ai Beni Culturali ai Beni Culturali

Il nuovo Laboratorio di Il nuovo Laboratorio di

tecniche nucleari applicate tecniche nucleari applicate

ai Beni Culturali ai Beni Culturali

Novella Grassi

Università di Firenze e INFN

grassi@fi.infn.it

Ruolo della Fisica per i Beni Culturali Ruolo della Fisica per i Beni Culturali

• importanza in fase di conoscenza e diagnosi

• anche in fase

di intervento sull’opera

datazioni

analisi di composizione dei materiali

imaging

diagnosi dei problemi di deterioramento

quasi tutte le tecniche fisiche sono non invasive:

possibilità di indagine senza effettuare prelievi o

comunque danneggiare l’opera

Fisica Nucleare e Beni Culturali Fisica Nucleare e Beni Culturali

• Ion Beam Analysis (IBA) con acceleratori o sorgenti

• Fluorescenza X (XRF)

analisi di materiali

• Accelerator Mass

Spectrometry (AMS) datazioni con

¹⁴

C

Le attività dell’INFN e delle Le attività dell’INFN e delle

Università (I) Università (I)

dal KN3000 al nuovo acceleratore Tandem tecniche IBA + AMS

(progetto speciale LABEC, progetto MASAI – P.A. Mandò)

in collaborazione con:

- Sezione INFN di Genova (A. Zucchiatti) e LNS (G. Pappalardo)

- Istituzioni nel campo dei Beni Culturali (Lab. de Recherche des Musées de

France-Louvre, Opificio delle Pietre Dure…)

• ^Firenze

• ^Catania strumentazione XRF e IBA portatile (MASAI- (LNS) G. Pappalardo)

• ^Milano XRF (FELIX-A. Longoni, C. Fiorini) (Politecnico)

• ^{Milano e} termoluminescenza (ILDE–M. Martini, O. Troja) Catania

• ^Bologna radiografia digitale e tomografia computerizzata (F. Casali)

Le attività dell’INFN e delle Le attività dell’INFN e delle

Università (II)

Università (II)

Analisi dei materiali in campo Analisi dei materiali in campo

archeometrico

archeometrico : perché? : perché?

• informazioni su una singola opera, per conoscere le tecniche specifiche impiegate dall’autore

• informazioni generali di carattere storico su sviluppi

tecnologici e fonti di approvvigionamento nel passato, scambi economici e culturali fra diverse popolazioni…

• datazioni indirette, attribuzioni, autenticazioni (o scoperta di falsi)

• controllo dei processi di degrado

• scelta di appropriate condizioni di conservazione e di

tecniche di restauro compatibili e reversibili

Ion Beam Analysis

Ion Beam Analysis (I) (I)

fascio di particelle

0 500 1000 1500 2000 2500

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 E_X (eV)

Conteggi

Mg Al

Si

Ca

Fe

rivelatore

radiazione caratteristica

campione segnale

spettro di energia

Ion Beam Ion Beam Analysis

Analysis (II) (II)

Y(a,a)Y RBS

raggio γ

Y(a,bγ)Z PIGE

Y(a,b)Z NRA elettrone

Y(a,aX)Y PIXE raggio X

PIXE:

Particle Induced X-ray Emission

PIGE:

Particle Induced Gamma-ray Emission

RBS:

Rutherford Backscattering Spectrometry

NRA:

Nuclear Reaction Analysis

Caratteristiche delle analisi IBA Caratteristiche delle analisi IBA

• veloce, quantitativa e multielementale

• grandi sezioni d’urto

(in particolare per la PIXE: 1-1000 barn)

• analisi degli strati superficiali (decine di µm)

• informazioni sulla stratigrafia (RBS e PIXE differenziale)

• micro-analisi

• fascio esterno (fondamentale per l’analisi di opere d’arte di grandi dimensioni o di campioni isolanti)

- basse correnti di fascio (decine di pA)

- elevata sensibilità ( ~ ppm)

distruttiva non

Il fascio esterno al KN3000 Il fascio esterno al KN3000

1 cm

PIXE PIXE - - Analisi di inchiostri in manoscritti Analisi di inchiostri in manoscritti di interesse storico

di interesse storico

Inchiostri metallo-gallici:

le quantità relative di Fe, Ni, Cu, Zn, Pb possono variare di molto fra inchiostro e inchiostro;

possono essere utilizzate per distinguere diverse “partite” di inchiostro e quindi diversi periodi (inchiostri “fatti in casa”)

Le analisi PIXE hanno dato un contributo importante alla ricostruzione cronologica degli appunti di Galileo sul “moto naturale”,

attraverso il confronto della composizione dell’inchiostro usato per i fogli non datati

Progetto PIXE

Progetto PIXE- -Galileo Galileo

Galileo: alcuni fogli Galileo: alcuni fogli

manoscritti non manoscritti non

datati…

datati…

note di esperimenti e calcoli…

…teoremi in bell’ordine, glosse,

sottolineature…

…sequenze di numeri e calcoli in disordine…

…correzioni e cancellature

… … e uno datato: note di spesa nel e uno datato: note di spesa nel

Ms Ms .Gal.26 .Gal.26

“ “ Datazione” Datazione”

del f.128

del f.128

^{Ms.Gal.72f.128}

18/10/1604

v(s), v(t), s(t)

Analisi di miniature Analisi di miniature

Analisi dei pigmenti utilizzati in centinaia di miniature in manoscritti dell’Italia

centrale dal XII al XV sec.

Miniatura fine XII secolo

L a p is la z z u li

0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0

C o n t e g g i

N a A l

S i

S

K C a

A z z u r r i t e

0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

C o n t e g g i

C u

S i

C u C a C u

tempere blu

•

evoluzione temporale nell’uso dei pigmenti per i vari colori

•

motivazioni per la scelta di materiali più o meno preziosi (ampio uso del lapislazzuli per i testi sacri fin dal XII sec.)

•

informazioni su scambi

Analisi di dipinti su tavola o tela Analisi di dipinti su tavola o tela

Lo strato pittorico è deposto su uno strato di preparazione e coperto da un sottile strato di vernice.

Esempio: dipinto su tavola inizi 1500

0 100 200 300 400 500 600

3 5 7 9 11 13 15 17

E_X (keV)

Conteggi

Fe

Zn

Co Pb

0 100 200

3 5 7 9 11 13 15 17

E_X (keV)

Conteggi

Fe

Pb

Ca

Cu

Pigmenti blu _a) blu di cobalto (CoOAl₂O₃) e bianco di zinco (ZnO), pigmenti noti dal 1800 Æ punti di

restauro!

b) assenza di Co e Zn Æ punti originali;

assenza di Cu Æ no azzurrite Æ lapislazzuli?

Non si hanno informazioni da spettri PIXE su elementi leggeri (X di bassa energia) a causa della vernice…

a)

b) spettro

PIGE

0 50 100

300 350 400 450 500 550

E (keV)

Conteggi

Na (441 keV)

PIXE differenziale PIXE differenziale

Misure PIXE a diverse energie del fascio per l’analisi di campioni non

omogenei in profondità.

Al variare dell’energia dei protoni incidenti cambia il

range

all’interno

del bersaglio e quindi cambia lo spessore sondato

Un esempio:

tavoletta di legno preparata con un fondo di gesso e dipinta con strati di spessore

diverso di lapislazzuli

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0 1 2 3 4 5

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0 1 2 3 4 5

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0 1 2 3 4 5

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0 1 2 3 4 5

Conteggi

Na Al Si

S

Ca

energia del fascio decrescente

Na, Al, Si, S Ca, S

Strumentazione portatile (LNS, Catania) Strumentazione portatile (LNS, Catania)

Spettrometro

PIXE-α Spettrometro

XRF

sorgente anulare

210Po (α da ∼ 5 MeV)

Fondamentale nel campo dei Beni Culturali: non sempre è possibile studiare un’opera d’arte al di fuori del suo normale luogo di conservazione (perché è inamovibile o per problemi burocratici, rischi, costi…)

3 sorgenti ¹⁰⁹Cd (X di 22.1 e 24.9 keV)

3 sorgenti di ⁵⁵Fe (X di 5.9 e 6.5 keV)

bassa intensità dovuta all’emissione isotropa

misure molto più lunghe rispetto alla strumentazione fissa

•

emissione isotropa

•

scarsa sensibilità per elementi a basso Z

•

difficoltà di analisi quantitativa

Campagna di misure al Campagna di misure al

Museo Nazionale del Museo Nazionale del

Bargello

Bargello (LNS, Genova, Firenze) (LNS, Genova, Firenze)

Analisi di ceramiche robbiane:

•

studio delle tecniche di produzione

•

caratterizzazione delle scuole di Andrea, Luca, figli e imitatori

•

evidenziate evoluzioni cronologiche caratterizzanti

As K_β

Smalti blu

presenza dell’arsenico

dopo il 1520

Politecnico di Milano Politecnico di Milano

•

In fase di sviluppo uno spettrometro XRF altamente innovativo per

mapping

elementale:

Fast ELement Imaging with X-ray spectroscopy

(Dipartimento di Elettronica, A. Longoni, C. Fiorini)

Strumentazione basata su:

– Array monolitico di SDD

• elevata risoluzione energetica

• elevata velocità di analisi

• elevata risoluzione spaziale

• compattezza e facilità operativa

– Tubo a raggi X multi-anodo

– Sistema ottico policapillare per la focalizzazione del fascio X eccitante

sorgente X con fibre capillari rivelatore

anulare campione

•

Spettrometro XRF portatile per misure di archeometria, basato su:

– Tubo a raggi X miniaturizzato

–

Silicon Drift Detector

per spettroscopia X (FWHM fino a 130 eV

@5.9 keV, a –10 °C ; ritmo di conteggio fino a 100 kHz)

Accelerator

Accelerator Mass Mass Spectrometry Spectrometry

• tecnica molto sofisticata per la determinazione di isotopi rari in un campione

sensibilità fino a una parte su 10

¹⁵

• misura di

¹⁰

Be,

¹⁴

C,

²⁶

Al,

¹²⁹

I e altri radioisotopi, di interesse archeologico, geologico, ambientale

• nel campo dei beni culturali datazione di reperti di interesse storico e archeologico con il metodo del radiocarbonio (

¹⁴

C)

Dalla misura della concentrazione attuale di ¹⁴C si può misurare l’età

di un reperto di origine organica, cioè il tempo t trascorso dalla

morte dell’organismo da cui ^0.1

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1

concentrazione 14C

[¹⁴C]₀

[¹⁴C]₀/2

T_1/2 τ

[¹⁴C]₀/e

ν + +

→ N e⁻ C ¹⁴

14

T_1/2 = 5730 a

[ ] [ ]

_







= ^C −τ^t

C _t ¹⁴ ₀exp

14

Misura della concentrazione di

Misura della concentrazione di ^{14 14} C C

•

impossibili misure tramite la

spettrometria di massa tradizionale interferenze isobariche con ¹⁴N, ¹²CH₂, ¹³CH

occorrono tecniche di conteggio molto

delicate ed efficienti e quantità cospicue di materiale

Spettrometria di massa con

acceleratori Tandem •

sensibilità fino a una parte su 10¹⁵ (eliminazione delle interferenze isobariche)

•

misure di attività β

gli atomi di ¹⁴C vengono estratti dal campione come ioni negativi;

vengono accelerati fino a energie dell’ordine della decina

di MeV, separati da filtri magnetici ed elettrostatici, e

infine “contati”

+HV

stripping

rivelazione ¹⁴C

13C

12C

14C analisi

finale pre-analisi

sorgente (ioni negativi)

•

sufficiente una quantità < 1 mg di materiale (misura micro-distruttiva)

•

si datano reperti risalenti fino a 50000 anni fa

- - - - + + + +

--

Altre attività al Altre attività al

Laboratorio di Firenze Laboratorio di Firenze

• analisi del particolato atmosferico con tecniche IBA

• canale dedicato al microfascio esterno (dimensioni fino a 10 µm) per misure nel campo dei beni culturali, della

geologia, della microelettronica

• misure di sezioni d’urto

• test di rivelatori per esperimenti di fisica nucleare

Il Laboratorio di tecniche Il Laboratorio di tecniche

nucleari applicate ai Beni Culturali nucleari applicate ai Beni Culturali

edificio per la fisica nucleare e subnucleare presso

il Polo Scientifico di Sesto Fiorentino

la sala acceleratore del nuovo edificio

Sistema IBA/AMS Sistema IBA/AMS

per il Laboratorio di Firenze per il Laboratorio di Firenze

Acceleratore Tandem Tensione terminale: 3 MV

Iniettore a doppia sorgente

per IBA

Spettrometro AMS ad alta energia

Linee di fascio IBA Iniettore AMS

(59 campioni)

•

inizio installazione 28 aprile 2003

•

piena operatività del Laboratorio fine 2003-inizio 2004

Il nuovo acceleratore Tandem (I) Il nuovo acceleratore Tandem (I)

sorgenti e macchina acceleratrice

Il nuovo acceleratore Tandem (II) Il nuovo acceleratore Tandem (II)

analisi per l’AMS