论文标题：Development of a Macro X-ray Fluorescence (MA-XRF) Scanner System for In Situ Analysis of Paintings That Operates in a Static or Dynamic Method

论文链接：https://www.mdpi.com/2412-382X/8/4/26

期刊名： Quantum Beam Science

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/qubs

一、引言

绘画文物承载着丰富的历史信息，但其层叠的颜料、修改痕迹和隐藏底稿往往肉眼难辨。宏区X射线荧光光谱（MA-XRF）作为一种无损元素成像技术，能够非接触地揭示画作中铅、铜、汞、铁等颜料元素的二维分布，已成为艺术史研究与文物保护的核心工具。然而，这一技术长期面临一个两难选择：追求高空间分辨率则必须让扫描头在每一点停留足够时间，导致大面积成像耗时过长；而加快扫描速度又往往因机械振动和信号积分不足而牺牲图像清晰度。针对这一矛盾，最新发表在Quantum Beam Science上的论文Development of a Macro X-ray Fluorescence (MA-XRF) Scanner System for In Situ Analysis of Paintings That Operates in a Static or Dynamic Method提出了一种创新解决方案——一套可灵活切换静态与动态工作模式的原位MA-XRF扫描仪系统，实现了“鱼与熊掌”的兼得。

二、材料与方法

该研究团队从硬件构造与扫描策略两个层面进行了系统设计。整套扫描仪由微焦斑X射线源、高性能硅漂移探测器、三维精密运动平台及自行编写的控制软件组成。其核心创新在于通过软件算法对运动与信号采集时序进行了深度重构，实现了两种互补的工作模式：

静态模式：扫描头采取“停-走”方式，在每一像素点完全静止，信号积累充足后再步进至下一位置。这一模式从根源上消除了运动带来的机械模糊，能够将空间分辨率推进至百微米量级，适合对签名、笔触叠压边界等关键细节进行精雕细刻。

动态模式：扫描头以恒定速度连续移动，探测器在此期间不间断采集信号，并通过精确的位置编码将信号分配至对应的像素网格。该方法极大压缩了无效等待时间，适于快速获取整幅画作的全景元素分布图。

两种模式共享同一套硬件平台，操作者仅需通过控制界面进行一键切换，并根据分析需求设定行进步长、停留时间或扫描速度等参数，即可在“高精度”与“高效率”之间自由调配。

系统图

三、分析与结果

论文利用模拟油画样品和真实绘画残片对系统性能进行了测试。在静态模式下，对含铜和汞元素的叠层样品进行扫描，获得的元素分布图显示出清晰可辨的线条结构，空间分辨率可达数百微米，能够反映底层笔触细节。在动态模式下，对一幅约30×40 cm²的绘画片段进行全幅扫描，得到的铅和汞元素分布图识别出了表面颜料下的早期构图痕迹。测试数据显示，与静态模式相比，动态模式在缩短扫描时间（缩短比例约60%）的同时，空间分辨率仅出现约5%以内的退化，其主要原因是运动过程中的位置匹配算法有效控制了有效点扩散。

四、展望

论文指出，该双模式MA-XRF扫描仪的设计使其可直接在博物馆或考古现场对绘画作品进行原位分析，无需将文物搬运至实验室。在探测器性能和X射线源亮度进一步提高的情况下，未来有望在更短时间内完成大幅面绘画的高空间分辨率元素成像，并可能拓展至宏观X射线吸收光谱等联用技术，为建立多维度的文物数字档案提供支持。科技与艺术的交叉融合，正在让我们与历史之间的距离，前所未有地缩短。

引用格式：

Freitas, R.P.d.; Oliveira, M.A.d.; Oliveira, M.B.d.; Pimenta, A.R.; Felix, V.d.S.; Pereira, M.O.; Gonçalves, E.A.S.; Grechi, J.V.L.; Silva, F.L.e.; Carvalho, C.d.S.; et al. Development of a Macro X-ray Fluorescence (MA-XRF) Scanner System for In Situ Analysis of Paintings That Operates in a Static or Dynamic Method. Quantum Beam Sci. 2024, 8, 26.

https://doi.org/10.3390/qubs8040026

期刊介绍

主编：Prof. Dr. Klaus-Dieter Liss

Quantum Beam Science (QuBS, ISSN 2412-382X) 是一个国际性开放获取期刊。主要关注量子束在广义材料研究和表征方面的应用，以及量子束源、仪器和设备的发展。期刊创刊于2017年，目前已被Scopus (Elsevier)、Emerging Sources Citation Index (ESCI)—Web of Science (Clarivate Analytics)、CAPlus/SciFinder、Inspec、Astrophysics Data System等数据库收录：https://www.mdpi.com/journal/qubs/indexing

2025 Impact Factor：1.3

2025 CiteScore：3.2