盧浮宮地下的粒子加速器
馮杰
2018年09月06日 08:33
小溪
《光明日?qǐng)?bào)》（ 2018年09月06日 14版）法國巴黎的盧浮宮博物館是世界上最古老、最大、最奢華的博物館之一。但很多人不知道的是，在盧浮宮庭院里貝律銘修建的著名的玻璃金字塔15米深處的地下，有一臺(tái)名為AGLAE的粒子加速器——世界上唯一一臺(tái)藝術(shù)專用的粒子加速器。粒子加速器發(fā)明于20世紀(jì)30年代，最初主要用于粒子物理研究。隨著科技的發(fā)展，回旋加速器、直線加速器、靜電加速器、倍壓加速器、電子感應(yīng)加速器等不同種類的粒子加速器被用于放射性醫(yī)學(xué)、放射性化學(xué)、放射性同位素制造、非破壞性探傷等領(lǐng)域。時(shí)至今日，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)全世界已有3萬多臺(tái)加速器，但其中用于粒子物理研究的只占一小部分，絕大部分加速器在各應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著獨(dú)特的作用。
AGLAE的來歷
文物中充滿了謎題：制造材料從哪里來？制造工藝是什么？如何保存和恢復(fù)？為了解決這些問題，盧浮宮博物館在1931年就建立了研究實(shí)驗(yàn)室，研究藝術(shù)品創(chuàng)作所涉及的材料和技術(shù)，例如生產(chǎn)方法、來源研究、認(rèn)證和保護(hù)等。
初期，光學(xué)顯微鏡、紫外線或紅外光或X射線照相等是實(shí)驗(yàn)室的“主要武器”。到了20世紀(jì)60年代，多種光譜技術(shù)被應(yīng)用于藝術(shù)品和考古物品的分析，包括紫外光譜法、X射線熒光光譜法，甚至是X射線衍射法。
盧浮宮博物館的藏品價(jià)值連城，加之藝術(shù)品所具有的獨(dú)特性（例如形狀與結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成分材料類別繁多、來源及歷史不明、保存狀況多樣化等），檢測技術(shù)只能首選那些非破壞性、非侵入性的技術(shù)手段來尋找答案。研究實(shí)驗(yàn)室的檢測設(shè)施通常要求將樣本放置在真空環(huán)境中進(jìn)行材料分析（這本身很可能具有潛在的破壞性），而研究人員常因真空室尺寸所限，無法研究較大的碎片。
由于藝術(shù)史學(xué)家提出的要求越來越高，要想準(zhǔn)確地回答他們提出的問題，需要更先進(jìn)的技術(shù)檢測手段，因此粒子加速器粉墨登場。出于安全性考慮，博物館藏品只能留在自己內(nèi)部的安全區(qū)域。于是，盧浮宮博物館在1982年決定在館內(nèi)配置一個(gè)專用的粒子加速器，這就是AGLAE。
身懷絕技的AGLAE
AGLAE的加速器采用的是NEC公司建造的串列式靜電加速器（型號(hào)6SDH2），總長度約27米，配備了兩個(gè)離子源，一個(gè)用于產(chǎn)生質(zhì)子和氘，另一個(gè)用于產(chǎn)生氦離子。該加速器建有兩條實(shí)驗(yàn)束線，一條通向真空室，而另一條稱為外光束線，無須任何取樣，不受真空室尺寸的限制，可直接分析任何大小和形狀的藝術(shù)品。離子被AGLAE加速至每秒20000-30000千米的速度后轟擊被檢物，隨后被檢物發(fā)射出不同的輻射，這些輻射由后端的探測器捕獲，數(shù)種技術(shù)相結(jié)合，對(duì)被檢物表層所含的微量化學(xué)元素進(jìn)行識(shí)別。由于配置了聚焦系統(tǒng)，到達(dá)被檢物的粒子束流直徑只有20微米左右（僅相當(dāng)于半根頭發(fā)絲的粗細(xì)），對(duì)被檢物沒有破壞性。
AGLAE的安裝從1984年開始，1988年6月正式投入使用，成為解決博物館研究難題的主要技術(shù)手段。
研究人員利用AGLAE解開了古代文物的許多秘密，驗(yàn)證它們的真實(shí)性。通過測定文物上油漆的痕跡，研究玻璃、金屬和陶瓷的精確化學(xué)成分，識(shí)別文物的構(gòu)成，由微量元素的組成還可識(shí)別出具有這種成分的礦物是在哪里開采的，確定文物的來源及年代，深入了解它的制作工藝和老化機(jī)制，對(duì)文物的保存和修復(fù)有重要的參考意義。
曾在AGLAE擔(dān)任科學(xué)顧問的讓-克勞德·德蘭認(rèn)為AGLAE非常強(qiáng)大、非常精確，對(duì)微量元素非常敏感，特別適用于藝術(shù)品和考古文物的檢測。
AGLAE的物理學(xué)家及工程師們通常需要與藝術(shù)史學(xué)家攜手合作進(jìn)行研究。他們用AGLAE分析文物由什么材料制成，并驗(yàn)證它們的真實(shí)性（一個(gè)物體所包含的元素的數(shù)量和組合可作為一個(gè)指紋，暗示了礦石被開采的地方，以及該物品被制成的時(shí)間），例如他們檢查法國政府送給拿破侖？波拿巴的劍鞘是否真的是用純金鑄造的。
AGLAE還用來研究玻璃、金屬和陶瓷藝術(shù)品。例如，某種古代陶瓷當(dāng)它被點(diǎn)燃時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出一種金屬光澤。帕切科團(tuán)隊(duì)用AGLAE來確定這種陶瓷碎片中的元素，了解了這種陶瓷的起源。這項(xiàng)技術(shù)最早出現(xiàn)在9世紀(jì)時(shí)古希臘的美索不達(dá)米亞，后來曾遍布地中海區(qū)域，但在17世紀(jì)時(shí)卻大部消失了，只有西班牙的一些陶工仍然延續(xù)著這一傳統(tǒng)手藝。用AGLAE為這種陶瓷在各時(shí)間段、各產(chǎn)地制作了詳細(xì)的“身份證”，使每件這種陶瓷的產(chǎn)品產(chǎn)地與年代清晰可查。
升級(jí)改造后功能更強(qiáng)大
AGLAE已經(jīng)運(yùn)行了將近30年。技術(shù)方面，AGLAE存在一些局限性：它無法用于分析易碎材料，如油漆中的有機(jī)或無機(jī)生物材料，會(huì)被粒子束明顯改變性質(zhì)；它無法用于研究繪畫類文物，因?yàn)榱Ｗ邮鴷?huì)引起顏料顏色的變化，有損傷繪畫的風(fēng)險(xiǎn)；它每天只能運(yùn)行8-10個(gè)小時(shí)，限制了外界用戶、法國和整個(gè)歐洲的用戶的使用。大家都在說：AGLAE太需要一次徹底的改造了。
法國國家科學(xué)研究中心、法國博物館研究與修復(fù)中心和巴黎高科國立高等化學(xué)學(xué)校決定合作進(jìn)行AGLAE的升級(jí)改造，由巴黎市和法國文化部共同資助，總經(jīng)費(fèi)為210萬歐元。
2016年夏季，老的AGLAE被拆除了，房屋的輻射防護(hù)得到加強(qiáng)，儀器設(shè)備進(jìn)行了重新組裝和改造。從老AGLAE到新AGLAE，充滿了技術(shù)上的挑戰(zhàn)，也充分體現(xiàn)了創(chuàng)新與協(xié)作。
完成升級(jí)改造的AGLAE已于2017年11月23日開始正式運(yùn)行。新AGLAE總長37米，增加了使光束線穩(wěn)定的磁鐵，配置了更靈敏的多類型組合探測器，其空間分辨率、光束穩(wěn)定性和多粒子檢測能力大大提高，大幅度降低了對(duì)受檢文物及藝術(shù)品的輻射劑量，十分有利于敏感材料的分析，如油漆層（包括有機(jī)黏合劑）等，不再會(huì)有被破壞的風(fēng)險(xiǎn)，也可解決原來受到限制的繪畫類文物的研究問題。新AGLAE可以24小時(shí)不停歇地工作，它的光束線運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)化，有助于滿足法國其他博物館以及外國研究人員日益增長的研究需求。
首批接受新AGLAE檢測的藝術(shù)品是一批古羅馬的銅雕像。這些雕像1969年在鄰近比利時(shí)邊界的巴維古羅馬城鎮(zhèn)廣場出土，當(dāng)時(shí)在一個(gè)麻袋里發(fā)現(xiàn)了370多件被嚴(yán)重腐蝕的青銅制品，很可能是羅馬帝國成立之初至大約3世紀(jì)的古文物。新AGLAE的檢測可以提供一些線索來確定這些神秘寶物的起源地、制作技術(shù)等。
AGLAE作為世界上第一臺(tái)完全致力于文化遺產(chǎn)的粒子加速器，不僅是盧浮宮博物館的掌上明珠，也是“歐洲未來設(shè)施路線圖”中“歐洲遺產(chǎn)科學(xué)研究基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目”的科學(xué)支柱之一。