0 引言

自德国物理学家威廉·康拉德·伦琴（Wilhelm Conrad Röntgen）于1895年发现X射线后，X射线成像技术很快被用于医学和考古界。伦琴发表的第一张X光片是一人手，其骨节和所带戒指清晰可见，于1896年发表在Nature杂志上^[1]。

X射线（X-ray），又称X光，也称作伦琴射线，是一种波长范围在0.01~10 nm之间的电磁波，具有很强的穿透能力，对人体有危害。当X射线射入物体时，一部分被物体吸收，一部分被散射，从而导致其穿过物质时产生衰减。物体因质地、厚度、密度不同而对X射线吸收能力不一，从而导致其穿过物体后的衰减程度不同。X射线探测最普通的方法是照相底板法:透过物体的X射线照射到底板上，经显影后保留黑色，而没有X射线照射（即被物体吸收）的底片部位经显影后是白色，这样透过物体后衰减程度不同的X射线在底板上形成黑度不一的影像。

X射线成像系统如图1所示:由高压激发的射线源所产生的X射线穿过物体后，其衰减X射线使照相底片感光，经暗室洗片（显影和定影）后显现黑度不一的影像。一件器物因其不同部位的材质、结构、密度等的差异，所映在X光片上的黑度不同。材质原子质量越大、器壁越厚、密度越高的部位黑度越低。

传统的X射线成像技术（又称X射线探伤）成像于底片上，只适用于平面，对于具有复杂器形的器物难以实现不同角度的成像，对于具有空腔的对称器物（如青铜礼器）则难以区分开两面的特征。工业X射线计算机断层扫描（X-ray computed tomography，X-CT）系统的出现解决了这一问题。

工业X-CT系统是由英国电气工程师Godfrey Hounsfield于1972年首先应用于医学图像上的，凭借这项发明他获得了诺贝尔医学奖^[2]。CT是X射线多角度、多层次穿透目标，可360°无死角成像，所获取目标的结构构造信息更加详细。成像后可以任意角度进行图片切割，观察任意断面的结构。

X射线成像技术在文物研究中的应用始于1896年（被用于宾夕法尼亚大学的一件秘鲁的木乃伊上^[3]），之后便很快被用于绘画检测与金属器物、古陶瓷的制作技术分析^[4]。20世纪中叶，Gettens采用X射线成像技术对美国弗利尔美术馆藏中国青铜器进行了铸造技术分析，首次揭示了铸接、焊接等工艺在中国古代青铜器上的应用^[5]。近年来，日本学者对泉屋博古馆藏大量珍品中国青铜器进行了工业X-CT研究，解析其铸造技术^[6-7]，这对中国青铜器制作工艺的研究具有重要意义。

X射线穿透能力强，可看到肉眼和显微镜下发现不了的器物内部结构（如包裹物、缺陷、材质的异同、不同部位的连接方式等）。X射线成像技术在科技考古和文物保护研究领域的应用主要表现在三个方面:1）实验室微发掘，以推测被泥土包裹的器物的材质和保存现状; 2）文物保存状况解析，以探明器物保存现状和修复历史; 3）文物制作工艺研究，来研究器物的制作工艺、内部结构、缺陷、裂纹以及各附件之间的连接方式等。

本文以考古发掘出土的实物和博物馆藏器物为例介绍X射线成像技术在这三个方面的应用，为文物的深入和全面研究提供指导，为馆藏文物的保护和保存提供建设性建议。

需要指出的是，如对中国青铜器的制作年代存疑，在采用X射线成像技术对该器物进行分析之前需要设法提取泥芯样品，以备采用陶瓷断代方法——热释光或光释光对其进行断代分析之需。

1 实验室微发掘

考古发掘现场出土的遗物往往支离破碎且混杂着土壤，经常需要整体提取，再运回实验室进行微发掘（图2）。由于遗物被泥土包裹，材质情况不明，到了实验室以后文保工作者往往也不知道如何开始清理工作，因此第一步就需采用X射线成像来判断遗物形貌和可能的材质。如图3所示，肉眼很难断定左边由泥土和锈蚀物包裹的残件是何物，而其X光片清晰地显示了一个金属容器的铁口沿和铁环首提梁，且环首提梁是实心的，密度比口沿高，表明提梁比口沿的金属厚或保存状况更好。X光片提供的信息是科技分析被提取样品的重要依据。

2 文物状况解析

博物馆的文物，特别是在展器物，表面看上去都保存完好，可研究却发现很多器物破损严重，经过修复和做旧才呈现出现在的状况。中国传统的修复理念是将器物修复得天衣无缝，肉眼很难看出修复痕迹。笔者在大英博物馆多年的工作经历中发现了诸多的例子，如图4中的赵孟壶^[8]，表面看上去完好无损，很坚实，可X光片却显示其所有部位都破损严重，特别是在器物下方有缺失的地方，是用树脂之类的轻质材料填充的，然后表面上色，非常逼真，以至于肉眼看不出来修复痕迹。

又如邢侯簋（图5），保存状况很差，肉眼可见很多锈蚀坑，而X射线成像发现其实际状况更糟。器物由四个半环耳分成四个扇面，每个扇面上有一个抽象的大象图案。X光片显示在一个扇面上有两条细微的焊线，说明可能是修补的。用X射线荧光光谱仪进行表面成分分析后发现这个扇面的材质是黄铜而非原始的青铜^[9]，说明这个扇面破损缺失了，修复工匠是在保存完好的扇面上翻模做范，用黄铜制作了一片焊接上去的，然后再上色做旧，看上去非常逼真。

图6所示的是出土于英国东约克郡Garton火车站附近的铁器时代的一把铁剑，此剑于20世纪80年代入馆，经表面清理后放在一个具有硅胶干燥袋的塑料盒子中，并经常更换硅胶干燥袋。在2006年进行馆藏文物状况普查时，经对比表面照片没有发现明显变化，但比较20世纪80年代（图6b）和2006年（图6c）拍摄的X光片后发现，在馆藏环境中储藏了20年后铁剑的锈蚀坑变得更深，裂纹更加明显。铁器缓慢劣化应该是由于湿度没有控制得足够低。如果不能被妥善保存或展陈，器物最终会锈蚀脱落，崩溃成渣。

3 文物制作工艺研究

器物往往由多个部位组成，但表面打磨等处理手段使得各个部位的连接痕迹消失或被掩盖，X射线成像是探索器物构造方式的重要手段。康侯簋的一张X光片（图7b）显示其半环耳是先铸再嵌入到器体的泥范里，当浇铸器体的金属凝固时环耳就被牢牢粘接上了，另一张X光片（图7c）则显示其底部垫片对称地分布在圆形底部外围，巧妙地避开了中间的铭文。图7b的X光片还显示了在器身上部口沿处有许多铸造气泡（黑色圆孔），推测康侯簋是正铸的，这同普遍认为的中国古代大型青铜容器的倒铸不同。可能是因为底部有铭文，而工匠已经知道了金属凝固过程中气泡上移的道理（如倒置铸造，气泡会聚集在底部），为避免气泡对铭文形成干扰，就有意识地采用了正置浇铸。但在口沿处没有发现任何浇注口打磨的痕迹，圈足和底部也没有任何浇注口、冒口痕迹，所以无法确定器物到底是怎样浇铸的。

图8所示的是一件大英博物馆藏战国时期的青铜飞兽^[10]，其表面看不出任何具有块范铸造特征的范线，又没有相似的器物可以参考，从而引起了学者对其制作年代的争议，有人认为这是宋代的产物^[11-12]。为此笔者进行了科技分析，对器物的制作工艺、合金成分和表面装饰技术等做了详细的研究^[10]。其X光片显示器物由三部分组成:身体和四肢、头部、尾巴。头部和身体之间有较厚的金属，是铸接的结果，为了使两部分连接牢固可能在内部加了金属隔板，然后进行铸接的。如果头部和身体是浑铸的，颈部这里不应该有这样一块厚金属，但有可能是发生了铸造缺陷而补铸的。尾巴是插入到身体的。成分分析表明器体和头部都是青铜，而尾巴合金成分含锌，判断可能是后期修补的。器物上的大量芯撑（图8右图箭头所指孔洞）表明其是块范制作的，为典型的青铜时代的工艺。根据制作工艺和合金成分可以判断这是一件青铜时代的产物。

图9所示的是一把大英博物馆藏具有富锡菱形花纹装饰的同心圆剑首越国剑，其CT影像显示该剑为铸接结构、三节式制作完成。同心圆剑首和剑身分开铸造而成，将二者摆成一条线，中间留有一定间距，在其周围制作剑格范，浇铸剑格的熔融金属凝固后就将事先制作的剑首和剑身连接在一起^[13]。剑身制作巧妙，在剑柄处对称的两侧各有一榫，保证剑身和剑格的牢固结合。丁忠明等对三件山东新泰出土的此类同心圆剑首连接技术采用CT技术进行了研究，发现一把为浑铸，两把为铸接结构，铸接结构的两把又分为2段式和3段式铸接^[14]。类似的剑在很多博物馆都有收藏，它们表面看上去相似，但其制作工艺可能各不相同，唯有通过CT成像才能确定其制作工艺。

图10所示的是侯马陶范残片的CT影像:可以看到陶范G5H3:1009有明显的面层和背层分界; H17:1012上的纹饰层和侧壁是堆塑在背范上的; H17:1013有四层结构，其中面范下面的那层穿插到了其上、下两层，最外层含大量纤维质材料且相当疏松多孔; H15:2002是一件泥芯残块，其主体疏松多孔，表面材质细腻，以确保铸造器物内表面光滑从而省去铸后打磨工序。众所周知，中国古代青铜铸造采用的泥范由面范和背范组成，但之前还没有关于发现多层结构泥范的报道。H17:1012上的纹饰层贴片体现了纹饰范片的间接应用法^[15]在陶范制作上的应用。由此推断保存较好的背范可能被反复使用，这样减少了陶范制作中耗材和人工的使用。陶范H17:1013中的多层结构是否说明了其面范被多次修整或添加，这样背范经多次使用?这种现象是个例还是具有代表性?仅凭一件样品尚无法回答这些问题，需要对更多的陶范进行研究。

4 结语

本文以诸多实例解析了X射线成像技术在实验室微发掘、文物状况研究以及文物制作工艺研究中所发挥的作用，揭示了大英博物馆收藏的一些重要中国青铜器（包括著名的康侯簋、邢侯簋、赵孟壶）不为人知的修复历史和现状以及复杂器物不同部件的制作工序和连接方式等，首次披露了侯马陶范的复杂结构。X射线成像技术，包括X射线探伤和工业X射线计算机断层扫描（X-CT）是科技考古和文物保护研究的一个重要手段，在考古研究中应用前景广泛，可对几乎所有材质的文物进行无损检测，为文物保护和保存提供建设性建议，为文物制作技术的解析提供重要科学数据，为深入研究文物提供指导（如可根据器物的状况决定是否取样，在必要时怎样取样才能在对器物造成最小损伤的情况下而获得最大的信息量），从而为重要的考古问题提供答案。

致谢:青铜器X光片和CT影像是作者本人在大英博物馆的工作成果，部分CT影像在大英博物馆科技部同事帮忙下获取。侯马陶范样品由中国科学院自然科学史研究所苏荣誉教授提供，CT影像由上海博物馆文物保护科技中心丁忠明研究馆员提供。侯马陶范研究由国家自然科学基金项目（52072220）资助。

参考文献