基于X射线K-吸收边的书画文物颜料成像方法及其应用技术

本申请提出了基于X射线K

【技术实现步骤摘要】
基于X射线K
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吸收边的书画文物颜料成像方法及其应用


[0001]本申请涉及X射线
，特别是一种涉及基于X射线K
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吸收边的书画文物颜料成像方法及其应用。

技术介绍

[0002]书画文物是一种宝贵的历史文化遗产，它们是人类精神文明的体现。文物保护工作者常使用各种现代技术来检测书画文物，以了解它们的内部结构和成分，以及制作过程。了解书画文物包含的颜料种类和分布情况对文物保护尤其重要。了解书画的颜料种类可以帮助文物保护者掌握书画文物的成分，进而方便采取不同的修复和保存方法。另外，颜料的成分可以帮忙文物专家鉴定文物的真假。如果在古代书画文物的颜料中发现了现代的化学成分，则该艺术品大概率是赝品。由于颜料可能存在重叠现象，颜料在纸张上的分布可能不同于表面色彩的分布。书画的颜料整体分布情况可以帮忙文物专家获得不同于表面色彩的信息。此外，书画的内层有时会隐藏着丰富的信息，因为艺术家有时会先在画布上画一层颜色较轻的画作为草稿再用厚颜料绘画。少数特殊情况则是艺术家重复使用画布，在这种情况下画布表面所呈现的画后面其实还隐藏着一幅画。对于文物保护和修复来说，一种能够快速获取元素在书画文物二维平面上的分布情况是必不可少的。
[0003]由于X射线可以穿透大部分文物，能够获得可见光无法发现的信息，自从它诞生起X射线就常被用于文物的无损检测。尽管文物工作者广泛使用X射线透视成像技术检测书画文物，但是传统的X射线透视成像具有一定的局限性。书画文物中的所有物质都会对吸收X射线贡献，书画文物对X射线的吸收主要由颜料中的重金元素贡献，而那些原子序数较低的元素的信息会被重金属元素覆盖。书画中常见颜料的主要化学成分比如，朱红色颜料的主要成分是硫化汞（HgS），而锌白的主要成分则是氧化锌（ZnO）。
[0004]传统的X射线透射成像技术无法实现书画中单个元素的分布成像，也就无法针对某种单一颜料分布进行成像。利用X射线荧光分析（X
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Ray Fluorescence，简称XRF）技术可以检测书画中包含的金属元素。近年来随着分析仪器和数据处理软件的发展，科学界发展出了广域X射线荧光扫描成像技术（Scanning Macro X
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Ray Fluorescence Imaging, 简称 MA
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XRF）。利用MA
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XRF可以针对单一元素进行成像，但MA
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XRF成像的图像分辨率受限于X射线束流的宽度。MA
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XRF成像只能逐点扫描检测，成像速度较慢。另外，MA
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XRF成像需要利用晶格衍射技术分离出单能X射线或者使用同步辐射光源获得单能X射线光源，操作技术复杂，难以在博物馆推广使用。
[0005]目前主流方案X射线荧光分析技术（XRF）通过激发待测样品的元素成分来实现对其元素成分的定性和定量分析。
[0006]广域X射线荧光扫描成像（MA
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XRF）则在XRF的基础上，通过逐点扫描待测区域进行成像，获得单个元素的分布图像信息。一般来说，MA
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XRF采用的X射线源光斑大于100。MA
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XRF将高能量的X射线打到文物上，文物上的颜料由于包含金属元素会激发出金属元素的特征X射线。特征X射线来源于原子的内部电子的从能量较高的轨道跃迁到能量较低的轨道时
辐射出的光子，辐射光子的能量恰好等于两个轨道之间的能量差。因此，原子受激发时辐射出的X射线反应了原子内部的结构特征，每种元素都有自己特定的特征X射线。MA
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XRF利用书画受X射线照射时激发的特征X射线来分析书画颜料中包含的元素。MA
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XRF检测的具体方法如下：将X射线管发射的X射线入射到待检测书画样品中，激发样品中各元素的特征X射线。利用分光晶体和布拉格衍射原理，将不同波长的X射线分开。用X射线探测器记录经晶体分光后的特定波长X射线光子。然后根据探测器记录的该特定波长X射线的强度，计算与该波长对应的元素的分布情况并成像。MA
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XRF成像技术的示意图见图1。
[0007]由于受激辐射的特征X射线在各个方向都会发射，为了避免不同检测点之间出现互相干扰，MA
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XRF只能对样品进行逐点扫描，因此成像速度慢。MA
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XRF采用大斑点的X射线光源，然而X射线束流尺寸过大会影响成像的清晰度，另外，X射线光源的能谱是连续谱，其能谱可能包含被检测元素特征X射线的能量，因此对于特征X射线探测来说，X射线源的连续能谱会对特征X射线探测造成干扰，这会降低成像的清晰度。
[0008]获得元素对应的单能特征X射线，需要采用分光晶体分离出特定能量的X射线，这增加了技术操作的难度。使用MA
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XRF做定量分析时，需要提前使用标准样品进行定标测量，因此MA
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XRF做定量分析时需要提前对每种颜料的标准样品做测量。
[0009]因此，亟待一种实现对书画颜料快速成像的基于X射线K
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吸收边的书画文物颜料成像方法及其应用，以解决现有技术存在的缺陷。

技术实现思路

[0010]本申请实施例提供了基于X射线K
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吸收边的书画文物颜料成像方法及其应用，针对目前技术存在的成像速度慢、技术难度高等问题。
[0011]本专利技术核心技术主要是采用高能量分辨的X射线探测利用每种元素固定的X射线K
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吸收边对书画颜料分布进行成像，帮助文物收藏者和文物修复师了解各种颜料在书画上的分布情况。当X射线照射到书画文物上时，X射线光子和书画上的物质发生相互作用，部分X射线被书画吸收，X射线的强度发生衰减。物质的X射线衰减的能力通常用该物质的线性衰减系数或者质量衰减系数表示。质量衰减系数乘以该物质的密度便是该物质的线性衰减系数。各种元素的质量衰减系数的实验测量值和理论值现在都是已知的，可以在NIST的网站查询或者利用XCOM软件计算。利用每种元素具有特定K
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吸收边的特点，结合高精度能量分辨的X射线探测器，可以现实速快且具有高空间分辨率的颜料分布成像。
[0012]第一方面，本申请提供了基于X射线K
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吸收边的书画文物颜料成像方法，所述方法包括以下步骤：S00、通过X射线照射待检测书画文物，进行扫描透射测量；其中，部分X射线管发射出的X射线穿过待检查书画文物后会到达探测器，利用X射线探测器探测X射线并记录其强度，每个像素点的数据对应书画文物中的一个扫描点位。
[0013]S10、测量X射线在K
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吸收边上边缘和下边缘处的透射率；S20、移动承载待检测书画文物的载物台，将X射线照射到待检测书画文物的下一个扫描位置，并重复S00
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S10步骤，直至完成对待检测书画文物全部面积的扫描测量；S30、根据扫描测量结果、所需检测的感兴趣元素以及每个感兴趣本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于X射线K
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吸收边的书画文物颜料成像方法，其特征在于，包括以下步骤：S00、通过X射线照射待检测书画文物，进行扫描透射测量；其中，部分X射线管发射出的X射线穿过待检查书画文物后会到达探测器，利用X射线探测器探测X射线并记录其强度，每个探测器单元的数据对应书画文物中的一个扫描点位；S10、测量X射线在K
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吸收边上边缘和下边缘处的透射率；S20、移动承载所述待检测书画文物的载物台，将X射线照射到所述待检测书画文物的下一个扫描位置，并重复S00
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S10步骤，直至完成对所述待检测书画文物全部面积的扫描测量；S30、根据扫描测量结果、所需检测的感兴趣元素以及每个感兴趣元素K
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吸收边对应的能量值，计算每个扫描点位的感兴趣元素的面密度；其中，每个感兴趣元素K
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吸收边对应的能量值为已知数据，所述面密度定义为感兴趣元素的密度和厚度的乘积；S40、根据每个扫描点位的感兴趣元素的面密度，以图片的形式展示所需检测的感兴趣元素在书画文物上的分布情况。2.如权利要求1所述的基于X射线K
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吸收边的书画文物颜料成像方法，其特征在于，S00步骤中，所述X射线探测器为硅半导体探测器阵列。3.如权利要求2所述的基于X射线K
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吸收边的书画文物颜料成像方法，其特征在于，S00步骤中，所述硅半导体探测器阵列包括100*100个探测器单元，且每个探测器单元的尺寸为100
µ
m*100
µ
m。4.如权利要求1
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3任意一项所述的基于X射线K
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吸收边的书画文物颜料成像方法，其特征在于，S30步骤中，每个扫描点位的感兴趣元素的面密度的具体计算步骤为：在不同能量的X射线下做两次X射线投影透射率测量；其中一个能量取高于感兴趣元素的K
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吸收边的能量值，另一个取低于感兴趣元素的K
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吸收边的能量值，且两个能量值能够约等于为同一能量大小；将感兴趣元素对透射率的贡献从待检测书画中分离，并根据X射线的能量、感兴趣元素的质量衰减系数、X射线光子在每个扫描点位的透射率计算出感兴趣元素的面密度；其中，透射率是关于能量的函数，透射率和感兴趣元素的质量衰减系数成正比，且透射率和感兴趣元素的面密度也成正比。5.如权利要求4所述的基于X射线K
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【专利技术属性】
技术研发人员：潘仁奇，沈炜，丁帅斌，岳晓光，沈锴，
申请(专利权)人：杭州宇称电子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：