古代彩绘颜料的同步辐射辐照损伤效应及机理研究

Advanced synchrotron radiation is a powerful tool in archaeological research. But synchrotron radiation damage has somewhat prevented many synchrotron radiation applications in archaeology. In this study, using synchrotron beam as the radiation source, the structure changes of the common painting pigments, from miliseconds to minutes, will be probed by time resolved XAFS and time resolved FTIR. Through the analysis of their time resolved electronic structure, local atomic structure and molecular structure, the damage mechanism will be investigated. Thus, the relations of radiation damage effects to the composition of the pigments, radiation dose and the radiation time could be established. And that will provied a basic criteria for choosing the synchrotron radiation method and the radiation dose so as to aviod the damage during a synchrotron radiation experiment.

先进同步辐射技术是文物考古分析的有力工具，但同步辐射的辐照损伤又在一定程度上阻碍了其在文物考古中的应用。本研究针对常用的古代彩绘颜料，采用同步辐射X射线作为辐照光源，利用时间分辨的XAFS和时间分辨的红外光谱（FTIR）两种主要方法，捕捉辐照效应引起的毫秒、秒乃至分钟量级的物质结构的动态变化，从原子、分子的结构层次探讨古代彩绘颜料中无机矿物成分和有机胶粘剂的同步辐射辐照损伤效应及机理，试图建立同步辐射辐照损伤效应与颜料成分、辐照剂量以及辐照时间的关系，为彩绘文物的同步辐射X射线分析在方法选择、测量时间以及辐照剂量控制等方面提供基础的实验参数及理论依据。

高强度、高亮度的同步辐射光是文物考古科学研究的强大工具，但同步辐射光对珍贵文物的辐照损伤在一定程度又阻碍了其应用研究。彩绘颜料通常由无机矿物颜料和有机胶粘剂混合而成。无机矿物颜料性能相对比较稳定，相比而言，有机胶粘剂更易受到高强度的同步辐射光的辐照损伤而产生可见的宏观颜色变化和微观的分子结构的改变。本研究利用上海光源动力学研究线站的红外和X射线耦合实验系统，用同步辐射X射线作为辐照光源，原位研究了纯兔皮胶以及兔皮胶和氧化锌混合物两种模拟样品在不同X射线能量下的辐照损伤效应。研究发现，对于纯兔皮胶，低能X 射线的辐照损伤效应更严重，能量越高损伤越小；对于兔皮胶和氧化锌混合物样品，X射线能量在Zn边附近时的辐照损伤效应更严重，能量远高于Zn吸收边时辐照损伤效应较小。相较于纯的兔皮胶，无机颜料的加入显著增大了样品的吸收剂量，导致有机胶粘剂辐照损伤效应明显增强。总体来说，X射线对有机胶粘剂的损伤效应随辐照时间的增加越来约明显。该研究表明，在开展同步辐射XRF、XRD、XAFS以及micro-CT等分析时，根据彩绘文物颜料成分和分析方法的不同，通过X射线能量的选择避开主含量元素吸收边，或者通过快速时间分辨技术的选择减少采集时间，均可以有效降低文物样品的吸收剂量，降低的辐照损伤。