X射线衍射仪和扫描电镜对石雕风化物的光谱解析.docVIP

X射线衍射仪和扫描电镜对石雕风化物的光谱解析 　　作为世界物质文化遗产的云冈石窟位于东经113°20′，北纬40°04′，至今已经有 1600 余年的历史。石窟依武周山南麓开凿，东西绵延一公里，现存主要洞窟53个，大小造像51000余尊。遗憾的是，经风吹雨淋、烈日暴晒或人为破坏，发生了严重的风化腐蚀，石雕内容模糊，以至失去了原来的价值。因此，在对石窟的风化调研和分析检测过程中，应尽量减少对已经很脆弱的石雕本体造成损害或破坏，尽可能地采用无损或微损的技术方法。 　　本文使用可实现快速而且微损检测的X射线衍射仪和扫描电镜对石雕风化物进行光谱解析，并在实验结果的基础上得出可隔绝雨雪的保护性窟檐是适用于云冈石窟的修护方法。 　　1、 实验仪器及原理 　　1.1 X射线衍射仪 　　实验所用X射线衍射仪（XRD）为德国布鲁克公司生产的D8系列中的Advance仪器，主要用于常规衍射分析。它的设计精密，硬件、软件功能齐全，能灵活地适应物质微观结构的各种测试、分析和研究。其基本组件由高稳定度X 射线发生器、精密测角台、X 射线强度测量系统和配备专用软件的计算机系统这四个部分构成。使用样本量0.1g即可，对于石质文物的检测而言，属于微损分析。我们使用石雕风化物样品，对样品研磨后过200目筛子就可以进行X射线衍射实验了。 　　X 射线光电子能谱分析（X-ray PhotoelectronSpectroscopy，XPS）技术的原理是：首先让X 射线去辐照样品，使其在样品表面发生光电效应进而产生光电子。接着对出射光电子能量的分布进行分析，并得到电子结合能的分布信息，最终实现对表面元素组成及价态的分析。XPS是一种针对物质表面的分析方法，提供的是样品表面的元素含量与形态，而不是样品整体的成份，其信息深度约为1~3 nm。 　　它由连续谱和标识谱组成，两者是重叠在一起的，其中，连续谱是由电子在金属靶上减速而产生的，标识谱是由于能量足够高的加速电子把原子内壳层电子轰出之后，邻近壳层的电子跃迁到此空穴成为内壳层电子时发出的谱线。由于标识谱的波长取决于金属靶的材料，一定波长对应一种元素，所以利用标识谱可以得到元素的种类。衍射花样的特征由两个方面组成：一是衍射线在空间的分布规律，取决于晶胞的大小、形状和位向。二是衍射线束的强度由原子的品种和它们在晶胞中的位置决定。 　　1.2 扫描电子显微镜 　　扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）的工作原理是用一束高能的极细电子束扫描样品表面，通过电子束与样品的相互作用，在样品表面激发出次级电子，而次级电子的多少与电子束的入射角即与样品的表面结构有关。由探测体收集次级电子并转化为光信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出按时序建立的扫描图像。图像虽然为立体形象，但反映的是样品的表面形貌结构。S4800型扫描电子显微镜的工作原理是采用冷场发射钨丝电子枪，电子枪发出电子束，电子束经加速电压加速后，通过三组电子透镜，缩小束斑并形成聚焦良好的电子束，在扫描线圈的磁场作用下，入射到样品表面并在表面按一定的时间、空间顺序作光栅式二维逐点扫描，入射电子与样品表面相互作用产生的二次电子等信号，由样品旁边的检测器接收，携带样品信息送入视频放大器放大，之后加到显像管的栅极上，以控制显像管的亮度。由于显像管的偏转线圈和电镜镜筒中扫描线圈的扫描电流是严格同步的，所以由检测器对样品表面逐点检测的信号与显像管上相应点的亮点是一一对应的，从而在荧光屏上呈现出放大了的样品表面图像，供观察研究和照相记录用。此外，分析过程中，获得形貌放大像后，同时还可以进行原位化学成份或晶体结构的分析，它可以提供包括形貌、成分、晶体结构及位相等丰富的资料，一次实验就能够全面、客观地进行判断分析。实现此功能的器件一般与扫描电镜配套称为：扫描电子显微镜——电子探针多种分析功能的组合型仪器，而得到的能量分散谱（EnergyDispersive Spectroscopy）一般简称为能谱（EDS）。 　　2、 样品的采集和制备 　　依照石窟形制、造像内容和样式的发展，可分为早、中、晚三期。在不破坏文物的前提下，分别从云冈石窟三个时期的石窟外壁距离地面1m处，选择25 cm × 25 cm的区域，采集三小份风化样品，在玛瑙钵中均匀研磨后研磨后过200目筛子作为一个样品。 　　此外，采用钻孔取芯机在不影响云冈石窟外观原貌的隐匿处（第4窟与第5窟之间的龙王庙沟沟西崖壁上）钻取梯度风化样品，水平钻孔处离地面高约1.5 m，钻头粗约10 cm，孔深为15 m。接着在岩心上取样品并如上述方式研研磨并过200目筛子制样。 　　3、 实验结果与分析 　　3.1 X射线衍射光谱分析 　　利用XRD对不同开凿时期的石窟石雕风化