为何卢浮宫博物馆地下有台粒子加速器？

2018-09-14 00:13来源： 中国科学院|编辑：确牛

法国巴黎的卢浮宫博物馆是世界上最古老、最大、最奢华的博物馆之一，1793年11月18日正式向公众开放，博物馆的艺术珍藏品已超过40万件。

20世纪80年代初，为改建扩建卢浮宫博物馆，当时的法国总统密特朗邀请了世界15位顶级博物馆馆长遴选抉择应征的改建扩建方案。其中13位博物馆馆长选择了著名设计师贝聿铭的方案：在卢浮宫的拿破仑庭院内建造一座玻璃金字塔。

法国巴黎卢浮宫博物馆外景（图片来自网络）

爱神维纳斯雕像、胜利女神像、达芬奇的蒙娜丽莎画等卢浮宫博物馆中最珍贵的藏品都向参观者展示。而就在那新建的玻璃金字塔下深15米处的地下，却有一样东西是卢浮宫博物馆馆长绝不对参观者展示的，那是一台名为AGLAE的粒子加速器。

　■粒子加速器

为何卢浮宫博物馆地下有台粒子加速器呢？

粒子加速器是20世纪30年代发明的，最初主要用于粒子物理研究。随着科技的发展，回旋加速器、直线加速器、静电加速器、倍压加速器、电子感应加速器等不同种类的粒子加速器被应用于放射性医学、放射性化学、放射性同位素制造、非破坏性探伤等广泛的领域。

时至今日，据不完全统计全世界已有3万多台加速器，但其中用于粒子物理研究的只占一小部分，绝大部分加速器在各应用领域发挥着独特的作用，也许最令人意想不到的是它们在文化保护中的作用，卢浮宫博物馆的AGLAE粒子加速器则是世界上唯一一台艺术专用的粒子加速器。

■AGLAE的来历

古文物中充满了谜题：它们的材料是从哪里来的？它们制造的秘密是什么？如何保存和恢复它们？卢浮宫博物馆1931年就建立了研究实验室(LRMF)，研究实验室的主要目标是研究艺术和考古物品的创作所涉及的材料和技术，如生产方法、来源研究、认证和保护。初期阶段，实验室检测博物馆收藏的绘画用的是光学显微镜、紫外线或红外光或X射线照相等手段。到了20世纪60年代，随着考古学的发展，多种光谱技术被应用于艺术品和考古物品的分析，包括紫外光谱法、X射线荧光光谱法，甚至是X射线衍射法。

卢浮宫博物馆的藏品价值连城，加之艺术品所具有的独特性（如形状与结构复杂、成分材料类别繁多、来源及历史不明、保存状况多样化等），检测技术只能首选那些非破坏性、非侵入性的技术手段来寻找答案。研究实验室的检测设施通常要求将样本放置在真空环境中进行材料分析（这本身很可能具有潜在的破坏性），而研究人员常因真空室尺寸所限，无法研究较大的碎片。

由于艺术史学家提出的要求越来越高，要想准确地回答他们提出的问题，需要更先进的技术检测手段，而且出于安全性的考虑，博物馆藏品只能留在自己内部的安全区域。1982年，卢浮宫博物馆决定在馆内配置一个专用的粒子加速器，名为AGLAE（Accelerateur Grand Louvre d’Analyse Elementaire）。

　■身怀绝技

AGLAE的加速器采用的是NEC公司建造的串列式静电加速器（型号6SDH2），总长度约27米，配备了两个离子源，一个用于产生质子和氘，另一个用于产生氦离子。该加速器建有两条实验束线，一条通向真空室，而另一条称为外光束线，无需任何取样，不受真空室尺寸的限制，可直接分析任何大小和形状的艺术品。离子被AGLAE加速至每秒20000~30000千米的速度后轰击被检物，随后被检物发射出不同的辐射，这些辐射由后端的探测器捕获，数种技术相结合，对被检物表层所含的微量化学元素进行识别。由于配置了聚焦系统，到达被检物的粒子束流直径只有20微米左右（仅相当于半根头发丝的粗细），对被检物没有破坏性。

AGLAE的安装从1984年开始，1988年6月正式投入使用，成为解决博物馆研究难题的主要技术手段。

AGLAE的示意图（图片来自网络）

正在向地下室吊装设备（图片来自网络）

AGLAE加速器（图片来自网络）

AGLAE的外光束线（图片来自网络）

AGLAE外光束线的各类探测器（图片来自网络）

研究人员利用AGLAE解开了古代文物的许多秘密，验证它们的真实性。通过测定文物上油漆的痕迹，研究玻璃、金属和陶瓷的精确化学成分，识别文物的构成，由微量元素的组成还可识别出具有这种成分的矿物是在哪里开采的，确定文物的来源及年代，深入了解它的制作工艺和老化机制，对文物的保存和修复有重要的参考意义。

检测法兰克女王镶有石榴石的胸针（类似中国的景泰蓝工艺）（图片来自网络）

识别有4500年历史的古埃及雕塑的矿物质成分与产地（图片来自网络）

识别古代雕像的红宝石眼睛（左）以及珍贵饰品中红宝石（右）的成分与产地（图片来自网络）

AGLAE使用的是非侵入性检测手段，这是文化遗产研究的首要考虑的事项。早期在AGLAE担任科学顾问的让-克劳德·德兰（Jean-ClaudeDran）认为AGLAE开创的研究方法非常强大、非常精确，对微量元素非常敏感，特别适用于艺术品和考古文物的检测。

克莱尔·帕切科（ClairePacheco）在法国波尔多大学攻读古代材料博士学位时就在AGLAE从事离子束分析研究。她2011年接任AGLAE的首席科学家，带领团队负责AGLAE的运行。帕切科说：“AGLAE的独特之处就在于它百分百致力于文化遗产，这是世界上唯一一台专门用于这一研究领域的粒子加速器。”

克莱尔·帕切科（图片来自网络）

AGLAE的物理学家及工程师们通常需要与艺术史学家携手合作研究。他们用AGLAE分析文物由什么材料制成，并验证它们的真实性（一个物体所包含的元素的数量和组合可作为一个指纹，暗示了矿石被开采的地方，以及该物品被制成的时间），例如他们检查法国政府送给拿破仑·波拿巴的剑鞘是否真的是用纯金铸造的。

AGLAE还用来研究玻璃、金属和陶瓷艺术品。某种古代陶瓷当它被点燃时会呈现出一种金属光泽。帕切科团队用AGLAE来确定这种陶瓷碎片中的元素，了解了这种陶瓷的起源。这项技术最早出现在9世纪时古希腊的美索不达米亚，后来曾遍布地中海区域，但在17世纪时却大部消失了，只有西班牙的一些陶工仍然延续着这一传统手艺。用AGLAE为这种陶瓷在各时间段、各产地制作了详细的“身份证”，使每件这种陶瓷的产品产地与年代清晰可查。

曾有研究报告详细描述了AGLAE如何被用来分析某个象牙上装饰性油漆痕迹的化学特征。研究结果竟显示这些象牙上的漆很可能是在公元前7世纪涂制的。

AGLAE最经常研究的是卢浮宫博物馆自己的藏品，但它还有更大的任务是研究法国各地博物馆的艺术品和文物。当然，它也可供外部使用，例如来自洛杉矶博物馆和纽约大都会艺术博物馆的研究人员使用。

AGLAE正在检测文物（图片来自网络）

正在分析检测数据（图片来自网络）

　■升级改造

作为世界上唯一一台完全致力于分析文物的粒子加速器，AGLAE运行了将近30年。技术方面，AGLAE存在一些局限性：它无法用于分析易碎材料，如油漆中的有机或无机生物材料，这些材料会被粒子束明显改变性质；它无法用于研究绘画类文物，因为粒子束会引起颜料颜色的变化，有损伤绘画的风险；它每天只能运行8-10个小时，限制了外界用户、法国和整个欧洲的用户的使用。它太需要一次彻底的改造了。

法国国家科学研究中心（CNRS）、法国博物馆研究与修复中心和巴黎高科国立高等化学学校（ChimieParis tech）决定合作进行AGLAE的升级改造，由巴黎市和法国文化部共同资助，总经费为210万欧元（约合250万美元）。

2016年夏季，老的AGLAE被拆除了，房屋的辐射防护得到加强，仪器设备进行了重新组装和改造。从老AGLAE到新AGLAE，充满了技术上的挑战，也充分体现了创新与协作。

2017年1月10日，在欧洲核子研究中心(CERN)召开的“CERN知识转移研讨会”上，帕切科代表法国博物馆研究和修复中心发表了题为The accelerator under the Louvrethe New AGLAE的演讲，介绍了AGLAE的发展历程、升级改造项目的进展、新AGLAE的探测器配置，以及新AGLAE的研究发展前景。

CERN知识转移研讨会的海报及帕切科报告的PPT首页（图片来自网络）

完成升级改造的AGLAE于2017年11月23日开始正式运行。新AGLAE总长37米，增加了使光束线稳定的磁铁，配置了更灵敏的多类型组合探测器，其空间分辨率、光束稳定性和多粒子检测能力大大提高，大幅度降低了对受检文物及艺术品的辐射剂量，十分有利于敏感材料的分析，如油漆层（包括有机粘合剂）等，不再会有被破坏的风险，也可解决原来受到限制的绘画类文物的研究问题。新AGLAE可以24小时不停歇地工作，它的光束线运行实现了完全自动化，有助于满足法国其他博物馆以及外国研究人员日益增长的研究需求。

升级改造后的AGLAE（图片来自网络）

新AGLAE示意图（图片来自网络）

新AGLAE的加速器系统（图片来自网络）

AGLAE升级改造增加了稳定光束线的磁铁（图片来自网络）

AGLAE升级改造后的外部光束线（图片来自网络）

多种类型的组合探测器（图片来自网络）

首批接受新AGLAE检测的艺术品是一批古罗马的铜雕像。这些雕像1969年在邻近比利时边界的巴维(Bavay)古罗马城镇广场出土，当时在一个麻袋里发现了370多件被严重腐蚀的青铜制品，很可能是罗马帝国成立之初至大约3世纪的古文物。这些物品是古代铜工匠的收集物？是某次战争的战利品？还是属于某个宗教的存货？新AGLAE的检测可以提供一些线索来确定这些神秘宝物的起源地、制作技术等。