在文化遗产保护领域，如何在该不破坏文物外观的前提下精准探测其内部结构损伤，一直是一项世界性难题。近日，来自兰州大学稀有同位素前沿科学中心的刘志毅教授团队在核科学权威期刊《IEEE Transactions on Nuclear Science》上发表最新研究成果，提出了一种基于贝叶斯推断的散射缪子成像算法（Structure Adaptive Optimization, SAO）。该技术利用宇宙射线缪子，成功实现了对以故宫排水螭首（Dragon Head）为研究对象的文物内部复杂裂隙的高分辨率无损成像 。

破解千年文物的“隐形”危机

故宫的排水系统历经600年风雨仍发挥作用，其中排水螭首（龙头）是关键部件。然而，受长期自然侵蚀影响，许多石质构件内部已产生肉眼不可见的裂隙，存在断裂风险。传统的无损检测手段面临诸多局限：超声波检测需要接触文物表面，可能造成物理损伤；常规X射线穿透力不足（穿透40厘米厚的碳酸钙需要约2 MeV的X射线），且在现场使用存在辐射安全隐患，不适合在游客密集的故宫使用。

故宫螭首侵蚀断裂情况

源自宇宙的“安全探针”

宇宙射线缪子作为一种天然存在的“探针”，其具有极强的穿透力且无辐射危害，非常适合大中型物体的内部成像。

针对传统缪子成像算法（如PoCA算法）在分辨率和噪声处理上的不足，研究团队创新性地引入了贝叶斯统计框架，并结合文物的3D几何轮廓（先验知识），开发了全新的SAO算法。该算法摒弃了传统的体素化计算，采用切片模型（Slice Model）策略，大幅提高了对细微裂隙的识别能力。

实验验证：毫米级裂隙无所遁形

研究团队利用Geant4进行了模拟验证并通过自主研发的LUMIS缪子成像系统进行了实验验证。

模拟设置与实验设置情况

模拟实验显示：该算法能清晰识别出宽度为5毫米的微小断裂，并在1.25毫米的分辨率下重建出裂隙结构。

物理实验验证：团队制作了包含真实裂隙的螭首仿制品。经过一个月的缪子数据采集，该技术成功检测出宽度约为毫米量级的复杂走向裂隙，成像结果与实际断裂情况高度吻合。

模拟与实验成像结果（浅色部分为断裂处）

应用前景广阔

该研究证明，结合先验几何信息的贝叶斯缪子成像技术，在检测低原子序数（Low-Z）石质文物的内部裂隙方面具有显著优势，远超传统算法。研究人员表示，这项技术不仅为大中型文化遗产的永续保存提供了切实可行的解决方案，未来还可广泛应用于城市基建（如桥梁、大坝、隧道）的结构健康监测以及航空航天、核材料监管等领域的无损检测。

本研究论文第一作者为硕士研究生蔡欣宇，工作得到了故宫研究院张雪雁、段鸿莺、徐恩光、朴世禺等研究人员的大力支持。该工作也得到了中国五矿集团有限公司科技专项计划、中央引导地方科技发展资金项目等项目资助。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11313615

DOI: 10.1109/TNS.2025.3647711