近日，高能所与故宫博物院合作，利用自主研发的曲面微区X射线荧光光谱仪（图1）在文物表面元素分析领域取得的新突破，实现了对曲面文物的表面自适应高精度荧光扫描成像。相关成果以“Applications of surface adaptive micro X-ray fluorescence scanner in cultural relics”为题，发表于《npj Heritage Science》期刊。
图1 曲面微区X射线荧光光谱仪
微区X射线荧光成像技术是一种高空间分辨率的物体表面元素无损分析技术，能够对物体表面扫描得到物体表面元素的分布情况，在文物表面分析领域已经取得了一些应用成果。然而，传统的微区X射线荧光成像系统的扫描模式大多局限于二维平面扫描。由于微区X射线荧光光谱仪中，探测器探测到的X射线荧光强度对探测器到物体表面的工作距离及入射X射线的入射角度较为敏感，传统的微区X射线荧光成像系统仅在扫描平面文物时，如平整的绘画作品等，能够获得较好的扫描结果。对于更为常见的表面不规则文物，平面扫描模式无法满足高精度大面积曲面扫描的需求，极大限制了微区X射线荧光成像技术在文物表面分析中的应用范围。
在此背景下，研究团队研发了一种表面自适应的微区X射线荧光光谱仪。该光谱仪集成了六轴机械臂与深度相机，具备对表面不规则文物进行高精度大面积自适应扫描的能力。其可实现三维轮廓捕获与路径规划，确保扫描中X射线始终垂直入射且工作距离恒定，并实时生成文物表面三维元素分布图。设备同时支持平面、曲面及360°环形扫描模式，适用于各类复杂形状文物。其开放式可移动设计突破了传统微区X射线荧光光谱仪对物体尺寸和扫描环境的限制，便于考古现场的原位分析。该设备目前已针对各类表面不规则文物进行了三维无损元素分析，在对故宫博物院的珐琅筒进行的曲面扫描实验中，研究团队利用该设备进行了高分辨率快速扫描，在不清除附着在珐琅筒表面纸张的前提下，以150微米的精度还原了纸张下的珐琅筒表面元素分布（图2）。除金属文物外，该研究团队针对古建筑表面脱落的彩绘易碎且维持古建筑表面轮廓等特点，在不展平彩绘的情况下，对原始的弯曲彩绘进行了大面积曲面扫描，展现了传统微区X射线荧光光谱仪不具备的大面积曲面扫描能力。在山西陶寺考古现场，研究团队利用该设备对套箱内的圭尺进行了原位扫描，并根据得到的三维元素分布，清晰的还原了圭尺表面彩绘图案。
图2 附着纸张的珐琅筒及其表面三维元素分布图
该曲面自适应微区X射线荧光光谱仪通过融合三维扫描与路径优化技术，成功解决了传统平面扫描对表面不规则文物的扫描障碍，在以上典型案例中实证了其对复杂曲面文物原位、无损、高精度元素分布成像的突破性能力。
高能所核技术应用中心许琼副研究员为论文第一作者，魏存峰研究员和故宫博物院曲亮研究员为共同通讯作者。相关工作受到国家文物局核技术应用与装备重点科研基地及全国考古人才振兴计划（编号：2024-281）资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s40494-025-01936-z
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