中國散裂中子源靶心 中國科學院高能物理研究所供圖
中國散裂中子源快循環同步加速器 中國科學院高能物理研究所供圖
清銅鎏金綠度母像中子投影圖 中國科學院高能物理研究所供圖
清代銅鎏金綠度母像：解碼工藝，復原歷史真相
廣東省博物館收藏的清代銅鎏金綠度母像，高16厘米。對于由銅和金等重金屬組成的佛像，需要非常高能量的X射線才能實現透射成像，卻只能得到內部中空的結果。借助中國散裂中子源的能量分辨成像譜儀，研究人員首次清晰觀測到其內部豐富的裝藏物，包括中軸木、寶石和絮狀物纖維類材料。這一發現打破傳統X射線成像對“內部中空”的認知，非破壞性地觀察到佛像內部裝藏品類和組成，為佛教造像工藝和宗教儀軌及其自身價值提供了珍貴的科學依據。
逐層解析西漢漆鞘鐵書刀 中國科學院高能物理研究所供圖
西漢漆鞘鐵制書刀：逐層解析銹蝕機制，為現代保護提供科學處方
故宮博物院委托檢測的西漢漆鞘鐵制書刀，作為我國古代用于刪改簡牘文字的重要書寫工具，早在商代便已出現，漢代尤為盛行，成為文人書房中的典型器物。該樣品因鐵質刀身與漆鞘嚴重銹蝕粘連，傳統無損檢測方法——X射線、CT因為鐵器觀測的高能量需求，影響了對銹蝕部分的觀察。此時，中子CT技術在不破壞文物的前提下，可以輕易地穿透鐵，揭示了書刀內部銹蝕產物和裂紋的三維空間分布，同時還展現了切削刃復合結構，為研究文物的銹蝕路徑提供了新視野。
無損探測南海Ⅰ號沉船凝結物 中國科學院高能物理研究所供圖
南海Ⅰ號沉船：捕捉古老貿易路線的化學指紋，溯源文明交流南海Ⅰ號宋代沉船研究開創了中國散裂中子源在考古領域的應用先河。科學家利用中子透射成像技術，分析了來自南海水下文物的海洋凝結物。在確保文物無損無壞的前提下，對這一復雜樣品的內部結構進行透射分析，成功獲取了凝結物內部錢幣的尺寸、輪廓以及分布形態等信息豐富的文物和考古學信息，為古代海上貿易研究提供了科學支撐。
中國散裂中子源被譽為探索物質材料微觀結構的“超級顯微鏡”，它能夠實現對多種材料內部的無損探測。自2018年完成國家驗收以來，中國散裂中子源在航空航天關鍵部件應力檢測、鋰離子電池、太陽能電池結構、稀土磁性、新型高溫超導、功能薄膜、高強合金、芯片單粒子效應等重點領域取得了一批科技創新成果。但很多人不知道的是，它在文物檢測分析方面，也有獨樹一幟的應用。
小小中子束，文物“透視眼”
我們可以靠什么去探索微觀世界？傳統的光學顯微鏡可以看到細胞結構，也就是幾百納米尺度；最先進的電子顯微鏡能看到原子，也就是幾個納米尺度。再往物質內部看、再往微觀尺度看呢？這就需要更強大的設備，比如同步輻射光源，比如散裂中子源。
中國科學院院士陳和生這樣解釋散裂中子源的科學原理：中子具備一些特性，如不帶電，但是有磁矩；能夠探測原子核的位置，探測同步輻射所不敏感的輕元素，比如碳、氫、氧、氮等元素的位置；穿透能力非常強，能夠用來原位研究大的工程部件的殘余應力和金屬疲勞；可以探測物質結構的微觀動態過程等。因此，它被科學家視作探索微觀世界的理想“探針”。中子與被研究對象的原子核相互作用而改變運動方向時，科學家通過分析散射中子的軌跡、能量和動量變化，就能反推出物質的結構。這就好像我們不斷往一張看不見的網上扔彈珠，有的彈珠穿網而過，有的則打在網上，彈向不同角度。如果記錄下這些彈珠的運動軌跡，就能大致推測出網的形狀。如果彈珠扔得夠多、夠密、夠強，就能把這張網的組成精確地描繪出來。
研究越小的尺度，需要越高的能量。在占地400畝、相當于40個足球場大小的中國散裂中子源內部，質子被加速器“加速”到接近光速，然后像子彈一樣轟擊重金屬靶，將其內部的原子核“撞出”質子和中子。隨后，科學家們“收集”起這些中子，將它們作為“光線”，去探測物體內部的結構分布和運動狀態。
理論上，散裂中子源可以無損探測任何我們看不見的物質。這種不帶電荷的微觀粒子，能穿透厚重的金屬、堅硬的陶瓷，甚至復雜的多層包裹結構。
這些獨特的性質，恰好對了文物探測的“脾胃”——散裂中子源為文物成像提供了無損透視的利器，讓那些藏在內部的結構細節和材質密碼都能清晰呈現。
中子技術三大“神器”，解析文物密碼
中子是如何施展神通的呢？藏在中子束里的“超能力”，可不是只有單一技能——就像醫生看病要用到聽診器、CT、驗血等多種手段，中子技術也有三大“神器”：中子成像、中子衍射和中子活化分析。它們各懷絕技地為文物做“全身體檢”，解析其中隱藏的歷史奧秘。
中子成像技術：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。中子掃描樣品后，通過獲取不同角度的圖像，對物體內部結構進行三維表征。
簡單來說，中子成像技術像是給文物拍CT。相比傳統的X射線，中子對于由重金屬包裹或內部結構復雜的文物具有更強的穿透能力。這種技術甚至可以在不對文物造成任何損壞的情況下，清晰地顯示其內部結構，提供更豐富的樣品細節。最重要的是，整個過程嚴格遵循文物保護第一原則：無損！
中子衍射技術：中子穿過物質時，會和原子核相互作用產生彈性散射，散射的波束相互疊加形成特定的衍射圖樣，從這些衍射圖樣可反推其物質組成與晶體結構信息，包括原子的位置、化學鍵的長度和角度等物質的微觀結構，這就是中子衍射的原理。
如果說成像技術是看“長相”，那中子衍射技術就是讀“基因”。在文物研究中，它可以用來分析古代金屬和陶瓷器的化學成分、晶體結構信息等。它更是文物檢測分析的重要利器，有助于探究文物的真偽、產地和制作工藝。比如兩件看起來一模一樣的青銅器，外形、紋飾幾乎分毫不差，但中子衍射能深入探查其內部晶體的排列方式，而現代贗品的晶體結構與古代真品存在顯著差異，這為科學區分二者提供了堅實依據。
中子活化技術：中子活化技術是一種用于確定文物化學成分的技術，因此又被稱為文物的“成分化驗師”。當文物樣品被中子照射時，其中的元素會被活化，產生具有特定放射性的同位素。通過測量這些放射性同位素的能量和半衰期，可以準確確定文物中各種元素的種類和含量。
這項技術在文物研究領域展現出獨特優勢。例如，一件看似普通的古代陶瓷，通過中子活化分析可以揭示其胎土中的微量元素特征，為判定產地提供關鍵證據；一件鎏金銅器的合金成分，能還原古代工匠的冶金配方；而顏料中的特殊元素組成，則可能指向特定的礦物原料產地。這些隱藏在文物內部的“元素指紋”，正是破解古代制作工藝、原料來源和貿易路線的科學鑰匙。
如今，中國散裂中子源已與故宮博物院、廣東省博物館、秦始皇帝陵博物院等機構展開深度合作，讓我們在不傷害文物的前提下，聆聽那些文物的“身世”，探索古人留下的智慧密碼。相信未來，隨著中子技術的不斷精進，將在文物研究中有越來越廣泛的應用，為考古學和文化遺產保護領域帶來新的視角和方法。
（作者：陳潔、王聲翔、鄭榕，分別系中國科學院高能物理研究所研究員；副研究員；東莞研究部黨政辦宣傳干事。中國科學院高能物理研究所研究員敬罕濤，故宮博物院雷勇，廣東省博物館張歡對本文亦有貢獻。）
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