论文标题：Japanese Sword Studies Using Neutron Bragg-Edge Transmission and Computed Tomography

论文链接：https://www.mdpi.com/2412-382X/9/4/33

期刊名：Quantum Beam Science

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

一、引言

日本刀被视为金属艺术品，但其内部结构和工艺特点长期难以通过无损方式获得。近日发表在Quantum Beam Science的一篇综述论文，整合了十余把日本刀的中子成像数据，借助大型科学装置的无损成像能力，对不同年代、不同流派刀剑的内部结构进行了系统性比较，为认知古代金属工艺提供了重要线索。

二、材料与方法

该研究由北海道大学、日本原子能机构 J-PARC、CROSS 等机构合作开展。研究团队利用 J PARC 的脉冲中子源，对来自 14 世纪至 20 世纪的多把日本刀进行扫描，包括古刀、新刀和现代刀具等不同类型。

实验装置示意图

研究中采用的 RADEN 能量分辨中子成像仪能够在不造成损伤的前提下获取刀身内部多项结构信息，包括：

• 刀锋区域的淬火范围

• 晶格常数的局部变化

• 晶粒或晶区的尺寸分布

• 多层钢的界面结构

• 刀身内部可能存在的空洞或焊接不连续性

这些结果帮助补充了传统显微或 X 射线方法难以获取的内部结构信息。

三、分析与结果

根据成像显示，不同时期制作的刀剑在淬火深度、范围等方面存在差异。早期刀剑普遍显示出较浅的淬火区域，而江户时期及之后制作的刀淬火范围相对更大。一把名为 Norimitsu 的刀显示出较宽的淬火区域，与其历史上可能经历再淬火处理的记录相符。

中子成像同时揭示了刀身不同部位的应力状态。多数样品的刀锋附近出现晶格间距增大，通常与马氏体形成及淬火过程中产生的应力相关。部分刀背区域也表现出结构变化，与常见的弯刀制造过程中的冷却差异一致。

值得注意的是，不同刀匠制作的刀剑在晶粒取向（纹理）方面的差异较大，且未表现出明显的时代或产地规律。这表明纹理可能与锻造方式、加工方向等个体工艺过程关系更为密切。

晶粒尺寸分析对刀身采用的材料结构也提供了参考。例如，部分备前系古刀表现为刀锋晶粒更细、刀背晶粒更粗的特征，与传统夹钢结构的描述相符。一些近代刀则显示晶粒尺寸分布较为均匀，可能反映出更接近单层钢的加工方式。也有刀剑（如 Kiyomitsu）的晶粒分布较为复杂，可能与多层折叠工艺相关。

中子 CT 图像进一步展示了刀身内部的层状结构和淬火边界。个别刀剑（如某把古刀）的刀尖区域显示出明显空洞，推测与历史锻接过程中可能存在的缺陷有关。此类结构在常规观察中难以识别，但通过中子 CT 能较为清晰地呈现。

四、结论

总体而言，该综述通过汇总多把日本刀的中子成像结果，从材料学视角对其结构特征、淬火工艺、层状构造及加工差异进行了系统整理，为理解日本刀在不同时期的制造工艺提供了可量化的结构依据，同时展示了中子成像在金属文化遗产研究中的应用潜力。

引用格式：

Kiyanagi, Y.; Oikawa, K.; Matsumoto, Y.; Parker, J.D.; Watanabe, K.; Sato, H.; Shinohara, T. Japanese Sword Studies Using Neutron Bragg-Edge Transmission and Computed Tomography. Quantum Beam Sci. 2025, 9, 33. https://doi.org/10.3390/qubs9040033

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

2024 Impact Factor：1.7

2024 CiteScore：2.8