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激光诱导击穿光谱对金属、陶瓷文物成分的表面及深度分布分析

李晨毓 曲亮 高飞 段鸿莺 关明 刘瀚文 邹非池

李晨毓, 曲亮, 高飞, 段鸿莺, 关明, 刘瀚文, 邹非池. 激光诱导击穿光谱对金属、陶瓷文物成分的表面及深度分布分析[J]. 中国光学, 2020, 13(6): 1239-1248. doi: 10.37188/CO.2020-0112
引用本文: 李晨毓, 曲亮, 高飞, 段鸿莺, 关明, 刘瀚文, 邹非池. 激光诱导击穿光谱对金属、陶瓷文物成分的表面及深度分布分析[J]. 中国光学, 2020, 13(6): 1239-1248. doi: 10.37188/CO.2020-0112
LI Chen-yu, QU Liang, GAO Fei, DUAN Hong-ying, GUAN Ming, LIU Han-wen, ZOU Fei-chi. Composition analysis of the surface and depth distribution of metal and ceramic cultural relics by laser-induced breakdown spectroscopy[J]. Chinese Optics, 2020, 13(6): 1239-1248. doi: 10.37188/CO.2020-0112
Citation: LI Chen-yu, QU Liang, GAO Fei, DUAN Hong-ying, GUAN Ming, LIU Han-wen, ZOU Fei-chi. Composition analysis of the surface and depth distribution of metal and ceramic cultural relics by laser-induced breakdown spectroscopy[J]. Chinese Optics, 2020, 13(6): 1239-1248. doi: 10.37188/CO.2020-0112

激光诱导击穿光谱对金属、陶瓷文物成分的表面及深度分布分析

doi: 10.37188/CO.2020-0112
详细信息
    作者简介:

    李晨毓(1989—),女,黑龙江安达人,博士,馆员,2018年于首都师范大学获得博士学位,主要从事激光诱导击穿光谱、激光清洗和太赫兹在文物上的应用方面的研究。E-mail:lichenyu032007@163.com

    曲亮:曲 亮(1981—),男,北京人,硕士,研究馆员,2010年于北京科技大学获得硕士学位,主要从事可移动文物保护与分析检测方面的研究。E-mail:lionat528@hotmail.com

  • 中图分类号: O657.38;K87

Composition analysis of the surface and depth distribution of metal and ceramic cultural relics by laser-induced breakdown spectroscopy

More Information
  • 摘要: 采用激光诱导击穿光谱结合激光共聚焦显微镜,对河南省上蔡郭庄楚国墓葬群出土的青铜器和故宫博物院灵沼轩的陶瓷砖成分进行表面及深度分布分析。研究表明,青铜器表面的腐蚀层元素分布不均匀,可能源于周围的土壤环境和周围器物,或者从内部到外部的离子外移等,但基体组成相对比较简单。通过分析青铜器腐蚀层成分的深度分布可以了解腐蚀层的腐蚀机理,从而为青铜器的保护提供科学方法;陶瓷的透明釉层和釉彩料层元素分布均匀,釉彩料层存在一定的硼元素,而透明釉中则不含硼元素,原因在于硼元素可有效降低釉的熔融温度范围和表面张力。进一步利用共聚焦显微镜测试剥蚀深度,结合得到的光谱估算出了不同釉层的大概厚度。
  • 图  1  青铜器和陶瓷砖的实物图

    Figure  1.  Photographs of bronzes and ceramic tiles

    图  2  LIBS系统结构(a) 示意图及 (b) 实物图

    Figure  2.  (a) Schematic diagram and (b) prototype photograph of LIBS system

    图  3  bronze 1不同点位的LIBS光谱图

    Figure  3.  LIBS spectra of bronze 1 at different points

    图  4  bronze 2不同点位的LIBS光谱图

    Figure  4.  LIBS spectra of bronze 2 at different points

    图  5  bronze 3不同点位的LIBS光谱图

    Figure  5.  LIBS spectra of bronze 3 at different points

    图  6  陶瓷砖样品的共聚焦显微镜剥蚀深度形貌图

    Figure  6.  Topography of erosion depth of ceramic tiles by confocal microscope

    图  7  CZ-14不同点位的LIBS光谱图

    Figure  7.  LIBS spectra of CZ-14 at different points

    图  8  CZ-01不同点位的LIBS发射光谱

    Figure  8.  LIBS spectra of CZ-01 at different points

    图  9  B元素随脉冲数变化的光谱图

    Figure  9.  B element spectra changing with the number of pulses

    图  10  CZ-02不同点位的LIBS发射光谱

    Figure  10.  LIBS spectra of CZ-02 at different points

    表  1  bronze 1表面及深度的元素分布结果

    Table  1.   Surface and depth distribution of different elements of bronze 1

    编号bronze 1
    点位1表面Cu、Pb、Mg、Al、Ca、Fe、Si、O、Cl、Cd、Ba
    深度1Cu、Pb、Mg、Al、Ca、Fe、Si、O、Cl、Cd、Ba、Sn
    深度2Cu、Pb、Mg、Al、Ca、Cd、Ba、Sn
    点位2表面Cu、Pb、Mg、Al、Ca、Fe、Si、O、Cl、Cd、Ba、Zn
    深度1Cu、Pb、Mg、Al、Ca、Fe、Si、O、Cl、Cd、Ba、Sn、Zn
    深度2Cu、Pb、Mg、Al、Ca、Cd、Ba、Sn
    点位3表面Cu、Pb、Mg、Al、Ca、Fe、O、Cl、Cd、Ba、Si、Zn
    深度1Cu、Pb、Mg、Al、Ca、Fe、Si、O、Cl、Cd、Ba、Sn、Zn
    深度2Cu、Pb、Mg、Al、Ca、Cd、Ba、Sn
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    表  2  bronze 2的元素表面及深度分布的结果

    Table  2.   Surface and depth distribution of different elements of bronze 2

    编号bronze 2
    点位1表面Cu、Pb、Sn、Mg、Na、Al、Ca、Fe、Si、Cl、Ni、Cd、O、Sn、Ni、Eu、Cd、Rh、Nb、Ru、Th、Dy
    深度1Cu、Pb、Sn、Mg、Na、Al、Ca、Fe、Si、Cl、Ni、Cd、O、Sn、Ni、Eu、Cd、Rh、Nb、Ru、Th、Dy
    深度2Cu、Pb、Sn、Mg、Na、Al、Ca、Cd、Sn
    点位2表面Cu、Pb、Sn、Mg、Na、Al、Ca、Fe、Si、Cl、Ni、Cd、O、Sn、Ni、Eu、Cd、Rh、Nb、Ru、Th、Dy
    深度1Cu、Pb、Sn、Mg、Na、Al、Ca、Fe、Si、Cl、Ni、Cd、O、Sn、Ni、Eu、Cd、Rh、Nb、Ru、Th、Dy
    深度2Cu、Pb、Sn、Mg、Na、Al、Ca、Cd、Sn
    点位3表面Cu、Pb、Sn、Mg、Na、Al、Ca、Fe、Si、Cl、Ni、Cd、O、Sn、Zn、Ni、Eu、Cd、Rh、Nb、Ru、Th、Dy
    深度1Cu、Pb、Sn、Mg、Na、Al、Ca、Fe、Si、Cl、Ni、Cd、O、Sn、Ni、Eu、Cd、Rh、Nb、Ru、Th、Dy
    深度2Cu、Pb、Sn、Mg、Na、Al、Ca、Cd、Sn
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    表  3  bronze 3的元素表面及深度分布结果

    Table  3.   Surface and depth distribution of different elements of bronze 3

    编号bronze 3
    点位1表面Cu、Pb、Sn、Mg、Na、Al、Ca、Fe、 Si、Cl、Ni、
    Cd、O、Sn、Ni、Eu、 Cd、Rh、Nb、Ru、Th、Dy
    深度1Cu、Pb、Sn、Mg、Na、Al、Ca、Fe、 Si、Cl、Ni、
    Cd、O、Sn、Ni、Eu、 Cd、Rh、Nb、Ru、Th、Dy
    深度2Cu、Pb、Sn、Mg、Na、Al、Ca、Cd、Sn
    点位2表面Cu、Pb、Sn、Mg、Na、Al、Ca、Fe、 Si、Cl、Ni、
    Cd、O、Sn、Ni、Eu、 Cd、Rh、Nb、Ru、Th、Dy
    深度1Cu、Pb、Sn、Mg、Na、Al、Ca、Fe、 Si、Cl、Ni、
    Cd、O、Sn、Ni、Eu、 Cd、Rh、Nb、Ru、Th、Dy
    深度2Cu、Pb、Sn、Mg、Na、Al、Ca、Cd、Sn
    点位3表面Cu、Pb、Sn、Mg、Na、Al、Ca、Fe、 Si、Cl、Ni、
    Cd、O、Sn、Ni、Eu、 Cd、Rh、Nb、Ru、Th、Dy
    深度1Cu、Pb、Sn、Mg、Na、Al、Ca、Fe、 Si、Cl、Ni、
    Cd、O、Sn、Ni、Eu、 Cd、Rh、Nb、Ru、Th、Dy
    深度2Cu、Pb、Sn、Mg、Na、Al、Ca、Cd、Sn
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    表  4  陶瓷砖样品不同点位的平均剥蚀深度

    Table  4.   The average denudation depths of ceramic tile samples at different points (μm)

    编号宽度高度长度
    CZ-14白色1027.88842.3811028.907
    CZ-01白色1027.88882.7911031.621
    CZ-01绿色1027.88878.4581031.862
    CZ-02白色1027.88853.4141029.743
    CZ-02蓝色1027.88864.5161030.202
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    表  5  CZ-14的元素表面及深度分布结果

    Table  5.   Elemental surface and depth distribution of CZ-14

    编号CZ-14
    分析点位表面(5个脉冲)(透明釉)Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Cr、P、Ti、Fe、O、Pb、Cu、Mn、Co
    深度64 µm(75或者76个脉冲)Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ti、Fe、O、Mn、(胎体)Rb、Sr、Y和Zr
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    表  6  CZ-01的元素表面及深度分布结果

    Table  6.   Surface and depth distribution of different elements of CZ-01

    编号CZ-01
    白色部分分析点位表面(5个脉冲)(透明釉)Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ca+、Ti、Fe、O、Co、Zn、Cu、Pb、Mn、P、Cr
    深度67 µm(40或41个脉冲)Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ca+、Ti、Fe、O、Mn、Cr、(胎体元素)Sr、Rb、Y和Zr
    绿色部分分析点位表面(5或6个脉冲)(透明釉)Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ca+、Fe、O、Zn、Cu、Ti、Pb、Co、Cr、Mn、P
    深度40 µm(25或者26个脉冲)(绿色釉彩)Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ca+、Fe、O、Zn、Ti、Pb、Co、Cr、Mn、B
    深度56 µm(42或43个脉冲)(透明釉)Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ca+、Fe、O、Zn、Cu、Ti、Pb、Co、Cr、Mn、P
    深度84 µm(52或53个脉冲)Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ca+、Fe、O、Ti、Co、Mn、(胎体)Rb、Sr、Y和Zr
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    表  7  CZ-02的元素表面及深度分布结果

    Table  7.   Surface and depth distribution of different elements of CZ-02

    编号CZ-02
    白色部分分析点位表面(5个脉冲)(透明釉)Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ca+、Ti、Fe、O、Cr、Co、Zn、Pb、P、Cu
    深度75 µm(70或者71个脉冲)Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ca+、Ti、Fe、O、Mn、(胎体)Sr、Rb、Y、Zr
    蓝色部分分析点位表面(5个脉冲)(透明釉)Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ca+、Ti、Fe、O、Co、Zn、Pb、Cu、P、Cr
    深度59 µm(45或者46个脉冲)(蓝色釉彩)Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ca+、Ti、Fe、O、Co、Zn、Pb、Cu、B、Cl、Mn
    深度308 µm(253或者254个脉冲)Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ca+、Ti、Fe、O、Mn、(胎体)Sr、Rb、Y、Zr
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-30
  • 修回日期:  2020-07-27
  • 网络出版日期:  2021-03-18
  • 刊出日期:  2020-12-01

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