方向分定向和周向机，还有风冷、水冷和小焦点，品种比较齐全。产品主要优点是功率输出最高，图像清晰度好 较高的 X 射线剂量使曝光时间较短，并相应提高工作效率 30& #176 C 时运行占空比为100% 与变频机相比技术性能优势明显，例如65 MF4型300kV定向机，高压输出5-300 kV，管电流0.5-6mA，额定功率900W，焦点3.0 mm (EN 12543)，辐射角40& #176 x 60& #176 ，最大穿透65 mm(钢)，管头高度1020mm，管头重量40 kg，电源要求160-253V AC,50/60 Hz，环境防护等级IP65。设计紧凑，控制器和机头结构坚固，能够在恶劣环境中使用。/pp style="TEXT-ALIGN: center LINE-HEIGHT: 1.75em"img title="PT151109000059bIeL.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201511/insimg/d8e1b34c-960e-4abd-b440-28feb4ff3821.jpg"/　　/pp style="TEXT-ALIGN: center LINE-HEIGHT: 1.75em"ERESCO MF4便携式X射线机 图片来源：网络/pp style="LINE-HEIGHT: 1.75em"　　俄罗斯Spektroflash(史克龙斯)公司曾以脉冲射线机Arina系列闻名，这款机器重量小、电压低、功耗小。新推出的MAPT系列射线机是高频恒压射线机。取消风扇设计，其机身小巧轻便，功耗低，射线管工作效率高，可以有效的把能量转化为X射线而不是热量。并采用特种散热金属，来完成散热工作。从而实现机身小巧简洁，但功能强大，并有效延长机器的使用寿命。其所采用的特制的高频射线管，具有寿命长，稳定性高，不易损坏等优点。/pp style="LINE-HEIGHT: 1.75em"　　俄罗斯进入中国市场有2款机，一款是APT200定向机和半周向机，可以对外发射一个锥向角度为150& #176 的射线，更适合小径管的周向曝光检测。输出管电压100-200 kV，管电流3 mA，最大穿透厚度30 mm(钢) 射线发生器重量仅仅5kg。 另一款是MAPT250定向机，辐射角度40& #176 ，最大穿透厚度40 mm(钢)输出管电压130 -250 kV ，管电流3 mA，射线管工作频率100kHz，X射线管焦点1.5 mm，发生器重量8.5kg。体积小，重量轻。据了解，高穿透能力的机型将陆续推出。/pp style="TEXT-ALIGN: center LINE-HEIGHT: 1.75em"img title="PT151109000060iOlR.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201511/insimg/f5dc4a3b-e94e-4fa4-b493-ee37a4eb8e4c.jpg"/　　/pp style="TEXT-ALIGN: center LINE-HEIGHT: 1.75em"MAPT系列高频恒压射线机 图片来源：网络/pp style="LINE-HEIGHT: 1.75em"　　比利时ICM公司便携式X射线机20世纪90年代进入中国市场，属于变频充气机，玻璃X射线管 恒压机研发多年，系列产品尚未推出，去年刚推出一款200kV定向机SITE-X CP200D。主要产品还其变频充气机，其主要特点是品种齐全，可以连续工作 周向机采用专利技术，均匀度好，而且，使用后若出现辐射均匀度偏差，不用更换X射线管，可以通过射线发生器内部安装的偏转线圈进行调整。正是因为增加了偏转电场，控制电路复杂，未能及时升级，产品故障率较高。/pp style="TEXT-ALIGN: center LINE-HEIGHT: 1.75em"img title="PT151109000061JfMi.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201511/insimg/3defc2f9-fb1d-436c-ab6e-8f65c67c55bb.jpg"/　　/pp style="TEXT-ALIGN: center LINE-HEIGHT: 1.75em"ICM便携式X射线机 图片来源：网络/pp style="LINE-HEIGHT: 1.75em"　　德国YXLON 是COMET集团旗下的专门生产便携式和移动式X射线系统的公司，产地在丹麦的哥本哈根。1989年开始生产Y.SMART系列便携式X射线机，将油绝缘管头和玻璃管芯的组合，改变为气体绝缘和金属陶瓷管芯的组合，并开始应用高频恒压技术。/pp style="LINE-HEIGHT: 1.75em"　　2014年最新推出的SMART-EVO系列，是Y.SMART系列的升级版，控制器和射线发生器都进行了全面技术升级。与Y.SMART系列相比，新产品极大的降低了重量，并确保操作流程更优。曝光计算器自动计算所需的曝光时间，无需在设置时采用“试验法”以逼近最佳值而浪费时间。还有许多细心设计的特点，例如射线铅罩更易于装卸、控制器肩带、辐射角激光指示、内嵌式的一体化LED警示灯等确保操作流程更快速。尤其值得一提的是控制器中的功率因数校正(PFC)模块，不仅可以优化主供电线路中的电流负载，还可以在电压不稳情况下确保稳定操作(如发电机供电场所)，并适用于所有介于85-264V，45-65Hz的交流电源。优越的设计获得2015年度设计类“最佳中的最佳”奖项-红点奖(reddot)。/pp style="LINE-HEIGHT: 1.75em"　　最近，YXLON又推出高功率X射线机和小焦点系列。高功率X射线机XPO EVO 225D定向机，具有1200W的恒定射线功率，电流调整幅度高达10mA，以满足较高的穿透力要求，使得其胜任所有中等强度的现场检测任务。小焦点系列定向机焦点1.0mm(EN 12543)，特别适合数字射线检测，大大提高成像质量。/pp style="LINE-HEIGHT: 1.75em"　　YXLON产品系列kV输出有160kV、200kV、225kV、300kV，辐射方向分定向和周向机，还有风冷、水冷和小焦点，品种比较齐全。金属陶瓷X射线管，抗震性好、稳定性强、使用寿命长 高压连续工作，暂载率100%, 大大节约了作业时间。例如SMART-EVO 300D型300kV定向机，高压输出50-300 kV，管电流0.5-4.5mA，额定功率900W，焦点3.0 mm (EN 12543)，辐射角40& #176 × 60& #176 ，最大穿透65 mm(钢)，管头高度774mm，管头重量29 kg，电源85-253V AC,50/60 Hz，环境防护等级IP65。/pp style="TEXT-ALIGN: center LINE-HEIGHT: 1.75em"img title="PT151109000062MjPl.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201511/insimg/b920ac08-3339-448c-8b4d-c596f9b9f871.jpg"//pp style="TEXT-ALIGN: center LINE-HEIGHT: 1.75em"　　SMART EVO系便携式X射线机 图片来源：网络/pp style="LINE-HEIGHT: 1.75em"　　美国Varian公司最新推出便携式加速器，属于便携式高能X射线装置。拟推出PX-1型和PX-2型二款便携式装置，PX-1型加速器焦点1.5 mm，标称能量 0.95MeV，半值层 HVL1.4 cm (钢)，穿透厚度约76mm(钢)，供电能源230 VAC，2.5 kVA，X射线发生器外观尺寸79.5× 51.8× 31 cm，重量36 kg 控制器27× 24.6× 17.4 cm，重量3 kg ，现场安装时间5分钟。PX-2型便携式加速器，标称能量1.6MeV ，穿透厚度约127mm钢，焦点 1.5 mm ，相当于7居里Co60源。/pp style="TEXT-ALIGN: center LINE-HEIGHT: 1.75em"img title="PT151109000064dKgM.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201511/insimg/7ff3e407-b17e-4f9e-9ecd-c289eb8f0de1.jpg"//pp style="TEXT-ALIGN: center LINE-HEIGHT: 1.75em"VARIAN Linatron-PX1 950KV X射线源 图片来源：网络/pp style="LINE-HEIGHT: 1.75em"便携式加速器的优势在于：/pp style="LINE-HEIGHT: 1.75em"　　一，制造过程中对大厚度工件用便携式加速器替代移动式X射线机，使操作更为方便 /pp style="LINE-HEIGHT: 1.75em"　　二，在役检测尤其是管道检测，替代& #947 射线仪，使检测更为安全。/pp style="LINE-HEIGHT: 1.75em"　　/pp style="LINE-HEIGHT: 1.75em"span style="FONT-FAMILY: 宋体, SimSun FONT-SIZE: 14px"节选自《无损检测》2015年第10期/span/pp style="LINE-HEIGHT: 1.75em"span style="FONT-FAMILY: 宋体, SimSun FONT-SIZE: 14px"　　本文作者：黄新超，河南省锅炉压力容器安全检测研究院高级工程师，锅炉检验师、容器检验师、管道检验师，RT-Ⅲ，UT-Ⅲ，主要从事特种设备检验检测和检验检测仪器研发及应用工作。/span/pp style="LINE-HEIGHT: 1.75em"br//ppbr//p

来自宇宙的匕首-----布鲁克便携式X射线能谱仪ELIO助力图坦卡蒙匕首溯源分析冶金技术的发展见证了人类文明的进步，从新石器时代到铁器时代，人类文明实现了伟大的跨越。考古界的专家学者们近些年来对于古代文明中冶金技术的起源和传播展开了广泛的研究。现有研究表明，人类对于铁制品的使用*早需要追溯到公元前3世纪。因此研究界通常认为更早时期的铁制品主要是由铁陨石制成。然而，由于缺乏详细的科学分析论证，目前对于该观点仍然存在一些争议。近日，埃及博物馆和米兰理工大学的研究者们，通过使用布鲁克便携式XRF光谱仪ELIO对图坦卡蒙国王墓中出土的铁匕首化学组成进行研究， 证实了图坦卡蒙铁匕首的可能是由外太空的铁陨石制成。图坦卡蒙国王的铁匕首在该研究中， Daniela COMELLI等人利用布鲁克便携式XRF光谱仪ELIO对匕首刃部进行了无损分析，初步确定匕首刃部主要组成为Fe、Ni， 同时含有少量Co。为进一步确定匕首中Ni、Co组成比例，作者选取与匕首组成相近的22个标准样品进行类型校准（11个已知组成的陨石和11个钢铁标样），通过定量分析确定样品中Ni含量10.8 而Co含量为0.58，二者比例约为20。目前大多数铁陨石中Ni含量范围为5~35，而19世纪前的天然铁矿石制成的铁制品中Ni含量超过4。此外，匕首刃部的Ni/Co比例与已认证的76块铁陨石中Ni/Co比例具有显著的一致性。因此，该项研究证实了图坦卡门匕首刃部材料为来自于外太空的铁陨石。图坦卡蒙铁匕首刃部与已认证76块铁陨石中Ni、Co含量对比 在本项研究中，得益于布鲁克便携式XRF光谱仪ELIO在艺术考古等领域能够实现无损定量分析的特点，作者通过对图坦卡门墓中珍贵文物匕首刃部化学组成的分析，成功实现了对3500年前铁制匕首原材料的溯源，证实了该匕首刃部材料为来自于外太空的铁陨石。 Elio产品优势便携式X射线荧光光谱仪ELIO的优势：1：无需样品制备，仪器移动进行无损扫描2：便携式仪器，对于不规则大尺寸样品和珍贵文物量身定做3：单点检测（spot）和元素分布分析（mapping），光谱解卷积定性分析和无标样定量分析4：分析元素范围Na-U5：一次分析范围100mm*100mm，可拼接分析至无限大。6：软件界面操作方便，软件功能包含仪器控制、数据采集、数据评估和显示、生成报告等。 布鲁克文物解决方案：M6 JETSTREAM M4 TORNADO CRONOELIO TRACER S1 TITAN