1 il labec, ovvero la fisica nucleare per i beni culturali incontri di fisica 2008, frascati 1-3...
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Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
Incontri di Fisica 2008 Frascati 1-3 Ottobre 2008
Lorenzo Giuntini ndash Mirko Massi
LABEC - Sezione INFN Firenzee
Dipartimento di Fisica Universitagrave Firenze
Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
bull Nasce a maggio 2004 nel polo scientifico di Sesto Fiorentino Firenze
bull Il cuore del laboratorio egrave lrsquoacceleratore tendem da 3 MV
bull Egrave lrsquoerede del laboratorio del KN 3000 un acceleratore di piugrave limitate capacitagrave col quale egrave iniziata lrsquoattivitagrave di fisica nucleare per i beni culturali alla fine degli anni 80
bull Il LABEC egrave il laboratorio di fisica nucleare applicata ai beni culturali dellrsquoINFN
3
Fisica Nucleare e Beni Culturali
1 Datazioni ossia analisi radiocarbonio 14C
2 Analisi dei materiali con fasci di ioni o IBA (dallrsquoacronimo inglese Ion Beam Analysis)
4
Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
14C0
T12= 5730 a0+
Q- =1565 keV100
14N
1+ 0
12C asymp 989 13C asymp 11
= 8267 a
Crsquoegrave anche lrsquoisotopo 14C radioattivo
5
Produzione del radiocarbonio
bull In atmosfera produzione di neutroni per reazioni (p n) dei protoni cosmici sui nuclei degli elementi dellrsquoaria (O e N)
bull in atmosfera i neutroni si termalizzano
bull netroni termici rarr reazione 14N(np)14C [th 1 barn]
rate di produzione medio di 14C asymp 22 cm-2 s-1 (massimo rate di produzione tra i 15 e i 18 Km)
bull concentrazione in atmosfera 14C R(14C12C)asymp1210-12
bull in atmosfera il 14C forma tipicamente 14CO2
6
produzione distribuzione e mortedel14C
7
non necessariamente corrette
1 R(14C12C) = 118 10-12 in atmosfera ovunque
2 R(14C12C) = 118 10-12 anche nelle acque terrestri in cui la CO2 atmosferica entra in soluzione
3 R(14C12C) = 118 10-12 anche nel passato (R in pMC o percent of modern carbon 100 pMC rarr R = 118 10-12 )
4 Ogni organismo nella biosfera a causa degli scambi metabolici nellrsquoambito dei cicli vitali (sintesi clorofilliana respirazione cicli alimentari) ha nei suoi tessuti fincheacute vivente R(14C12C) = 118 10-12
Assunzioni per le datazioni col 14C
8
Principio della datazione col 14C
bull Il ndegtotale di atomi non radioattivi C (12C + 13C) non varia
bull Dalla misura di 14R(t) egrave possibile determinare lrsquoetagrave di un reperto di origine organica cioegrave il tempo t trascorso dalla morte dellrsquoorganismo da cui proviene
RCC 14
14
t
RtR exp01414
tR
Rt 14
014
ln
bull Dopo la morte un organismo non ldquoscambiardquo piugrave con la biosfera e non esistono altri meccanismi di formazione assunzione o cessione di 14C per il 14C il sistema egrave ldquochiusordquo
bull Il ndegdi atomi di 14C diminuisce secondo la legge del decadimento radioattivo
9
0
02
04
06
08
1
12
0 10000 20000 30000 40000
C-1
4 co
ncen
trat
ion
Curva di decadimento del 14C
t = middot ln [14R0 14R(t)]
t = middot[ 14R(t) 14R(t)] cioegrave 1 errore in 14R(t) 80 y
14R(t) = 14R0 middot e ndasht
tempo dalla morte (anni)
10-12
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Limiti delle assunzioni1 - variazioni del rate di formazione al variare del luogo
Osservazioni
bull Il rate di produzione da raggi cosmici varia con la latitudine (campo magnetico terrestre) decrescendo di un fattore circa 5 dallrsquoequatore ai poli
bull Variazioni rapidamente compensate dai flussi atmosferici che rimescolano lrsquoaria intorno alla Terra in tempi brevi (ordine di qualche anno) rispetto alla del 14C
Quindi
bull da questo punto di vistada questo punto di vista lrsquoassunzione di invarianza di R di lrsquoassunzione di invarianza di R di 1414C rispetto al luogo di origine egrave correttaC rispetto al luogo di origine egrave corretta
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Limiti delle assunzioni2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
bull 20-30 correlate ai cicli di attivitagrave solare che modulano il flusso di raggi cosmici che investono la Terra
Tuttavia
bull periodi di questi cicli brevi rispetto a del 14C
bull effetto ldquoserbatoiordquo dovuto alla concentrazione preesistente
Quindi
bull modulazione temporale nella concentrazione in atmosfera prodotta da queste cause violentemente attenuata
Perograve
bull Variazioni del campo magnetico terrestre su tempi 8 ka
12
Limiti delle assunzioni31 ndash variazioni di 14R nel tempo
Negli ultimi 150 anni
ldquoeffetto Suessrdquo a partire dalla rivoluzione industriale causa rilascio in atmosfera di quantitagrave massicce di CO2
(combustione di carbone fossile privo di 14C) con abbassamento considerevole e permanente di 14R in atmosfera e in tutti gli organismi in equilibrio a tempi brevi con lrsquoatmosfera
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Limiti delle assunzioni32 ndash variazioni di R nel tempo
Dal 1945 (primo test nucleare ad Alamogordo) al 1963(anno dellrsquoapplicazione del PTBT)
Test nucleari in atmosfera enorme aumento dei flussi
di neutroni in atmosfera con aumento del rate di
produzione di 14C nonostante lrsquoeffetto serbatoio
influenza sensibile anche su R con effetti locali fino
al + 100 (effetto ldquoBomb Spike)
Dal 1963 R diminuisce e si riavvicina ai valori pre-1950
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Effetto esplosioni nucleari su 14R
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ma quanto vale 14R(t)
bull Effetti di questi tipi (es grandi eruzioni vulcaniche che possono liberare ingenti quantitagrave di carbonio fossile) possono aver avuto luogo nel passato ed avere alterato temporaneamente la concentrazione 14R di equilibrio
bull Ne consegue che lrsquoipotesi di costanza nel passato della concentrazione 14R(t) nei viventi con un valore sempre uguale a quello ldquoconvenzionalerdquo di 118middot10-12 non egrave corretta
bull Occorre perciograve poter conoscere indipendentemente il valore 14R nel passato con lrsquoaccuratezza e il dettaglio temporale migliori possibile
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Ricalibrazione
bull Dalla misura sugli anelli di accrescimento di tronchi di alberi datati in dendrocronologia si ottiene una curva di calibrazione accurata fino a circa 104 anni fa
bull Misure su reperti datati storicamente o comunque in modo indipendente
bull Per le correzioni di date oltre i 104 anni misure su coralli datati anche con altre metodiche o estrapolazioni di fenomeni di ciclicitagrave osservata in periodi piugrave recenti ma con maggiore incertezza
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RicalibrazioneAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
8000CalBC 6000CalBC 4000CalBC 2000CalBCCalBCCalAD2000CalAD
Calibrated date
0BP
2000BP
4000BP
6000BP
8000BP
10000BP
12000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
18
Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anniAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
CalBCCalAD 500CalAD 1000CalAD 1500CalAD 2000CalAD
Calibrated date
0BP
500BP
1000BP
1500BP
2000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
19
Ricalibrazione dalla
radiocarbon age allrsquoetagrave vera
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1400CalAD 1600CalAD 1800CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
0BP
200BP
400BP
600BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn50BP 682 probability 1660AD (113) 1700AD 1720AD (231) 1780AD 1790AD ( 66) 1820AD 1830AD (155) 1880AD 1910AD (116) 1950AD 954 probability 1660AD (954) 1960AD
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1500CalAD 1600CalAD 1700CalAD 1800CalAD 1900CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
-100BP
0BP
100BP
200BP
300BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn20BP 682 probability 1670AD (106) 1700AD 1720AD (323) 1780AD 1790AD ( 92) 1820AD 1910AD (161) 1940AD 954 probability 1660AD (157) 1700AD 1720AD (480) 1820AD 1830AD (133) 1880AD 1910AD (184) 1950ADla ldquoStradivarius gaprdquo
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Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)bull Poicheacute |dNdt| = N per determinare il numero di atomi
N di 14C in un reperto si puograve misurare rarr lrsquoattivitagrave |dNdt|rarr direttamente N
bull misura diretta di N impossibile in MS convenzionale rarr bassissima concentrazione (6 ordini di grandezza
troppo bassa per la MS convenzionale)rarr interferenza isobarica di 14N 12CH2 e 13CH
bull misura di |dNdt| unica possibile e ancora utilizzata ma delicata
rarr decadimento purorarr bassa energia
21
14C da misure di attivitagrave |dNdt| = N
1 mg organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio (04middot10-3 12) 6middot1023 = 2 1019 at di C 24 107 at 14C
conteggio |dNdt| = N soltanto 033 decadimentiora
servono tecniche molto efficienti molto materiale e soprattutto molta pazienza
Tfrac12 = 5730 plusmn 40 anni t = 8277 plusmn 58 anni = 1 = (3836 plusmn 0027)middot10-12 s-1
= (2302 plusmn 0016)middot10-10 min-1 = (138 plusmn 001)middot10-8 h-1 = (3314 plusmn 0023)middot10-7 d-1
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con lrsquoAccelerator Mass Spectrometrycon lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
E allora come si risolve il problemaE allora come si risolve il problema
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Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni negativi elimina negativi elimina
lrsquointerferenza del lrsquointerferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale elimina le interferenze elimina le interferenze
di di 1313CH e CH e 1212CHCH22
Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente dove si mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa e sistemi di rivelazione
24
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
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1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
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Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
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LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
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Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
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Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
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PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
bull Nasce a maggio 2004 nel polo scientifico di Sesto Fiorentino Firenze
bull Il cuore del laboratorio egrave lrsquoacceleratore tendem da 3 MV
bull Egrave lrsquoerede del laboratorio del KN 3000 un acceleratore di piugrave limitate capacitagrave col quale egrave iniziata lrsquoattivitagrave di fisica nucleare per i beni culturali alla fine degli anni 80
bull Il LABEC egrave il laboratorio di fisica nucleare applicata ai beni culturali dellrsquoINFN
3
Fisica Nucleare e Beni Culturali
1 Datazioni ossia analisi radiocarbonio 14C
2 Analisi dei materiali con fasci di ioni o IBA (dallrsquoacronimo inglese Ion Beam Analysis)
4
Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
14C0
T12= 5730 a0+
Q- =1565 keV100
14N
1+ 0
12C asymp 989 13C asymp 11
= 8267 a
Crsquoegrave anche lrsquoisotopo 14C radioattivo
5
Produzione del radiocarbonio
bull In atmosfera produzione di neutroni per reazioni (p n) dei protoni cosmici sui nuclei degli elementi dellrsquoaria (O e N)
bull in atmosfera i neutroni si termalizzano
bull netroni termici rarr reazione 14N(np)14C [th 1 barn]
rate di produzione medio di 14C asymp 22 cm-2 s-1 (massimo rate di produzione tra i 15 e i 18 Km)
bull concentrazione in atmosfera 14C R(14C12C)asymp1210-12
bull in atmosfera il 14C forma tipicamente 14CO2
6
produzione distribuzione e mortedel14C
7
non necessariamente corrette
1 R(14C12C) = 118 10-12 in atmosfera ovunque
2 R(14C12C) = 118 10-12 anche nelle acque terrestri in cui la CO2 atmosferica entra in soluzione
3 R(14C12C) = 118 10-12 anche nel passato (R in pMC o percent of modern carbon 100 pMC rarr R = 118 10-12 )
4 Ogni organismo nella biosfera a causa degli scambi metabolici nellrsquoambito dei cicli vitali (sintesi clorofilliana respirazione cicli alimentari) ha nei suoi tessuti fincheacute vivente R(14C12C) = 118 10-12
Assunzioni per le datazioni col 14C
8
Principio della datazione col 14C
bull Il ndegtotale di atomi non radioattivi C (12C + 13C) non varia
bull Dalla misura di 14R(t) egrave possibile determinare lrsquoetagrave di un reperto di origine organica cioegrave il tempo t trascorso dalla morte dellrsquoorganismo da cui proviene
RCC 14
14
t
RtR exp01414
tR
Rt 14
014
ln
bull Dopo la morte un organismo non ldquoscambiardquo piugrave con la biosfera e non esistono altri meccanismi di formazione assunzione o cessione di 14C per il 14C il sistema egrave ldquochiusordquo
bull Il ndegdi atomi di 14C diminuisce secondo la legge del decadimento radioattivo
9
0
02
04
06
08
1
12
0 10000 20000 30000 40000
C-1
4 co
ncen
trat
ion
Curva di decadimento del 14C
t = middot ln [14R0 14R(t)]
t = middot[ 14R(t) 14R(t)] cioegrave 1 errore in 14R(t) 80 y
14R(t) = 14R0 middot e ndasht
tempo dalla morte (anni)
10-12
10
Limiti delle assunzioni1 - variazioni del rate di formazione al variare del luogo
Osservazioni
bull Il rate di produzione da raggi cosmici varia con la latitudine (campo magnetico terrestre) decrescendo di un fattore circa 5 dallrsquoequatore ai poli
bull Variazioni rapidamente compensate dai flussi atmosferici che rimescolano lrsquoaria intorno alla Terra in tempi brevi (ordine di qualche anno) rispetto alla del 14C
Quindi
bull da questo punto di vistada questo punto di vista lrsquoassunzione di invarianza di R di lrsquoassunzione di invarianza di R di 1414C rispetto al luogo di origine egrave correttaC rispetto al luogo di origine egrave corretta
11
Limiti delle assunzioni2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
bull 20-30 correlate ai cicli di attivitagrave solare che modulano il flusso di raggi cosmici che investono la Terra
Tuttavia
bull periodi di questi cicli brevi rispetto a del 14C
bull effetto ldquoserbatoiordquo dovuto alla concentrazione preesistente
Quindi
bull modulazione temporale nella concentrazione in atmosfera prodotta da queste cause violentemente attenuata
Perograve
bull Variazioni del campo magnetico terrestre su tempi 8 ka
12
Limiti delle assunzioni31 ndash variazioni di 14R nel tempo
Negli ultimi 150 anni
ldquoeffetto Suessrdquo a partire dalla rivoluzione industriale causa rilascio in atmosfera di quantitagrave massicce di CO2
(combustione di carbone fossile privo di 14C) con abbassamento considerevole e permanente di 14R in atmosfera e in tutti gli organismi in equilibrio a tempi brevi con lrsquoatmosfera
13
Limiti delle assunzioni32 ndash variazioni di R nel tempo
Dal 1945 (primo test nucleare ad Alamogordo) al 1963(anno dellrsquoapplicazione del PTBT)
Test nucleari in atmosfera enorme aumento dei flussi
di neutroni in atmosfera con aumento del rate di
produzione di 14C nonostante lrsquoeffetto serbatoio
influenza sensibile anche su R con effetti locali fino
al + 100 (effetto ldquoBomb Spike)
Dal 1963 R diminuisce e si riavvicina ai valori pre-1950
14
Effetto esplosioni nucleari su 14R
15
ma quanto vale 14R(t)
bull Effetti di questi tipi (es grandi eruzioni vulcaniche che possono liberare ingenti quantitagrave di carbonio fossile) possono aver avuto luogo nel passato ed avere alterato temporaneamente la concentrazione 14R di equilibrio
bull Ne consegue che lrsquoipotesi di costanza nel passato della concentrazione 14R(t) nei viventi con un valore sempre uguale a quello ldquoconvenzionalerdquo di 118middot10-12 non egrave corretta
bull Occorre perciograve poter conoscere indipendentemente il valore 14R nel passato con lrsquoaccuratezza e il dettaglio temporale migliori possibile
16
Ricalibrazione
bull Dalla misura sugli anelli di accrescimento di tronchi di alberi datati in dendrocronologia si ottiene una curva di calibrazione accurata fino a circa 104 anni fa
bull Misure su reperti datati storicamente o comunque in modo indipendente
bull Per le correzioni di date oltre i 104 anni misure su coralli datati anche con altre metodiche o estrapolazioni di fenomeni di ciclicitagrave osservata in periodi piugrave recenti ma con maggiore incertezza
17
RicalibrazioneAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
8000CalBC 6000CalBC 4000CalBC 2000CalBCCalBCCalAD2000CalAD
Calibrated date
0BP
2000BP
4000BP
6000BP
8000BP
10000BP
12000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
18
Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anniAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
CalBCCalAD 500CalAD 1000CalAD 1500CalAD 2000CalAD
Calibrated date
0BP
500BP
1000BP
1500BP
2000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
19
Ricalibrazione dalla
radiocarbon age allrsquoetagrave vera
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1400CalAD 1600CalAD 1800CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
0BP
200BP
400BP
600BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn50BP 682 probability 1660AD (113) 1700AD 1720AD (231) 1780AD 1790AD ( 66) 1820AD 1830AD (155) 1880AD 1910AD (116) 1950AD 954 probability 1660AD (954) 1960AD
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1500CalAD 1600CalAD 1700CalAD 1800CalAD 1900CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
-100BP
0BP
100BP
200BP
300BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn20BP 682 probability 1670AD (106) 1700AD 1720AD (323) 1780AD 1790AD ( 92) 1820AD 1910AD (161) 1940AD 954 probability 1660AD (157) 1700AD 1720AD (480) 1820AD 1830AD (133) 1880AD 1910AD (184) 1950ADla ldquoStradivarius gaprdquo
20
Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)bull Poicheacute |dNdt| = N per determinare il numero di atomi
N di 14C in un reperto si puograve misurare rarr lrsquoattivitagrave |dNdt|rarr direttamente N
bull misura diretta di N impossibile in MS convenzionale rarr bassissima concentrazione (6 ordini di grandezza
troppo bassa per la MS convenzionale)rarr interferenza isobarica di 14N 12CH2 e 13CH
bull misura di |dNdt| unica possibile e ancora utilizzata ma delicata
rarr decadimento purorarr bassa energia
21
14C da misure di attivitagrave |dNdt| = N
1 mg organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio (04middot10-3 12) 6middot1023 = 2 1019 at di C 24 107 at 14C
conteggio |dNdt| = N soltanto 033 decadimentiora
servono tecniche molto efficienti molto materiale e soprattutto molta pazienza
Tfrac12 = 5730 plusmn 40 anni t = 8277 plusmn 58 anni = 1 = (3836 plusmn 0027)middot10-12 s-1
= (2302 plusmn 0016)middot10-10 min-1 = (138 plusmn 001)middot10-8 h-1 = (3314 plusmn 0023)middot10-7 d-1
22
con lrsquoAccelerator Mass Spectrometrycon lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
E allora come si risolve il problemaE allora come si risolve il problema
23
Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni negativi elimina negativi elimina
lrsquointerferenza del lrsquointerferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale elimina le interferenze elimina le interferenze
di di 1313CH e CH e 1212CHCH22
Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente dove si mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa e sistemi di rivelazione
24
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
25
1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
3
Fisica Nucleare e Beni Culturali
1 Datazioni ossia analisi radiocarbonio 14C
2 Analisi dei materiali con fasci di ioni o IBA (dallrsquoacronimo inglese Ion Beam Analysis)
4
Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
14C0
T12= 5730 a0+
Q- =1565 keV100
14N
1+ 0
12C asymp 989 13C asymp 11
= 8267 a
Crsquoegrave anche lrsquoisotopo 14C radioattivo
5
Produzione del radiocarbonio
bull In atmosfera produzione di neutroni per reazioni (p n) dei protoni cosmici sui nuclei degli elementi dellrsquoaria (O e N)
bull in atmosfera i neutroni si termalizzano
bull netroni termici rarr reazione 14N(np)14C [th 1 barn]
rate di produzione medio di 14C asymp 22 cm-2 s-1 (massimo rate di produzione tra i 15 e i 18 Km)
bull concentrazione in atmosfera 14C R(14C12C)asymp1210-12
bull in atmosfera il 14C forma tipicamente 14CO2
6
produzione distribuzione e mortedel14C
7
non necessariamente corrette
1 R(14C12C) = 118 10-12 in atmosfera ovunque
2 R(14C12C) = 118 10-12 anche nelle acque terrestri in cui la CO2 atmosferica entra in soluzione
3 R(14C12C) = 118 10-12 anche nel passato (R in pMC o percent of modern carbon 100 pMC rarr R = 118 10-12 )
4 Ogni organismo nella biosfera a causa degli scambi metabolici nellrsquoambito dei cicli vitali (sintesi clorofilliana respirazione cicli alimentari) ha nei suoi tessuti fincheacute vivente R(14C12C) = 118 10-12
Assunzioni per le datazioni col 14C
8
Principio della datazione col 14C
bull Il ndegtotale di atomi non radioattivi C (12C + 13C) non varia
bull Dalla misura di 14R(t) egrave possibile determinare lrsquoetagrave di un reperto di origine organica cioegrave il tempo t trascorso dalla morte dellrsquoorganismo da cui proviene
RCC 14
14
t
RtR exp01414
tR
Rt 14
014
ln
bull Dopo la morte un organismo non ldquoscambiardquo piugrave con la biosfera e non esistono altri meccanismi di formazione assunzione o cessione di 14C per il 14C il sistema egrave ldquochiusordquo
bull Il ndegdi atomi di 14C diminuisce secondo la legge del decadimento radioattivo
9
0
02
04
06
08
1
12
0 10000 20000 30000 40000
C-1
4 co
ncen
trat
ion
Curva di decadimento del 14C
t = middot ln [14R0 14R(t)]
t = middot[ 14R(t) 14R(t)] cioegrave 1 errore in 14R(t) 80 y
14R(t) = 14R0 middot e ndasht
tempo dalla morte (anni)
10-12
10
Limiti delle assunzioni1 - variazioni del rate di formazione al variare del luogo
Osservazioni
bull Il rate di produzione da raggi cosmici varia con la latitudine (campo magnetico terrestre) decrescendo di un fattore circa 5 dallrsquoequatore ai poli
bull Variazioni rapidamente compensate dai flussi atmosferici che rimescolano lrsquoaria intorno alla Terra in tempi brevi (ordine di qualche anno) rispetto alla del 14C
Quindi
bull da questo punto di vistada questo punto di vista lrsquoassunzione di invarianza di R di lrsquoassunzione di invarianza di R di 1414C rispetto al luogo di origine egrave correttaC rispetto al luogo di origine egrave corretta
11
Limiti delle assunzioni2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
bull 20-30 correlate ai cicli di attivitagrave solare che modulano il flusso di raggi cosmici che investono la Terra
Tuttavia
bull periodi di questi cicli brevi rispetto a del 14C
bull effetto ldquoserbatoiordquo dovuto alla concentrazione preesistente
Quindi
bull modulazione temporale nella concentrazione in atmosfera prodotta da queste cause violentemente attenuata
Perograve
bull Variazioni del campo magnetico terrestre su tempi 8 ka
12
Limiti delle assunzioni31 ndash variazioni di 14R nel tempo
Negli ultimi 150 anni
ldquoeffetto Suessrdquo a partire dalla rivoluzione industriale causa rilascio in atmosfera di quantitagrave massicce di CO2
(combustione di carbone fossile privo di 14C) con abbassamento considerevole e permanente di 14R in atmosfera e in tutti gli organismi in equilibrio a tempi brevi con lrsquoatmosfera
13
Limiti delle assunzioni32 ndash variazioni di R nel tempo
Dal 1945 (primo test nucleare ad Alamogordo) al 1963(anno dellrsquoapplicazione del PTBT)
Test nucleari in atmosfera enorme aumento dei flussi
di neutroni in atmosfera con aumento del rate di
produzione di 14C nonostante lrsquoeffetto serbatoio
influenza sensibile anche su R con effetti locali fino
al + 100 (effetto ldquoBomb Spike)
Dal 1963 R diminuisce e si riavvicina ai valori pre-1950
14
Effetto esplosioni nucleari su 14R
15
ma quanto vale 14R(t)
bull Effetti di questi tipi (es grandi eruzioni vulcaniche che possono liberare ingenti quantitagrave di carbonio fossile) possono aver avuto luogo nel passato ed avere alterato temporaneamente la concentrazione 14R di equilibrio
bull Ne consegue che lrsquoipotesi di costanza nel passato della concentrazione 14R(t) nei viventi con un valore sempre uguale a quello ldquoconvenzionalerdquo di 118middot10-12 non egrave corretta
bull Occorre perciograve poter conoscere indipendentemente il valore 14R nel passato con lrsquoaccuratezza e il dettaglio temporale migliori possibile
16
Ricalibrazione
bull Dalla misura sugli anelli di accrescimento di tronchi di alberi datati in dendrocronologia si ottiene una curva di calibrazione accurata fino a circa 104 anni fa
bull Misure su reperti datati storicamente o comunque in modo indipendente
bull Per le correzioni di date oltre i 104 anni misure su coralli datati anche con altre metodiche o estrapolazioni di fenomeni di ciclicitagrave osservata in periodi piugrave recenti ma con maggiore incertezza
17
RicalibrazioneAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
8000CalBC 6000CalBC 4000CalBC 2000CalBCCalBCCalAD2000CalAD
Calibrated date
0BP
2000BP
4000BP
6000BP
8000BP
10000BP
12000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
18
Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anniAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
CalBCCalAD 500CalAD 1000CalAD 1500CalAD 2000CalAD
Calibrated date
0BP
500BP
1000BP
1500BP
2000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
19
Ricalibrazione dalla
radiocarbon age allrsquoetagrave vera
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1400CalAD 1600CalAD 1800CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
0BP
200BP
400BP
600BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn50BP 682 probability 1660AD (113) 1700AD 1720AD (231) 1780AD 1790AD ( 66) 1820AD 1830AD (155) 1880AD 1910AD (116) 1950AD 954 probability 1660AD (954) 1960AD
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1500CalAD 1600CalAD 1700CalAD 1800CalAD 1900CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
-100BP
0BP
100BP
200BP
300BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn20BP 682 probability 1670AD (106) 1700AD 1720AD (323) 1780AD 1790AD ( 92) 1820AD 1910AD (161) 1940AD 954 probability 1660AD (157) 1700AD 1720AD (480) 1820AD 1830AD (133) 1880AD 1910AD (184) 1950ADla ldquoStradivarius gaprdquo
20
Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)bull Poicheacute |dNdt| = N per determinare il numero di atomi
N di 14C in un reperto si puograve misurare rarr lrsquoattivitagrave |dNdt|rarr direttamente N
bull misura diretta di N impossibile in MS convenzionale rarr bassissima concentrazione (6 ordini di grandezza
troppo bassa per la MS convenzionale)rarr interferenza isobarica di 14N 12CH2 e 13CH
bull misura di |dNdt| unica possibile e ancora utilizzata ma delicata
rarr decadimento purorarr bassa energia
21
14C da misure di attivitagrave |dNdt| = N
1 mg organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio (04middot10-3 12) 6middot1023 = 2 1019 at di C 24 107 at 14C
conteggio |dNdt| = N soltanto 033 decadimentiora
servono tecniche molto efficienti molto materiale e soprattutto molta pazienza
Tfrac12 = 5730 plusmn 40 anni t = 8277 plusmn 58 anni = 1 = (3836 plusmn 0027)middot10-12 s-1
= (2302 plusmn 0016)middot10-10 min-1 = (138 plusmn 001)middot10-8 h-1 = (3314 plusmn 0023)middot10-7 d-1
22
con lrsquoAccelerator Mass Spectrometrycon lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
E allora come si risolve il problemaE allora come si risolve il problema
23
Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni negativi elimina negativi elimina
lrsquointerferenza del lrsquointerferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale elimina le interferenze elimina le interferenze
di di 1313CH e CH e 1212CHCH22
Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente dove si mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa e sistemi di rivelazione
24
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
25
1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
4
Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
14C0
T12= 5730 a0+
Q- =1565 keV100
14N
1+ 0
12C asymp 989 13C asymp 11
= 8267 a
Crsquoegrave anche lrsquoisotopo 14C radioattivo
5
Produzione del radiocarbonio
bull In atmosfera produzione di neutroni per reazioni (p n) dei protoni cosmici sui nuclei degli elementi dellrsquoaria (O e N)
bull in atmosfera i neutroni si termalizzano
bull netroni termici rarr reazione 14N(np)14C [th 1 barn]
rate di produzione medio di 14C asymp 22 cm-2 s-1 (massimo rate di produzione tra i 15 e i 18 Km)
bull concentrazione in atmosfera 14C R(14C12C)asymp1210-12
bull in atmosfera il 14C forma tipicamente 14CO2
6
produzione distribuzione e mortedel14C
7
non necessariamente corrette
1 R(14C12C) = 118 10-12 in atmosfera ovunque
2 R(14C12C) = 118 10-12 anche nelle acque terrestri in cui la CO2 atmosferica entra in soluzione
3 R(14C12C) = 118 10-12 anche nel passato (R in pMC o percent of modern carbon 100 pMC rarr R = 118 10-12 )
4 Ogni organismo nella biosfera a causa degli scambi metabolici nellrsquoambito dei cicli vitali (sintesi clorofilliana respirazione cicli alimentari) ha nei suoi tessuti fincheacute vivente R(14C12C) = 118 10-12
Assunzioni per le datazioni col 14C
8
Principio della datazione col 14C
bull Il ndegtotale di atomi non radioattivi C (12C + 13C) non varia
bull Dalla misura di 14R(t) egrave possibile determinare lrsquoetagrave di un reperto di origine organica cioegrave il tempo t trascorso dalla morte dellrsquoorganismo da cui proviene
RCC 14
14
t
RtR exp01414
tR
Rt 14
014
ln
bull Dopo la morte un organismo non ldquoscambiardquo piugrave con la biosfera e non esistono altri meccanismi di formazione assunzione o cessione di 14C per il 14C il sistema egrave ldquochiusordquo
bull Il ndegdi atomi di 14C diminuisce secondo la legge del decadimento radioattivo
9
0
02
04
06
08
1
12
0 10000 20000 30000 40000
C-1
4 co
ncen
trat
ion
Curva di decadimento del 14C
t = middot ln [14R0 14R(t)]
t = middot[ 14R(t) 14R(t)] cioegrave 1 errore in 14R(t) 80 y
14R(t) = 14R0 middot e ndasht
tempo dalla morte (anni)
10-12
10
Limiti delle assunzioni1 - variazioni del rate di formazione al variare del luogo
Osservazioni
bull Il rate di produzione da raggi cosmici varia con la latitudine (campo magnetico terrestre) decrescendo di un fattore circa 5 dallrsquoequatore ai poli
bull Variazioni rapidamente compensate dai flussi atmosferici che rimescolano lrsquoaria intorno alla Terra in tempi brevi (ordine di qualche anno) rispetto alla del 14C
Quindi
bull da questo punto di vistada questo punto di vista lrsquoassunzione di invarianza di R di lrsquoassunzione di invarianza di R di 1414C rispetto al luogo di origine egrave correttaC rispetto al luogo di origine egrave corretta
11
Limiti delle assunzioni2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
bull 20-30 correlate ai cicli di attivitagrave solare che modulano il flusso di raggi cosmici che investono la Terra
Tuttavia
bull periodi di questi cicli brevi rispetto a del 14C
bull effetto ldquoserbatoiordquo dovuto alla concentrazione preesistente
Quindi
bull modulazione temporale nella concentrazione in atmosfera prodotta da queste cause violentemente attenuata
Perograve
bull Variazioni del campo magnetico terrestre su tempi 8 ka
12
Limiti delle assunzioni31 ndash variazioni di 14R nel tempo
Negli ultimi 150 anni
ldquoeffetto Suessrdquo a partire dalla rivoluzione industriale causa rilascio in atmosfera di quantitagrave massicce di CO2
(combustione di carbone fossile privo di 14C) con abbassamento considerevole e permanente di 14R in atmosfera e in tutti gli organismi in equilibrio a tempi brevi con lrsquoatmosfera
13
Limiti delle assunzioni32 ndash variazioni di R nel tempo
Dal 1945 (primo test nucleare ad Alamogordo) al 1963(anno dellrsquoapplicazione del PTBT)
Test nucleari in atmosfera enorme aumento dei flussi
di neutroni in atmosfera con aumento del rate di
produzione di 14C nonostante lrsquoeffetto serbatoio
influenza sensibile anche su R con effetti locali fino
al + 100 (effetto ldquoBomb Spike)
Dal 1963 R diminuisce e si riavvicina ai valori pre-1950
14
Effetto esplosioni nucleari su 14R
15
ma quanto vale 14R(t)
bull Effetti di questi tipi (es grandi eruzioni vulcaniche che possono liberare ingenti quantitagrave di carbonio fossile) possono aver avuto luogo nel passato ed avere alterato temporaneamente la concentrazione 14R di equilibrio
bull Ne consegue che lrsquoipotesi di costanza nel passato della concentrazione 14R(t) nei viventi con un valore sempre uguale a quello ldquoconvenzionalerdquo di 118middot10-12 non egrave corretta
bull Occorre perciograve poter conoscere indipendentemente il valore 14R nel passato con lrsquoaccuratezza e il dettaglio temporale migliori possibile
16
Ricalibrazione
bull Dalla misura sugli anelli di accrescimento di tronchi di alberi datati in dendrocronologia si ottiene una curva di calibrazione accurata fino a circa 104 anni fa
bull Misure su reperti datati storicamente o comunque in modo indipendente
bull Per le correzioni di date oltre i 104 anni misure su coralli datati anche con altre metodiche o estrapolazioni di fenomeni di ciclicitagrave osservata in periodi piugrave recenti ma con maggiore incertezza
17
RicalibrazioneAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
8000CalBC 6000CalBC 4000CalBC 2000CalBCCalBCCalAD2000CalAD
Calibrated date
0BP
2000BP
4000BP
6000BP
8000BP
10000BP
12000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
18
Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anniAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
CalBCCalAD 500CalAD 1000CalAD 1500CalAD 2000CalAD
Calibrated date
0BP
500BP
1000BP
1500BP
2000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
19
Ricalibrazione dalla
radiocarbon age allrsquoetagrave vera
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1400CalAD 1600CalAD 1800CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
0BP
200BP
400BP
600BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn50BP 682 probability 1660AD (113) 1700AD 1720AD (231) 1780AD 1790AD ( 66) 1820AD 1830AD (155) 1880AD 1910AD (116) 1950AD 954 probability 1660AD (954) 1960AD
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1500CalAD 1600CalAD 1700CalAD 1800CalAD 1900CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
-100BP
0BP
100BP
200BP
300BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn20BP 682 probability 1670AD (106) 1700AD 1720AD (323) 1780AD 1790AD ( 92) 1820AD 1910AD (161) 1940AD 954 probability 1660AD (157) 1700AD 1720AD (480) 1820AD 1830AD (133) 1880AD 1910AD (184) 1950ADla ldquoStradivarius gaprdquo
20
Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)bull Poicheacute |dNdt| = N per determinare il numero di atomi
N di 14C in un reperto si puograve misurare rarr lrsquoattivitagrave |dNdt|rarr direttamente N
bull misura diretta di N impossibile in MS convenzionale rarr bassissima concentrazione (6 ordini di grandezza
troppo bassa per la MS convenzionale)rarr interferenza isobarica di 14N 12CH2 e 13CH
bull misura di |dNdt| unica possibile e ancora utilizzata ma delicata
rarr decadimento purorarr bassa energia
21
14C da misure di attivitagrave |dNdt| = N
1 mg organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio (04middot10-3 12) 6middot1023 = 2 1019 at di C 24 107 at 14C
conteggio |dNdt| = N soltanto 033 decadimentiora
servono tecniche molto efficienti molto materiale e soprattutto molta pazienza
Tfrac12 = 5730 plusmn 40 anni t = 8277 plusmn 58 anni = 1 = (3836 plusmn 0027)middot10-12 s-1
= (2302 plusmn 0016)middot10-10 min-1 = (138 plusmn 001)middot10-8 h-1 = (3314 plusmn 0023)middot10-7 d-1
22
con lrsquoAccelerator Mass Spectrometrycon lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
E allora come si risolve il problemaE allora come si risolve il problema
23
Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni negativi elimina negativi elimina
lrsquointerferenza del lrsquointerferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale elimina le interferenze elimina le interferenze
di di 1313CH e CH e 1212CHCH22
Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente dove si mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa e sistemi di rivelazione
24
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
25
1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
5
Produzione del radiocarbonio
bull In atmosfera produzione di neutroni per reazioni (p n) dei protoni cosmici sui nuclei degli elementi dellrsquoaria (O e N)
bull in atmosfera i neutroni si termalizzano
bull netroni termici rarr reazione 14N(np)14C [th 1 barn]
rate di produzione medio di 14C asymp 22 cm-2 s-1 (massimo rate di produzione tra i 15 e i 18 Km)
bull concentrazione in atmosfera 14C R(14C12C)asymp1210-12
bull in atmosfera il 14C forma tipicamente 14CO2
6
produzione distribuzione e mortedel14C
7
non necessariamente corrette
1 R(14C12C) = 118 10-12 in atmosfera ovunque
2 R(14C12C) = 118 10-12 anche nelle acque terrestri in cui la CO2 atmosferica entra in soluzione
3 R(14C12C) = 118 10-12 anche nel passato (R in pMC o percent of modern carbon 100 pMC rarr R = 118 10-12 )
4 Ogni organismo nella biosfera a causa degli scambi metabolici nellrsquoambito dei cicli vitali (sintesi clorofilliana respirazione cicli alimentari) ha nei suoi tessuti fincheacute vivente R(14C12C) = 118 10-12
Assunzioni per le datazioni col 14C
8
Principio della datazione col 14C
bull Il ndegtotale di atomi non radioattivi C (12C + 13C) non varia
bull Dalla misura di 14R(t) egrave possibile determinare lrsquoetagrave di un reperto di origine organica cioegrave il tempo t trascorso dalla morte dellrsquoorganismo da cui proviene
RCC 14
14
t
RtR exp01414
tR
Rt 14
014
ln
bull Dopo la morte un organismo non ldquoscambiardquo piugrave con la biosfera e non esistono altri meccanismi di formazione assunzione o cessione di 14C per il 14C il sistema egrave ldquochiusordquo
bull Il ndegdi atomi di 14C diminuisce secondo la legge del decadimento radioattivo
9
0
02
04
06
08
1
12
0 10000 20000 30000 40000
C-1
4 co
ncen
trat
ion
Curva di decadimento del 14C
t = middot ln [14R0 14R(t)]
t = middot[ 14R(t) 14R(t)] cioegrave 1 errore in 14R(t) 80 y
14R(t) = 14R0 middot e ndasht
tempo dalla morte (anni)
10-12
10
Limiti delle assunzioni1 - variazioni del rate di formazione al variare del luogo
Osservazioni
bull Il rate di produzione da raggi cosmici varia con la latitudine (campo magnetico terrestre) decrescendo di un fattore circa 5 dallrsquoequatore ai poli
bull Variazioni rapidamente compensate dai flussi atmosferici che rimescolano lrsquoaria intorno alla Terra in tempi brevi (ordine di qualche anno) rispetto alla del 14C
Quindi
bull da questo punto di vistada questo punto di vista lrsquoassunzione di invarianza di R di lrsquoassunzione di invarianza di R di 1414C rispetto al luogo di origine egrave correttaC rispetto al luogo di origine egrave corretta
11
Limiti delle assunzioni2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
bull 20-30 correlate ai cicli di attivitagrave solare che modulano il flusso di raggi cosmici che investono la Terra
Tuttavia
bull periodi di questi cicli brevi rispetto a del 14C
bull effetto ldquoserbatoiordquo dovuto alla concentrazione preesistente
Quindi
bull modulazione temporale nella concentrazione in atmosfera prodotta da queste cause violentemente attenuata
Perograve
bull Variazioni del campo magnetico terrestre su tempi 8 ka
12
Limiti delle assunzioni31 ndash variazioni di 14R nel tempo
Negli ultimi 150 anni
ldquoeffetto Suessrdquo a partire dalla rivoluzione industriale causa rilascio in atmosfera di quantitagrave massicce di CO2
(combustione di carbone fossile privo di 14C) con abbassamento considerevole e permanente di 14R in atmosfera e in tutti gli organismi in equilibrio a tempi brevi con lrsquoatmosfera
13
Limiti delle assunzioni32 ndash variazioni di R nel tempo
Dal 1945 (primo test nucleare ad Alamogordo) al 1963(anno dellrsquoapplicazione del PTBT)
Test nucleari in atmosfera enorme aumento dei flussi
di neutroni in atmosfera con aumento del rate di
produzione di 14C nonostante lrsquoeffetto serbatoio
influenza sensibile anche su R con effetti locali fino
al + 100 (effetto ldquoBomb Spike)
Dal 1963 R diminuisce e si riavvicina ai valori pre-1950
14
Effetto esplosioni nucleari su 14R
15
ma quanto vale 14R(t)
bull Effetti di questi tipi (es grandi eruzioni vulcaniche che possono liberare ingenti quantitagrave di carbonio fossile) possono aver avuto luogo nel passato ed avere alterato temporaneamente la concentrazione 14R di equilibrio
bull Ne consegue che lrsquoipotesi di costanza nel passato della concentrazione 14R(t) nei viventi con un valore sempre uguale a quello ldquoconvenzionalerdquo di 118middot10-12 non egrave corretta
bull Occorre perciograve poter conoscere indipendentemente il valore 14R nel passato con lrsquoaccuratezza e il dettaglio temporale migliori possibile
16
Ricalibrazione
bull Dalla misura sugli anelli di accrescimento di tronchi di alberi datati in dendrocronologia si ottiene una curva di calibrazione accurata fino a circa 104 anni fa
bull Misure su reperti datati storicamente o comunque in modo indipendente
bull Per le correzioni di date oltre i 104 anni misure su coralli datati anche con altre metodiche o estrapolazioni di fenomeni di ciclicitagrave osservata in periodi piugrave recenti ma con maggiore incertezza
17
RicalibrazioneAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
8000CalBC 6000CalBC 4000CalBC 2000CalBCCalBCCalAD2000CalAD
Calibrated date
0BP
2000BP
4000BP
6000BP
8000BP
10000BP
12000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
18
Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anniAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
CalBCCalAD 500CalAD 1000CalAD 1500CalAD 2000CalAD
Calibrated date
0BP
500BP
1000BP
1500BP
2000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
19
Ricalibrazione dalla
radiocarbon age allrsquoetagrave vera
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1400CalAD 1600CalAD 1800CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
0BP
200BP
400BP
600BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn50BP 682 probability 1660AD (113) 1700AD 1720AD (231) 1780AD 1790AD ( 66) 1820AD 1830AD (155) 1880AD 1910AD (116) 1950AD 954 probability 1660AD (954) 1960AD
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1500CalAD 1600CalAD 1700CalAD 1800CalAD 1900CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
-100BP
0BP
100BP
200BP
300BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn20BP 682 probability 1670AD (106) 1700AD 1720AD (323) 1780AD 1790AD ( 92) 1820AD 1910AD (161) 1940AD 954 probability 1660AD (157) 1700AD 1720AD (480) 1820AD 1830AD (133) 1880AD 1910AD (184) 1950ADla ldquoStradivarius gaprdquo
20
Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)bull Poicheacute |dNdt| = N per determinare il numero di atomi
N di 14C in un reperto si puograve misurare rarr lrsquoattivitagrave |dNdt|rarr direttamente N
bull misura diretta di N impossibile in MS convenzionale rarr bassissima concentrazione (6 ordini di grandezza
troppo bassa per la MS convenzionale)rarr interferenza isobarica di 14N 12CH2 e 13CH
bull misura di |dNdt| unica possibile e ancora utilizzata ma delicata
rarr decadimento purorarr bassa energia
21
14C da misure di attivitagrave |dNdt| = N
1 mg organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio (04middot10-3 12) 6middot1023 = 2 1019 at di C 24 107 at 14C
conteggio |dNdt| = N soltanto 033 decadimentiora
servono tecniche molto efficienti molto materiale e soprattutto molta pazienza
Tfrac12 = 5730 plusmn 40 anni t = 8277 plusmn 58 anni = 1 = (3836 plusmn 0027)middot10-12 s-1
= (2302 plusmn 0016)middot10-10 min-1 = (138 plusmn 001)middot10-8 h-1 = (3314 plusmn 0023)middot10-7 d-1
22
con lrsquoAccelerator Mass Spectrometrycon lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
E allora come si risolve il problemaE allora come si risolve il problema
23
Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni negativi elimina negativi elimina
lrsquointerferenza del lrsquointerferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale elimina le interferenze elimina le interferenze
di di 1313CH e CH e 1212CHCH22
Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente dove si mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa e sistemi di rivelazione
24
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
25
1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
6
produzione distribuzione e mortedel14C
7
non necessariamente corrette
1 R(14C12C) = 118 10-12 in atmosfera ovunque
2 R(14C12C) = 118 10-12 anche nelle acque terrestri in cui la CO2 atmosferica entra in soluzione
3 R(14C12C) = 118 10-12 anche nel passato (R in pMC o percent of modern carbon 100 pMC rarr R = 118 10-12 )
4 Ogni organismo nella biosfera a causa degli scambi metabolici nellrsquoambito dei cicli vitali (sintesi clorofilliana respirazione cicli alimentari) ha nei suoi tessuti fincheacute vivente R(14C12C) = 118 10-12
Assunzioni per le datazioni col 14C
8
Principio della datazione col 14C
bull Il ndegtotale di atomi non radioattivi C (12C + 13C) non varia
bull Dalla misura di 14R(t) egrave possibile determinare lrsquoetagrave di un reperto di origine organica cioegrave il tempo t trascorso dalla morte dellrsquoorganismo da cui proviene
RCC 14
14
t
RtR exp01414
tR
Rt 14
014
ln
bull Dopo la morte un organismo non ldquoscambiardquo piugrave con la biosfera e non esistono altri meccanismi di formazione assunzione o cessione di 14C per il 14C il sistema egrave ldquochiusordquo
bull Il ndegdi atomi di 14C diminuisce secondo la legge del decadimento radioattivo
9
0
02
04
06
08
1
12
0 10000 20000 30000 40000
C-1
4 co
ncen
trat
ion
Curva di decadimento del 14C
t = middot ln [14R0 14R(t)]
t = middot[ 14R(t) 14R(t)] cioegrave 1 errore in 14R(t) 80 y
14R(t) = 14R0 middot e ndasht
tempo dalla morte (anni)
10-12
10
Limiti delle assunzioni1 - variazioni del rate di formazione al variare del luogo
Osservazioni
bull Il rate di produzione da raggi cosmici varia con la latitudine (campo magnetico terrestre) decrescendo di un fattore circa 5 dallrsquoequatore ai poli
bull Variazioni rapidamente compensate dai flussi atmosferici che rimescolano lrsquoaria intorno alla Terra in tempi brevi (ordine di qualche anno) rispetto alla del 14C
Quindi
bull da questo punto di vistada questo punto di vista lrsquoassunzione di invarianza di R di lrsquoassunzione di invarianza di R di 1414C rispetto al luogo di origine egrave correttaC rispetto al luogo di origine egrave corretta
11
Limiti delle assunzioni2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
bull 20-30 correlate ai cicli di attivitagrave solare che modulano il flusso di raggi cosmici che investono la Terra
Tuttavia
bull periodi di questi cicli brevi rispetto a del 14C
bull effetto ldquoserbatoiordquo dovuto alla concentrazione preesistente
Quindi
bull modulazione temporale nella concentrazione in atmosfera prodotta da queste cause violentemente attenuata
Perograve
bull Variazioni del campo magnetico terrestre su tempi 8 ka
12
Limiti delle assunzioni31 ndash variazioni di 14R nel tempo
Negli ultimi 150 anni
ldquoeffetto Suessrdquo a partire dalla rivoluzione industriale causa rilascio in atmosfera di quantitagrave massicce di CO2
(combustione di carbone fossile privo di 14C) con abbassamento considerevole e permanente di 14R in atmosfera e in tutti gli organismi in equilibrio a tempi brevi con lrsquoatmosfera
13
Limiti delle assunzioni32 ndash variazioni di R nel tempo
Dal 1945 (primo test nucleare ad Alamogordo) al 1963(anno dellrsquoapplicazione del PTBT)
Test nucleari in atmosfera enorme aumento dei flussi
di neutroni in atmosfera con aumento del rate di
produzione di 14C nonostante lrsquoeffetto serbatoio
influenza sensibile anche su R con effetti locali fino
al + 100 (effetto ldquoBomb Spike)
Dal 1963 R diminuisce e si riavvicina ai valori pre-1950
14
Effetto esplosioni nucleari su 14R
15
ma quanto vale 14R(t)
bull Effetti di questi tipi (es grandi eruzioni vulcaniche che possono liberare ingenti quantitagrave di carbonio fossile) possono aver avuto luogo nel passato ed avere alterato temporaneamente la concentrazione 14R di equilibrio
bull Ne consegue che lrsquoipotesi di costanza nel passato della concentrazione 14R(t) nei viventi con un valore sempre uguale a quello ldquoconvenzionalerdquo di 118middot10-12 non egrave corretta
bull Occorre perciograve poter conoscere indipendentemente il valore 14R nel passato con lrsquoaccuratezza e il dettaglio temporale migliori possibile
16
Ricalibrazione
bull Dalla misura sugli anelli di accrescimento di tronchi di alberi datati in dendrocronologia si ottiene una curva di calibrazione accurata fino a circa 104 anni fa
bull Misure su reperti datati storicamente o comunque in modo indipendente
bull Per le correzioni di date oltre i 104 anni misure su coralli datati anche con altre metodiche o estrapolazioni di fenomeni di ciclicitagrave osservata in periodi piugrave recenti ma con maggiore incertezza
17
RicalibrazioneAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
8000CalBC 6000CalBC 4000CalBC 2000CalBCCalBCCalAD2000CalAD
Calibrated date
0BP
2000BP
4000BP
6000BP
8000BP
10000BP
12000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
18
Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anniAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
CalBCCalAD 500CalAD 1000CalAD 1500CalAD 2000CalAD
Calibrated date
0BP
500BP
1000BP
1500BP
2000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
19
Ricalibrazione dalla
radiocarbon age allrsquoetagrave vera
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1400CalAD 1600CalAD 1800CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
0BP
200BP
400BP
600BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn50BP 682 probability 1660AD (113) 1700AD 1720AD (231) 1780AD 1790AD ( 66) 1820AD 1830AD (155) 1880AD 1910AD (116) 1950AD 954 probability 1660AD (954) 1960AD
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1500CalAD 1600CalAD 1700CalAD 1800CalAD 1900CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
-100BP
0BP
100BP
200BP
300BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn20BP 682 probability 1670AD (106) 1700AD 1720AD (323) 1780AD 1790AD ( 92) 1820AD 1910AD (161) 1940AD 954 probability 1660AD (157) 1700AD 1720AD (480) 1820AD 1830AD (133) 1880AD 1910AD (184) 1950ADla ldquoStradivarius gaprdquo
20
Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)bull Poicheacute |dNdt| = N per determinare il numero di atomi
N di 14C in un reperto si puograve misurare rarr lrsquoattivitagrave |dNdt|rarr direttamente N
bull misura diretta di N impossibile in MS convenzionale rarr bassissima concentrazione (6 ordini di grandezza
troppo bassa per la MS convenzionale)rarr interferenza isobarica di 14N 12CH2 e 13CH
bull misura di |dNdt| unica possibile e ancora utilizzata ma delicata
rarr decadimento purorarr bassa energia
21
14C da misure di attivitagrave |dNdt| = N
1 mg organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio (04middot10-3 12) 6middot1023 = 2 1019 at di C 24 107 at 14C
conteggio |dNdt| = N soltanto 033 decadimentiora
servono tecniche molto efficienti molto materiale e soprattutto molta pazienza
Tfrac12 = 5730 plusmn 40 anni t = 8277 plusmn 58 anni = 1 = (3836 plusmn 0027)middot10-12 s-1
= (2302 plusmn 0016)middot10-10 min-1 = (138 plusmn 001)middot10-8 h-1 = (3314 plusmn 0023)middot10-7 d-1
22
con lrsquoAccelerator Mass Spectrometrycon lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
E allora come si risolve il problemaE allora come si risolve il problema
23
Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni negativi elimina negativi elimina
lrsquointerferenza del lrsquointerferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale elimina le interferenze elimina le interferenze
di di 1313CH e CH e 1212CHCH22
Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente dove si mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa e sistemi di rivelazione
24
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
25
1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
7
non necessariamente corrette
1 R(14C12C) = 118 10-12 in atmosfera ovunque
2 R(14C12C) = 118 10-12 anche nelle acque terrestri in cui la CO2 atmosferica entra in soluzione
3 R(14C12C) = 118 10-12 anche nel passato (R in pMC o percent of modern carbon 100 pMC rarr R = 118 10-12 )
4 Ogni organismo nella biosfera a causa degli scambi metabolici nellrsquoambito dei cicli vitali (sintesi clorofilliana respirazione cicli alimentari) ha nei suoi tessuti fincheacute vivente R(14C12C) = 118 10-12
Assunzioni per le datazioni col 14C
8
Principio della datazione col 14C
bull Il ndegtotale di atomi non radioattivi C (12C + 13C) non varia
bull Dalla misura di 14R(t) egrave possibile determinare lrsquoetagrave di un reperto di origine organica cioegrave il tempo t trascorso dalla morte dellrsquoorganismo da cui proviene
RCC 14
14
t
RtR exp01414
tR
Rt 14
014
ln
bull Dopo la morte un organismo non ldquoscambiardquo piugrave con la biosfera e non esistono altri meccanismi di formazione assunzione o cessione di 14C per il 14C il sistema egrave ldquochiusordquo
bull Il ndegdi atomi di 14C diminuisce secondo la legge del decadimento radioattivo
9
0
02
04
06
08
1
12
0 10000 20000 30000 40000
C-1
4 co
ncen
trat
ion
Curva di decadimento del 14C
t = middot ln [14R0 14R(t)]
t = middot[ 14R(t) 14R(t)] cioegrave 1 errore in 14R(t) 80 y
14R(t) = 14R0 middot e ndasht
tempo dalla morte (anni)
10-12
10
Limiti delle assunzioni1 - variazioni del rate di formazione al variare del luogo
Osservazioni
bull Il rate di produzione da raggi cosmici varia con la latitudine (campo magnetico terrestre) decrescendo di un fattore circa 5 dallrsquoequatore ai poli
bull Variazioni rapidamente compensate dai flussi atmosferici che rimescolano lrsquoaria intorno alla Terra in tempi brevi (ordine di qualche anno) rispetto alla del 14C
Quindi
bull da questo punto di vistada questo punto di vista lrsquoassunzione di invarianza di R di lrsquoassunzione di invarianza di R di 1414C rispetto al luogo di origine egrave correttaC rispetto al luogo di origine egrave corretta
11
Limiti delle assunzioni2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
bull 20-30 correlate ai cicli di attivitagrave solare che modulano il flusso di raggi cosmici che investono la Terra
Tuttavia
bull periodi di questi cicli brevi rispetto a del 14C
bull effetto ldquoserbatoiordquo dovuto alla concentrazione preesistente
Quindi
bull modulazione temporale nella concentrazione in atmosfera prodotta da queste cause violentemente attenuata
Perograve
bull Variazioni del campo magnetico terrestre su tempi 8 ka
12
Limiti delle assunzioni31 ndash variazioni di 14R nel tempo
Negli ultimi 150 anni
ldquoeffetto Suessrdquo a partire dalla rivoluzione industriale causa rilascio in atmosfera di quantitagrave massicce di CO2
(combustione di carbone fossile privo di 14C) con abbassamento considerevole e permanente di 14R in atmosfera e in tutti gli organismi in equilibrio a tempi brevi con lrsquoatmosfera
13
Limiti delle assunzioni32 ndash variazioni di R nel tempo
Dal 1945 (primo test nucleare ad Alamogordo) al 1963(anno dellrsquoapplicazione del PTBT)
Test nucleari in atmosfera enorme aumento dei flussi
di neutroni in atmosfera con aumento del rate di
produzione di 14C nonostante lrsquoeffetto serbatoio
influenza sensibile anche su R con effetti locali fino
al + 100 (effetto ldquoBomb Spike)
Dal 1963 R diminuisce e si riavvicina ai valori pre-1950
14
Effetto esplosioni nucleari su 14R
15
ma quanto vale 14R(t)
bull Effetti di questi tipi (es grandi eruzioni vulcaniche che possono liberare ingenti quantitagrave di carbonio fossile) possono aver avuto luogo nel passato ed avere alterato temporaneamente la concentrazione 14R di equilibrio
bull Ne consegue che lrsquoipotesi di costanza nel passato della concentrazione 14R(t) nei viventi con un valore sempre uguale a quello ldquoconvenzionalerdquo di 118middot10-12 non egrave corretta
bull Occorre perciograve poter conoscere indipendentemente il valore 14R nel passato con lrsquoaccuratezza e il dettaglio temporale migliori possibile
16
Ricalibrazione
bull Dalla misura sugli anelli di accrescimento di tronchi di alberi datati in dendrocronologia si ottiene una curva di calibrazione accurata fino a circa 104 anni fa
bull Misure su reperti datati storicamente o comunque in modo indipendente
bull Per le correzioni di date oltre i 104 anni misure su coralli datati anche con altre metodiche o estrapolazioni di fenomeni di ciclicitagrave osservata in periodi piugrave recenti ma con maggiore incertezza
17
RicalibrazioneAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
8000CalBC 6000CalBC 4000CalBC 2000CalBCCalBCCalAD2000CalAD
Calibrated date
0BP
2000BP
4000BP
6000BP
8000BP
10000BP
12000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
18
Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anniAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
CalBCCalAD 500CalAD 1000CalAD 1500CalAD 2000CalAD
Calibrated date
0BP
500BP
1000BP
1500BP
2000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
19
Ricalibrazione dalla
radiocarbon age allrsquoetagrave vera
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1400CalAD 1600CalAD 1800CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
0BP
200BP
400BP
600BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn50BP 682 probability 1660AD (113) 1700AD 1720AD (231) 1780AD 1790AD ( 66) 1820AD 1830AD (155) 1880AD 1910AD (116) 1950AD 954 probability 1660AD (954) 1960AD
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1500CalAD 1600CalAD 1700CalAD 1800CalAD 1900CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
-100BP
0BP
100BP
200BP
300BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn20BP 682 probability 1670AD (106) 1700AD 1720AD (323) 1780AD 1790AD ( 92) 1820AD 1910AD (161) 1940AD 954 probability 1660AD (157) 1700AD 1720AD (480) 1820AD 1830AD (133) 1880AD 1910AD (184) 1950ADla ldquoStradivarius gaprdquo
20
Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)bull Poicheacute |dNdt| = N per determinare il numero di atomi
N di 14C in un reperto si puograve misurare rarr lrsquoattivitagrave |dNdt|rarr direttamente N
bull misura diretta di N impossibile in MS convenzionale rarr bassissima concentrazione (6 ordini di grandezza
troppo bassa per la MS convenzionale)rarr interferenza isobarica di 14N 12CH2 e 13CH
bull misura di |dNdt| unica possibile e ancora utilizzata ma delicata
rarr decadimento purorarr bassa energia
21
14C da misure di attivitagrave |dNdt| = N
1 mg organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio (04middot10-3 12) 6middot1023 = 2 1019 at di C 24 107 at 14C
conteggio |dNdt| = N soltanto 033 decadimentiora
servono tecniche molto efficienti molto materiale e soprattutto molta pazienza
Tfrac12 = 5730 plusmn 40 anni t = 8277 plusmn 58 anni = 1 = (3836 plusmn 0027)middot10-12 s-1
= (2302 plusmn 0016)middot10-10 min-1 = (138 plusmn 001)middot10-8 h-1 = (3314 plusmn 0023)middot10-7 d-1
22
con lrsquoAccelerator Mass Spectrometrycon lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
E allora come si risolve il problemaE allora come si risolve il problema
23
Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni negativi elimina negativi elimina
lrsquointerferenza del lrsquointerferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale elimina le interferenze elimina le interferenze
di di 1313CH e CH e 1212CHCH22
Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente dove si mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa e sistemi di rivelazione
24
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
25
1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
8
Principio della datazione col 14C
bull Il ndegtotale di atomi non radioattivi C (12C + 13C) non varia
bull Dalla misura di 14R(t) egrave possibile determinare lrsquoetagrave di un reperto di origine organica cioegrave il tempo t trascorso dalla morte dellrsquoorganismo da cui proviene
RCC 14
14
t
RtR exp01414
tR
Rt 14
014
ln
bull Dopo la morte un organismo non ldquoscambiardquo piugrave con la biosfera e non esistono altri meccanismi di formazione assunzione o cessione di 14C per il 14C il sistema egrave ldquochiusordquo
bull Il ndegdi atomi di 14C diminuisce secondo la legge del decadimento radioattivo
9
0
02
04
06
08
1
12
0 10000 20000 30000 40000
C-1
4 co
ncen
trat
ion
Curva di decadimento del 14C
t = middot ln [14R0 14R(t)]
t = middot[ 14R(t) 14R(t)] cioegrave 1 errore in 14R(t) 80 y
14R(t) = 14R0 middot e ndasht
tempo dalla morte (anni)
10-12
10
Limiti delle assunzioni1 - variazioni del rate di formazione al variare del luogo
Osservazioni
bull Il rate di produzione da raggi cosmici varia con la latitudine (campo magnetico terrestre) decrescendo di un fattore circa 5 dallrsquoequatore ai poli
bull Variazioni rapidamente compensate dai flussi atmosferici che rimescolano lrsquoaria intorno alla Terra in tempi brevi (ordine di qualche anno) rispetto alla del 14C
Quindi
bull da questo punto di vistada questo punto di vista lrsquoassunzione di invarianza di R di lrsquoassunzione di invarianza di R di 1414C rispetto al luogo di origine egrave correttaC rispetto al luogo di origine egrave corretta
11
Limiti delle assunzioni2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
bull 20-30 correlate ai cicli di attivitagrave solare che modulano il flusso di raggi cosmici che investono la Terra
Tuttavia
bull periodi di questi cicli brevi rispetto a del 14C
bull effetto ldquoserbatoiordquo dovuto alla concentrazione preesistente
Quindi
bull modulazione temporale nella concentrazione in atmosfera prodotta da queste cause violentemente attenuata
Perograve
bull Variazioni del campo magnetico terrestre su tempi 8 ka
12
Limiti delle assunzioni31 ndash variazioni di 14R nel tempo
Negli ultimi 150 anni
ldquoeffetto Suessrdquo a partire dalla rivoluzione industriale causa rilascio in atmosfera di quantitagrave massicce di CO2
(combustione di carbone fossile privo di 14C) con abbassamento considerevole e permanente di 14R in atmosfera e in tutti gli organismi in equilibrio a tempi brevi con lrsquoatmosfera
13
Limiti delle assunzioni32 ndash variazioni di R nel tempo
Dal 1945 (primo test nucleare ad Alamogordo) al 1963(anno dellrsquoapplicazione del PTBT)
Test nucleari in atmosfera enorme aumento dei flussi
di neutroni in atmosfera con aumento del rate di
produzione di 14C nonostante lrsquoeffetto serbatoio
influenza sensibile anche su R con effetti locali fino
al + 100 (effetto ldquoBomb Spike)
Dal 1963 R diminuisce e si riavvicina ai valori pre-1950
14
Effetto esplosioni nucleari su 14R
15
ma quanto vale 14R(t)
bull Effetti di questi tipi (es grandi eruzioni vulcaniche che possono liberare ingenti quantitagrave di carbonio fossile) possono aver avuto luogo nel passato ed avere alterato temporaneamente la concentrazione 14R di equilibrio
bull Ne consegue che lrsquoipotesi di costanza nel passato della concentrazione 14R(t) nei viventi con un valore sempre uguale a quello ldquoconvenzionalerdquo di 118middot10-12 non egrave corretta
bull Occorre perciograve poter conoscere indipendentemente il valore 14R nel passato con lrsquoaccuratezza e il dettaglio temporale migliori possibile
16
Ricalibrazione
bull Dalla misura sugli anelli di accrescimento di tronchi di alberi datati in dendrocronologia si ottiene una curva di calibrazione accurata fino a circa 104 anni fa
bull Misure su reperti datati storicamente o comunque in modo indipendente
bull Per le correzioni di date oltre i 104 anni misure su coralli datati anche con altre metodiche o estrapolazioni di fenomeni di ciclicitagrave osservata in periodi piugrave recenti ma con maggiore incertezza
17
RicalibrazioneAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
8000CalBC 6000CalBC 4000CalBC 2000CalBCCalBCCalAD2000CalAD
Calibrated date
0BP
2000BP
4000BP
6000BP
8000BP
10000BP
12000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
18
Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anniAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
CalBCCalAD 500CalAD 1000CalAD 1500CalAD 2000CalAD
Calibrated date
0BP
500BP
1000BP
1500BP
2000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
19
Ricalibrazione dalla
radiocarbon age allrsquoetagrave vera
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1400CalAD 1600CalAD 1800CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
0BP
200BP
400BP
600BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn50BP 682 probability 1660AD (113) 1700AD 1720AD (231) 1780AD 1790AD ( 66) 1820AD 1830AD (155) 1880AD 1910AD (116) 1950AD 954 probability 1660AD (954) 1960AD
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1500CalAD 1600CalAD 1700CalAD 1800CalAD 1900CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
-100BP
0BP
100BP
200BP
300BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn20BP 682 probability 1670AD (106) 1700AD 1720AD (323) 1780AD 1790AD ( 92) 1820AD 1910AD (161) 1940AD 954 probability 1660AD (157) 1700AD 1720AD (480) 1820AD 1830AD (133) 1880AD 1910AD (184) 1950ADla ldquoStradivarius gaprdquo
20
Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)bull Poicheacute |dNdt| = N per determinare il numero di atomi
N di 14C in un reperto si puograve misurare rarr lrsquoattivitagrave |dNdt|rarr direttamente N
bull misura diretta di N impossibile in MS convenzionale rarr bassissima concentrazione (6 ordini di grandezza
troppo bassa per la MS convenzionale)rarr interferenza isobarica di 14N 12CH2 e 13CH
bull misura di |dNdt| unica possibile e ancora utilizzata ma delicata
rarr decadimento purorarr bassa energia
21
14C da misure di attivitagrave |dNdt| = N
1 mg organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio (04middot10-3 12) 6middot1023 = 2 1019 at di C 24 107 at 14C
conteggio |dNdt| = N soltanto 033 decadimentiora
servono tecniche molto efficienti molto materiale e soprattutto molta pazienza
Tfrac12 = 5730 plusmn 40 anni t = 8277 plusmn 58 anni = 1 = (3836 plusmn 0027)middot10-12 s-1
= (2302 plusmn 0016)middot10-10 min-1 = (138 plusmn 001)middot10-8 h-1 = (3314 plusmn 0023)middot10-7 d-1
22
con lrsquoAccelerator Mass Spectrometrycon lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
E allora come si risolve il problemaE allora come si risolve il problema
23
Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni negativi elimina negativi elimina
lrsquointerferenza del lrsquointerferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale elimina le interferenze elimina le interferenze
di di 1313CH e CH e 1212CHCH22
Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente dove si mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa e sistemi di rivelazione
24
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
25
1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
9
0
02
04
06
08
1
12
0 10000 20000 30000 40000
C-1
4 co
ncen
trat
ion
Curva di decadimento del 14C
t = middot ln [14R0 14R(t)]
t = middot[ 14R(t) 14R(t)] cioegrave 1 errore in 14R(t) 80 y
14R(t) = 14R0 middot e ndasht
tempo dalla morte (anni)
10-12
10
Limiti delle assunzioni1 - variazioni del rate di formazione al variare del luogo
Osservazioni
bull Il rate di produzione da raggi cosmici varia con la latitudine (campo magnetico terrestre) decrescendo di un fattore circa 5 dallrsquoequatore ai poli
bull Variazioni rapidamente compensate dai flussi atmosferici che rimescolano lrsquoaria intorno alla Terra in tempi brevi (ordine di qualche anno) rispetto alla del 14C
Quindi
bull da questo punto di vistada questo punto di vista lrsquoassunzione di invarianza di R di lrsquoassunzione di invarianza di R di 1414C rispetto al luogo di origine egrave correttaC rispetto al luogo di origine egrave corretta
11
Limiti delle assunzioni2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
bull 20-30 correlate ai cicli di attivitagrave solare che modulano il flusso di raggi cosmici che investono la Terra
Tuttavia
bull periodi di questi cicli brevi rispetto a del 14C
bull effetto ldquoserbatoiordquo dovuto alla concentrazione preesistente
Quindi
bull modulazione temporale nella concentrazione in atmosfera prodotta da queste cause violentemente attenuata
Perograve
bull Variazioni del campo magnetico terrestre su tempi 8 ka
12
Limiti delle assunzioni31 ndash variazioni di 14R nel tempo
Negli ultimi 150 anni
ldquoeffetto Suessrdquo a partire dalla rivoluzione industriale causa rilascio in atmosfera di quantitagrave massicce di CO2
(combustione di carbone fossile privo di 14C) con abbassamento considerevole e permanente di 14R in atmosfera e in tutti gli organismi in equilibrio a tempi brevi con lrsquoatmosfera
13
Limiti delle assunzioni32 ndash variazioni di R nel tempo
Dal 1945 (primo test nucleare ad Alamogordo) al 1963(anno dellrsquoapplicazione del PTBT)
Test nucleari in atmosfera enorme aumento dei flussi
di neutroni in atmosfera con aumento del rate di
produzione di 14C nonostante lrsquoeffetto serbatoio
influenza sensibile anche su R con effetti locali fino
al + 100 (effetto ldquoBomb Spike)
Dal 1963 R diminuisce e si riavvicina ai valori pre-1950
14
Effetto esplosioni nucleari su 14R
15
ma quanto vale 14R(t)
bull Effetti di questi tipi (es grandi eruzioni vulcaniche che possono liberare ingenti quantitagrave di carbonio fossile) possono aver avuto luogo nel passato ed avere alterato temporaneamente la concentrazione 14R di equilibrio
bull Ne consegue che lrsquoipotesi di costanza nel passato della concentrazione 14R(t) nei viventi con un valore sempre uguale a quello ldquoconvenzionalerdquo di 118middot10-12 non egrave corretta
bull Occorre perciograve poter conoscere indipendentemente il valore 14R nel passato con lrsquoaccuratezza e il dettaglio temporale migliori possibile
16
Ricalibrazione
bull Dalla misura sugli anelli di accrescimento di tronchi di alberi datati in dendrocronologia si ottiene una curva di calibrazione accurata fino a circa 104 anni fa
bull Misure su reperti datati storicamente o comunque in modo indipendente
bull Per le correzioni di date oltre i 104 anni misure su coralli datati anche con altre metodiche o estrapolazioni di fenomeni di ciclicitagrave osservata in periodi piugrave recenti ma con maggiore incertezza
17
RicalibrazioneAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
8000CalBC 6000CalBC 4000CalBC 2000CalBCCalBCCalAD2000CalAD
Calibrated date
0BP
2000BP
4000BP
6000BP
8000BP
10000BP
12000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
18
Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anniAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
CalBCCalAD 500CalAD 1000CalAD 1500CalAD 2000CalAD
Calibrated date
0BP
500BP
1000BP
1500BP
2000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
19
Ricalibrazione dalla
radiocarbon age allrsquoetagrave vera
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1400CalAD 1600CalAD 1800CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
0BP
200BP
400BP
600BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn50BP 682 probability 1660AD (113) 1700AD 1720AD (231) 1780AD 1790AD ( 66) 1820AD 1830AD (155) 1880AD 1910AD (116) 1950AD 954 probability 1660AD (954) 1960AD
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1500CalAD 1600CalAD 1700CalAD 1800CalAD 1900CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
-100BP
0BP
100BP
200BP
300BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn20BP 682 probability 1670AD (106) 1700AD 1720AD (323) 1780AD 1790AD ( 92) 1820AD 1910AD (161) 1940AD 954 probability 1660AD (157) 1700AD 1720AD (480) 1820AD 1830AD (133) 1880AD 1910AD (184) 1950ADla ldquoStradivarius gaprdquo
20
Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)bull Poicheacute |dNdt| = N per determinare il numero di atomi
N di 14C in un reperto si puograve misurare rarr lrsquoattivitagrave |dNdt|rarr direttamente N
bull misura diretta di N impossibile in MS convenzionale rarr bassissima concentrazione (6 ordini di grandezza
troppo bassa per la MS convenzionale)rarr interferenza isobarica di 14N 12CH2 e 13CH
bull misura di |dNdt| unica possibile e ancora utilizzata ma delicata
rarr decadimento purorarr bassa energia
21
14C da misure di attivitagrave |dNdt| = N
1 mg organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio (04middot10-3 12) 6middot1023 = 2 1019 at di C 24 107 at 14C
conteggio |dNdt| = N soltanto 033 decadimentiora
servono tecniche molto efficienti molto materiale e soprattutto molta pazienza
Tfrac12 = 5730 plusmn 40 anni t = 8277 plusmn 58 anni = 1 = (3836 plusmn 0027)middot10-12 s-1
= (2302 plusmn 0016)middot10-10 min-1 = (138 plusmn 001)middot10-8 h-1 = (3314 plusmn 0023)middot10-7 d-1
22
con lrsquoAccelerator Mass Spectrometrycon lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
E allora come si risolve il problemaE allora come si risolve il problema
23
Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni negativi elimina negativi elimina
lrsquointerferenza del lrsquointerferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale elimina le interferenze elimina le interferenze
di di 1313CH e CH e 1212CHCH22
Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente dove si mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa e sistemi di rivelazione
24
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
25
1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
10
Limiti delle assunzioni1 - variazioni del rate di formazione al variare del luogo
Osservazioni
bull Il rate di produzione da raggi cosmici varia con la latitudine (campo magnetico terrestre) decrescendo di un fattore circa 5 dallrsquoequatore ai poli
bull Variazioni rapidamente compensate dai flussi atmosferici che rimescolano lrsquoaria intorno alla Terra in tempi brevi (ordine di qualche anno) rispetto alla del 14C
Quindi
bull da questo punto di vistada questo punto di vista lrsquoassunzione di invarianza di R di lrsquoassunzione di invarianza di R di 1414C rispetto al luogo di origine egrave correttaC rispetto al luogo di origine egrave corretta
11
Limiti delle assunzioni2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
bull 20-30 correlate ai cicli di attivitagrave solare che modulano il flusso di raggi cosmici che investono la Terra
Tuttavia
bull periodi di questi cicli brevi rispetto a del 14C
bull effetto ldquoserbatoiordquo dovuto alla concentrazione preesistente
Quindi
bull modulazione temporale nella concentrazione in atmosfera prodotta da queste cause violentemente attenuata
Perograve
bull Variazioni del campo magnetico terrestre su tempi 8 ka
12
Limiti delle assunzioni31 ndash variazioni di 14R nel tempo
Negli ultimi 150 anni
ldquoeffetto Suessrdquo a partire dalla rivoluzione industriale causa rilascio in atmosfera di quantitagrave massicce di CO2
(combustione di carbone fossile privo di 14C) con abbassamento considerevole e permanente di 14R in atmosfera e in tutti gli organismi in equilibrio a tempi brevi con lrsquoatmosfera
13
Limiti delle assunzioni32 ndash variazioni di R nel tempo
Dal 1945 (primo test nucleare ad Alamogordo) al 1963(anno dellrsquoapplicazione del PTBT)
Test nucleari in atmosfera enorme aumento dei flussi
di neutroni in atmosfera con aumento del rate di
produzione di 14C nonostante lrsquoeffetto serbatoio
influenza sensibile anche su R con effetti locali fino
al + 100 (effetto ldquoBomb Spike)
Dal 1963 R diminuisce e si riavvicina ai valori pre-1950
14
Effetto esplosioni nucleari su 14R
15
ma quanto vale 14R(t)
bull Effetti di questi tipi (es grandi eruzioni vulcaniche che possono liberare ingenti quantitagrave di carbonio fossile) possono aver avuto luogo nel passato ed avere alterato temporaneamente la concentrazione 14R di equilibrio
bull Ne consegue che lrsquoipotesi di costanza nel passato della concentrazione 14R(t) nei viventi con un valore sempre uguale a quello ldquoconvenzionalerdquo di 118middot10-12 non egrave corretta
bull Occorre perciograve poter conoscere indipendentemente il valore 14R nel passato con lrsquoaccuratezza e il dettaglio temporale migliori possibile
16
Ricalibrazione
bull Dalla misura sugli anelli di accrescimento di tronchi di alberi datati in dendrocronologia si ottiene una curva di calibrazione accurata fino a circa 104 anni fa
bull Misure su reperti datati storicamente o comunque in modo indipendente
bull Per le correzioni di date oltre i 104 anni misure su coralli datati anche con altre metodiche o estrapolazioni di fenomeni di ciclicitagrave osservata in periodi piugrave recenti ma con maggiore incertezza
17
RicalibrazioneAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
8000CalBC 6000CalBC 4000CalBC 2000CalBCCalBCCalAD2000CalAD
Calibrated date
0BP
2000BP
4000BP
6000BP
8000BP
10000BP
12000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
18
Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anniAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
CalBCCalAD 500CalAD 1000CalAD 1500CalAD 2000CalAD
Calibrated date
0BP
500BP
1000BP
1500BP
2000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
19
Ricalibrazione dalla
radiocarbon age allrsquoetagrave vera
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1400CalAD 1600CalAD 1800CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
0BP
200BP
400BP
600BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn50BP 682 probability 1660AD (113) 1700AD 1720AD (231) 1780AD 1790AD ( 66) 1820AD 1830AD (155) 1880AD 1910AD (116) 1950AD 954 probability 1660AD (954) 1960AD
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1500CalAD 1600CalAD 1700CalAD 1800CalAD 1900CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
-100BP
0BP
100BP
200BP
300BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn20BP 682 probability 1670AD (106) 1700AD 1720AD (323) 1780AD 1790AD ( 92) 1820AD 1910AD (161) 1940AD 954 probability 1660AD (157) 1700AD 1720AD (480) 1820AD 1830AD (133) 1880AD 1910AD (184) 1950ADla ldquoStradivarius gaprdquo
20
Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)bull Poicheacute |dNdt| = N per determinare il numero di atomi
N di 14C in un reperto si puograve misurare rarr lrsquoattivitagrave |dNdt|rarr direttamente N
bull misura diretta di N impossibile in MS convenzionale rarr bassissima concentrazione (6 ordini di grandezza
troppo bassa per la MS convenzionale)rarr interferenza isobarica di 14N 12CH2 e 13CH
bull misura di |dNdt| unica possibile e ancora utilizzata ma delicata
rarr decadimento purorarr bassa energia
21
14C da misure di attivitagrave |dNdt| = N
1 mg organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio (04middot10-3 12) 6middot1023 = 2 1019 at di C 24 107 at 14C
conteggio |dNdt| = N soltanto 033 decadimentiora
servono tecniche molto efficienti molto materiale e soprattutto molta pazienza
Tfrac12 = 5730 plusmn 40 anni t = 8277 plusmn 58 anni = 1 = (3836 plusmn 0027)middot10-12 s-1
= (2302 plusmn 0016)middot10-10 min-1 = (138 plusmn 001)middot10-8 h-1 = (3314 plusmn 0023)middot10-7 d-1
22
con lrsquoAccelerator Mass Spectrometrycon lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
E allora come si risolve il problemaE allora come si risolve il problema
23
Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni negativi elimina negativi elimina
lrsquointerferenza del lrsquointerferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale elimina le interferenze elimina le interferenze
di di 1313CH e CH e 1212CHCH22
Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente dove si mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa e sistemi di rivelazione
24
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
25
1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
11
Limiti delle assunzioni2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
bull 20-30 correlate ai cicli di attivitagrave solare che modulano il flusso di raggi cosmici che investono la Terra
Tuttavia
bull periodi di questi cicli brevi rispetto a del 14C
bull effetto ldquoserbatoiordquo dovuto alla concentrazione preesistente
Quindi
bull modulazione temporale nella concentrazione in atmosfera prodotta da queste cause violentemente attenuata
Perograve
bull Variazioni del campo magnetico terrestre su tempi 8 ka
12
Limiti delle assunzioni31 ndash variazioni di 14R nel tempo
Negli ultimi 150 anni
ldquoeffetto Suessrdquo a partire dalla rivoluzione industriale causa rilascio in atmosfera di quantitagrave massicce di CO2
(combustione di carbone fossile privo di 14C) con abbassamento considerevole e permanente di 14R in atmosfera e in tutti gli organismi in equilibrio a tempi brevi con lrsquoatmosfera
13
Limiti delle assunzioni32 ndash variazioni di R nel tempo
Dal 1945 (primo test nucleare ad Alamogordo) al 1963(anno dellrsquoapplicazione del PTBT)
Test nucleari in atmosfera enorme aumento dei flussi
di neutroni in atmosfera con aumento del rate di
produzione di 14C nonostante lrsquoeffetto serbatoio
influenza sensibile anche su R con effetti locali fino
al + 100 (effetto ldquoBomb Spike)
Dal 1963 R diminuisce e si riavvicina ai valori pre-1950
14
Effetto esplosioni nucleari su 14R
15
ma quanto vale 14R(t)
bull Effetti di questi tipi (es grandi eruzioni vulcaniche che possono liberare ingenti quantitagrave di carbonio fossile) possono aver avuto luogo nel passato ed avere alterato temporaneamente la concentrazione 14R di equilibrio
bull Ne consegue che lrsquoipotesi di costanza nel passato della concentrazione 14R(t) nei viventi con un valore sempre uguale a quello ldquoconvenzionalerdquo di 118middot10-12 non egrave corretta
bull Occorre perciograve poter conoscere indipendentemente il valore 14R nel passato con lrsquoaccuratezza e il dettaglio temporale migliori possibile
16
Ricalibrazione
bull Dalla misura sugli anelli di accrescimento di tronchi di alberi datati in dendrocronologia si ottiene una curva di calibrazione accurata fino a circa 104 anni fa
bull Misure su reperti datati storicamente o comunque in modo indipendente
bull Per le correzioni di date oltre i 104 anni misure su coralli datati anche con altre metodiche o estrapolazioni di fenomeni di ciclicitagrave osservata in periodi piugrave recenti ma con maggiore incertezza
17
RicalibrazioneAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
8000CalBC 6000CalBC 4000CalBC 2000CalBCCalBCCalAD2000CalAD
Calibrated date
0BP
2000BP
4000BP
6000BP
8000BP
10000BP
12000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
18
Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anniAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
CalBCCalAD 500CalAD 1000CalAD 1500CalAD 2000CalAD
Calibrated date
0BP
500BP
1000BP
1500BP
2000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
19
Ricalibrazione dalla
radiocarbon age allrsquoetagrave vera
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1400CalAD 1600CalAD 1800CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
0BP
200BP
400BP
600BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn50BP 682 probability 1660AD (113) 1700AD 1720AD (231) 1780AD 1790AD ( 66) 1820AD 1830AD (155) 1880AD 1910AD (116) 1950AD 954 probability 1660AD (954) 1960AD
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1500CalAD 1600CalAD 1700CalAD 1800CalAD 1900CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
-100BP
0BP
100BP
200BP
300BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn20BP 682 probability 1670AD (106) 1700AD 1720AD (323) 1780AD 1790AD ( 92) 1820AD 1910AD (161) 1940AD 954 probability 1660AD (157) 1700AD 1720AD (480) 1820AD 1830AD (133) 1880AD 1910AD (184) 1950ADla ldquoStradivarius gaprdquo
20
Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)bull Poicheacute |dNdt| = N per determinare il numero di atomi
N di 14C in un reperto si puograve misurare rarr lrsquoattivitagrave |dNdt|rarr direttamente N
bull misura diretta di N impossibile in MS convenzionale rarr bassissima concentrazione (6 ordini di grandezza
troppo bassa per la MS convenzionale)rarr interferenza isobarica di 14N 12CH2 e 13CH
bull misura di |dNdt| unica possibile e ancora utilizzata ma delicata
rarr decadimento purorarr bassa energia
21
14C da misure di attivitagrave |dNdt| = N
1 mg organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio (04middot10-3 12) 6middot1023 = 2 1019 at di C 24 107 at 14C
conteggio |dNdt| = N soltanto 033 decadimentiora
servono tecniche molto efficienti molto materiale e soprattutto molta pazienza
Tfrac12 = 5730 plusmn 40 anni t = 8277 plusmn 58 anni = 1 = (3836 plusmn 0027)middot10-12 s-1
= (2302 plusmn 0016)middot10-10 min-1 = (138 plusmn 001)middot10-8 h-1 = (3314 plusmn 0023)middot10-7 d-1
22
con lrsquoAccelerator Mass Spectrometrycon lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
E allora come si risolve il problemaE allora come si risolve il problema
23
Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni negativi elimina negativi elimina
lrsquointerferenza del lrsquointerferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale elimina le interferenze elimina le interferenze
di di 1313CH e CH e 1212CHCH22
Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente dove si mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa e sistemi di rivelazione
24
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
25
1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
12
Limiti delle assunzioni31 ndash variazioni di 14R nel tempo
Negli ultimi 150 anni
ldquoeffetto Suessrdquo a partire dalla rivoluzione industriale causa rilascio in atmosfera di quantitagrave massicce di CO2
(combustione di carbone fossile privo di 14C) con abbassamento considerevole e permanente di 14R in atmosfera e in tutti gli organismi in equilibrio a tempi brevi con lrsquoatmosfera
13
Limiti delle assunzioni32 ndash variazioni di R nel tempo
Dal 1945 (primo test nucleare ad Alamogordo) al 1963(anno dellrsquoapplicazione del PTBT)
Test nucleari in atmosfera enorme aumento dei flussi
di neutroni in atmosfera con aumento del rate di
produzione di 14C nonostante lrsquoeffetto serbatoio
influenza sensibile anche su R con effetti locali fino
al + 100 (effetto ldquoBomb Spike)
Dal 1963 R diminuisce e si riavvicina ai valori pre-1950
14
Effetto esplosioni nucleari su 14R
15
ma quanto vale 14R(t)
bull Effetti di questi tipi (es grandi eruzioni vulcaniche che possono liberare ingenti quantitagrave di carbonio fossile) possono aver avuto luogo nel passato ed avere alterato temporaneamente la concentrazione 14R di equilibrio
bull Ne consegue che lrsquoipotesi di costanza nel passato della concentrazione 14R(t) nei viventi con un valore sempre uguale a quello ldquoconvenzionalerdquo di 118middot10-12 non egrave corretta
bull Occorre perciograve poter conoscere indipendentemente il valore 14R nel passato con lrsquoaccuratezza e il dettaglio temporale migliori possibile
16
Ricalibrazione
bull Dalla misura sugli anelli di accrescimento di tronchi di alberi datati in dendrocronologia si ottiene una curva di calibrazione accurata fino a circa 104 anni fa
bull Misure su reperti datati storicamente o comunque in modo indipendente
bull Per le correzioni di date oltre i 104 anni misure su coralli datati anche con altre metodiche o estrapolazioni di fenomeni di ciclicitagrave osservata in periodi piugrave recenti ma con maggiore incertezza
17
RicalibrazioneAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
8000CalBC 6000CalBC 4000CalBC 2000CalBCCalBCCalAD2000CalAD
Calibrated date
0BP
2000BP
4000BP
6000BP
8000BP
10000BP
12000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
18
Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anniAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
CalBCCalAD 500CalAD 1000CalAD 1500CalAD 2000CalAD
Calibrated date
0BP
500BP
1000BP
1500BP
2000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
19
Ricalibrazione dalla
radiocarbon age allrsquoetagrave vera
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1400CalAD 1600CalAD 1800CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
0BP
200BP
400BP
600BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn50BP 682 probability 1660AD (113) 1700AD 1720AD (231) 1780AD 1790AD ( 66) 1820AD 1830AD (155) 1880AD 1910AD (116) 1950AD 954 probability 1660AD (954) 1960AD
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1500CalAD 1600CalAD 1700CalAD 1800CalAD 1900CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
-100BP
0BP
100BP
200BP
300BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn20BP 682 probability 1670AD (106) 1700AD 1720AD (323) 1780AD 1790AD ( 92) 1820AD 1910AD (161) 1940AD 954 probability 1660AD (157) 1700AD 1720AD (480) 1820AD 1830AD (133) 1880AD 1910AD (184) 1950ADla ldquoStradivarius gaprdquo
20
Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)bull Poicheacute |dNdt| = N per determinare il numero di atomi
N di 14C in un reperto si puograve misurare rarr lrsquoattivitagrave |dNdt|rarr direttamente N
bull misura diretta di N impossibile in MS convenzionale rarr bassissima concentrazione (6 ordini di grandezza
troppo bassa per la MS convenzionale)rarr interferenza isobarica di 14N 12CH2 e 13CH
bull misura di |dNdt| unica possibile e ancora utilizzata ma delicata
rarr decadimento purorarr bassa energia
21
14C da misure di attivitagrave |dNdt| = N
1 mg organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio (04middot10-3 12) 6middot1023 = 2 1019 at di C 24 107 at 14C
conteggio |dNdt| = N soltanto 033 decadimentiora
servono tecniche molto efficienti molto materiale e soprattutto molta pazienza
Tfrac12 = 5730 plusmn 40 anni t = 8277 plusmn 58 anni = 1 = (3836 plusmn 0027)middot10-12 s-1
= (2302 plusmn 0016)middot10-10 min-1 = (138 plusmn 001)middot10-8 h-1 = (3314 plusmn 0023)middot10-7 d-1
22
con lrsquoAccelerator Mass Spectrometrycon lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
E allora come si risolve il problemaE allora come si risolve il problema
23
Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni negativi elimina negativi elimina
lrsquointerferenza del lrsquointerferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale elimina le interferenze elimina le interferenze
di di 1313CH e CH e 1212CHCH22
Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente dove si mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa e sistemi di rivelazione
24
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
25
1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
13
Limiti delle assunzioni32 ndash variazioni di R nel tempo
Dal 1945 (primo test nucleare ad Alamogordo) al 1963(anno dellrsquoapplicazione del PTBT)
Test nucleari in atmosfera enorme aumento dei flussi
di neutroni in atmosfera con aumento del rate di
produzione di 14C nonostante lrsquoeffetto serbatoio
influenza sensibile anche su R con effetti locali fino
al + 100 (effetto ldquoBomb Spike)
Dal 1963 R diminuisce e si riavvicina ai valori pre-1950
14
Effetto esplosioni nucleari su 14R
15
ma quanto vale 14R(t)
bull Effetti di questi tipi (es grandi eruzioni vulcaniche che possono liberare ingenti quantitagrave di carbonio fossile) possono aver avuto luogo nel passato ed avere alterato temporaneamente la concentrazione 14R di equilibrio
bull Ne consegue che lrsquoipotesi di costanza nel passato della concentrazione 14R(t) nei viventi con un valore sempre uguale a quello ldquoconvenzionalerdquo di 118middot10-12 non egrave corretta
bull Occorre perciograve poter conoscere indipendentemente il valore 14R nel passato con lrsquoaccuratezza e il dettaglio temporale migliori possibile
16
Ricalibrazione
bull Dalla misura sugli anelli di accrescimento di tronchi di alberi datati in dendrocronologia si ottiene una curva di calibrazione accurata fino a circa 104 anni fa
bull Misure su reperti datati storicamente o comunque in modo indipendente
bull Per le correzioni di date oltre i 104 anni misure su coralli datati anche con altre metodiche o estrapolazioni di fenomeni di ciclicitagrave osservata in periodi piugrave recenti ma con maggiore incertezza
17
RicalibrazioneAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
8000CalBC 6000CalBC 4000CalBC 2000CalBCCalBCCalAD2000CalAD
Calibrated date
0BP
2000BP
4000BP
6000BP
8000BP
10000BP
12000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
18
Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anniAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
CalBCCalAD 500CalAD 1000CalAD 1500CalAD 2000CalAD
Calibrated date
0BP
500BP
1000BP
1500BP
2000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
19
Ricalibrazione dalla
radiocarbon age allrsquoetagrave vera
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1400CalAD 1600CalAD 1800CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
0BP
200BP
400BP
600BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn50BP 682 probability 1660AD (113) 1700AD 1720AD (231) 1780AD 1790AD ( 66) 1820AD 1830AD (155) 1880AD 1910AD (116) 1950AD 954 probability 1660AD (954) 1960AD
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1500CalAD 1600CalAD 1700CalAD 1800CalAD 1900CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
-100BP
0BP
100BP
200BP
300BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn20BP 682 probability 1670AD (106) 1700AD 1720AD (323) 1780AD 1790AD ( 92) 1820AD 1910AD (161) 1940AD 954 probability 1660AD (157) 1700AD 1720AD (480) 1820AD 1830AD (133) 1880AD 1910AD (184) 1950ADla ldquoStradivarius gaprdquo
20
Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)bull Poicheacute |dNdt| = N per determinare il numero di atomi
N di 14C in un reperto si puograve misurare rarr lrsquoattivitagrave |dNdt|rarr direttamente N
bull misura diretta di N impossibile in MS convenzionale rarr bassissima concentrazione (6 ordini di grandezza
troppo bassa per la MS convenzionale)rarr interferenza isobarica di 14N 12CH2 e 13CH
bull misura di |dNdt| unica possibile e ancora utilizzata ma delicata
rarr decadimento purorarr bassa energia
21
14C da misure di attivitagrave |dNdt| = N
1 mg organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio (04middot10-3 12) 6middot1023 = 2 1019 at di C 24 107 at 14C
conteggio |dNdt| = N soltanto 033 decadimentiora
servono tecniche molto efficienti molto materiale e soprattutto molta pazienza
Tfrac12 = 5730 plusmn 40 anni t = 8277 plusmn 58 anni = 1 = (3836 plusmn 0027)middot10-12 s-1
= (2302 plusmn 0016)middot10-10 min-1 = (138 plusmn 001)middot10-8 h-1 = (3314 plusmn 0023)middot10-7 d-1
22
con lrsquoAccelerator Mass Spectrometrycon lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
E allora come si risolve il problemaE allora come si risolve il problema
23
Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni negativi elimina negativi elimina
lrsquointerferenza del lrsquointerferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale elimina le interferenze elimina le interferenze
di di 1313CH e CH e 1212CHCH22
Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente dove si mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa e sistemi di rivelazione
24
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
25
1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
14
Effetto esplosioni nucleari su 14R
15
ma quanto vale 14R(t)
bull Effetti di questi tipi (es grandi eruzioni vulcaniche che possono liberare ingenti quantitagrave di carbonio fossile) possono aver avuto luogo nel passato ed avere alterato temporaneamente la concentrazione 14R di equilibrio
bull Ne consegue che lrsquoipotesi di costanza nel passato della concentrazione 14R(t) nei viventi con un valore sempre uguale a quello ldquoconvenzionalerdquo di 118middot10-12 non egrave corretta
bull Occorre perciograve poter conoscere indipendentemente il valore 14R nel passato con lrsquoaccuratezza e il dettaglio temporale migliori possibile
16
Ricalibrazione
bull Dalla misura sugli anelli di accrescimento di tronchi di alberi datati in dendrocronologia si ottiene una curva di calibrazione accurata fino a circa 104 anni fa
bull Misure su reperti datati storicamente o comunque in modo indipendente
bull Per le correzioni di date oltre i 104 anni misure su coralli datati anche con altre metodiche o estrapolazioni di fenomeni di ciclicitagrave osservata in periodi piugrave recenti ma con maggiore incertezza
17
RicalibrazioneAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
8000CalBC 6000CalBC 4000CalBC 2000CalBCCalBCCalAD2000CalAD
Calibrated date
0BP
2000BP
4000BP
6000BP
8000BP
10000BP
12000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
18
Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anniAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
CalBCCalAD 500CalAD 1000CalAD 1500CalAD 2000CalAD
Calibrated date
0BP
500BP
1000BP
1500BP
2000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
19
Ricalibrazione dalla
radiocarbon age allrsquoetagrave vera
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1400CalAD 1600CalAD 1800CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
0BP
200BP
400BP
600BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn50BP 682 probability 1660AD (113) 1700AD 1720AD (231) 1780AD 1790AD ( 66) 1820AD 1830AD (155) 1880AD 1910AD (116) 1950AD 954 probability 1660AD (954) 1960AD
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1500CalAD 1600CalAD 1700CalAD 1800CalAD 1900CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
-100BP
0BP
100BP
200BP
300BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn20BP 682 probability 1670AD (106) 1700AD 1720AD (323) 1780AD 1790AD ( 92) 1820AD 1910AD (161) 1940AD 954 probability 1660AD (157) 1700AD 1720AD (480) 1820AD 1830AD (133) 1880AD 1910AD (184) 1950ADla ldquoStradivarius gaprdquo
20
Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)bull Poicheacute |dNdt| = N per determinare il numero di atomi
N di 14C in un reperto si puograve misurare rarr lrsquoattivitagrave |dNdt|rarr direttamente N
bull misura diretta di N impossibile in MS convenzionale rarr bassissima concentrazione (6 ordini di grandezza
troppo bassa per la MS convenzionale)rarr interferenza isobarica di 14N 12CH2 e 13CH
bull misura di |dNdt| unica possibile e ancora utilizzata ma delicata
rarr decadimento purorarr bassa energia
21
14C da misure di attivitagrave |dNdt| = N
1 mg organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio (04middot10-3 12) 6middot1023 = 2 1019 at di C 24 107 at 14C
conteggio |dNdt| = N soltanto 033 decadimentiora
servono tecniche molto efficienti molto materiale e soprattutto molta pazienza
Tfrac12 = 5730 plusmn 40 anni t = 8277 plusmn 58 anni = 1 = (3836 plusmn 0027)middot10-12 s-1
= (2302 plusmn 0016)middot10-10 min-1 = (138 plusmn 001)middot10-8 h-1 = (3314 plusmn 0023)middot10-7 d-1
22
con lrsquoAccelerator Mass Spectrometrycon lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
E allora come si risolve il problemaE allora come si risolve il problema
23
Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni negativi elimina negativi elimina
lrsquointerferenza del lrsquointerferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale elimina le interferenze elimina le interferenze
di di 1313CH e CH e 1212CHCH22
Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente dove si mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa e sistemi di rivelazione
24
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
25
1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
15
ma quanto vale 14R(t)
bull Effetti di questi tipi (es grandi eruzioni vulcaniche che possono liberare ingenti quantitagrave di carbonio fossile) possono aver avuto luogo nel passato ed avere alterato temporaneamente la concentrazione 14R di equilibrio
bull Ne consegue che lrsquoipotesi di costanza nel passato della concentrazione 14R(t) nei viventi con un valore sempre uguale a quello ldquoconvenzionalerdquo di 118middot10-12 non egrave corretta
bull Occorre perciograve poter conoscere indipendentemente il valore 14R nel passato con lrsquoaccuratezza e il dettaglio temporale migliori possibile
16
Ricalibrazione
bull Dalla misura sugli anelli di accrescimento di tronchi di alberi datati in dendrocronologia si ottiene una curva di calibrazione accurata fino a circa 104 anni fa
bull Misure su reperti datati storicamente o comunque in modo indipendente
bull Per le correzioni di date oltre i 104 anni misure su coralli datati anche con altre metodiche o estrapolazioni di fenomeni di ciclicitagrave osservata in periodi piugrave recenti ma con maggiore incertezza
17
RicalibrazioneAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
8000CalBC 6000CalBC 4000CalBC 2000CalBCCalBCCalAD2000CalAD
Calibrated date
0BP
2000BP
4000BP
6000BP
8000BP
10000BP
12000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
18
Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anniAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
CalBCCalAD 500CalAD 1000CalAD 1500CalAD 2000CalAD
Calibrated date
0BP
500BP
1000BP
1500BP
2000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
19
Ricalibrazione dalla
radiocarbon age allrsquoetagrave vera
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1400CalAD 1600CalAD 1800CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
0BP
200BP
400BP
600BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn50BP 682 probability 1660AD (113) 1700AD 1720AD (231) 1780AD 1790AD ( 66) 1820AD 1830AD (155) 1880AD 1910AD (116) 1950AD 954 probability 1660AD (954) 1960AD
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1500CalAD 1600CalAD 1700CalAD 1800CalAD 1900CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
-100BP
0BP
100BP
200BP
300BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn20BP 682 probability 1670AD (106) 1700AD 1720AD (323) 1780AD 1790AD ( 92) 1820AD 1910AD (161) 1940AD 954 probability 1660AD (157) 1700AD 1720AD (480) 1820AD 1830AD (133) 1880AD 1910AD (184) 1950ADla ldquoStradivarius gaprdquo
20
Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)bull Poicheacute |dNdt| = N per determinare il numero di atomi
N di 14C in un reperto si puograve misurare rarr lrsquoattivitagrave |dNdt|rarr direttamente N
bull misura diretta di N impossibile in MS convenzionale rarr bassissima concentrazione (6 ordini di grandezza
troppo bassa per la MS convenzionale)rarr interferenza isobarica di 14N 12CH2 e 13CH
bull misura di |dNdt| unica possibile e ancora utilizzata ma delicata
rarr decadimento purorarr bassa energia
21
14C da misure di attivitagrave |dNdt| = N
1 mg organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio (04middot10-3 12) 6middot1023 = 2 1019 at di C 24 107 at 14C
conteggio |dNdt| = N soltanto 033 decadimentiora
servono tecniche molto efficienti molto materiale e soprattutto molta pazienza
Tfrac12 = 5730 plusmn 40 anni t = 8277 plusmn 58 anni = 1 = (3836 plusmn 0027)middot10-12 s-1
= (2302 plusmn 0016)middot10-10 min-1 = (138 plusmn 001)middot10-8 h-1 = (3314 plusmn 0023)middot10-7 d-1
22
con lrsquoAccelerator Mass Spectrometrycon lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
E allora come si risolve il problemaE allora come si risolve il problema
23
Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni negativi elimina negativi elimina
lrsquointerferenza del lrsquointerferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale elimina le interferenze elimina le interferenze
di di 1313CH e CH e 1212CHCH22
Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente dove si mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa e sistemi di rivelazione
24
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
25
1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
16
Ricalibrazione
bull Dalla misura sugli anelli di accrescimento di tronchi di alberi datati in dendrocronologia si ottiene una curva di calibrazione accurata fino a circa 104 anni fa
bull Misure su reperti datati storicamente o comunque in modo indipendente
bull Per le correzioni di date oltre i 104 anni misure su coralli datati anche con altre metodiche o estrapolazioni di fenomeni di ciclicitagrave osservata in periodi piugrave recenti ma con maggiore incertezza
17
RicalibrazioneAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
8000CalBC 6000CalBC 4000CalBC 2000CalBCCalBCCalAD2000CalAD
Calibrated date
0BP
2000BP
4000BP
6000BP
8000BP
10000BP
12000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
18
Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anniAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
CalBCCalAD 500CalAD 1000CalAD 1500CalAD 2000CalAD
Calibrated date
0BP
500BP
1000BP
1500BP
2000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
19
Ricalibrazione dalla
radiocarbon age allrsquoetagrave vera
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1400CalAD 1600CalAD 1800CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
0BP
200BP
400BP
600BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn50BP 682 probability 1660AD (113) 1700AD 1720AD (231) 1780AD 1790AD ( 66) 1820AD 1830AD (155) 1880AD 1910AD (116) 1950AD 954 probability 1660AD (954) 1960AD
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1500CalAD 1600CalAD 1700CalAD 1800CalAD 1900CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
-100BP
0BP
100BP
200BP
300BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn20BP 682 probability 1670AD (106) 1700AD 1720AD (323) 1780AD 1790AD ( 92) 1820AD 1910AD (161) 1940AD 954 probability 1660AD (157) 1700AD 1720AD (480) 1820AD 1830AD (133) 1880AD 1910AD (184) 1950ADla ldquoStradivarius gaprdquo
20
Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)bull Poicheacute |dNdt| = N per determinare il numero di atomi
N di 14C in un reperto si puograve misurare rarr lrsquoattivitagrave |dNdt|rarr direttamente N
bull misura diretta di N impossibile in MS convenzionale rarr bassissima concentrazione (6 ordini di grandezza
troppo bassa per la MS convenzionale)rarr interferenza isobarica di 14N 12CH2 e 13CH
bull misura di |dNdt| unica possibile e ancora utilizzata ma delicata
rarr decadimento purorarr bassa energia
21
14C da misure di attivitagrave |dNdt| = N
1 mg organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio (04middot10-3 12) 6middot1023 = 2 1019 at di C 24 107 at 14C
conteggio |dNdt| = N soltanto 033 decadimentiora
servono tecniche molto efficienti molto materiale e soprattutto molta pazienza
Tfrac12 = 5730 plusmn 40 anni t = 8277 plusmn 58 anni = 1 = (3836 plusmn 0027)middot10-12 s-1
= (2302 plusmn 0016)middot10-10 min-1 = (138 plusmn 001)middot10-8 h-1 = (3314 plusmn 0023)middot10-7 d-1
22
con lrsquoAccelerator Mass Spectrometrycon lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
E allora come si risolve il problemaE allora come si risolve il problema
23
Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni negativi elimina negativi elimina
lrsquointerferenza del lrsquointerferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale elimina le interferenze elimina le interferenze
di di 1313CH e CH e 1212CHCH22
Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente dove si mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa e sistemi di rivelazione
24
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
25
1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
17
RicalibrazioneAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
8000CalBC 6000CalBC 4000CalBC 2000CalBCCalBCCalAD2000CalAD
Calibrated date
0BP
2000BP
4000BP
6000BP
8000BP
10000BP
12000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
18
Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anniAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
CalBCCalAD 500CalAD 1000CalAD 1500CalAD 2000CalAD
Calibrated date
0BP
500BP
1000BP
1500BP
2000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
19
Ricalibrazione dalla
radiocarbon age allrsquoetagrave vera
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1400CalAD 1600CalAD 1800CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
0BP
200BP
400BP
600BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn50BP 682 probability 1660AD (113) 1700AD 1720AD (231) 1780AD 1790AD ( 66) 1820AD 1830AD (155) 1880AD 1910AD (116) 1950AD 954 probability 1660AD (954) 1960AD
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1500CalAD 1600CalAD 1700CalAD 1800CalAD 1900CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
-100BP
0BP
100BP
200BP
300BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn20BP 682 probability 1670AD (106) 1700AD 1720AD (323) 1780AD 1790AD ( 92) 1820AD 1910AD (161) 1940AD 954 probability 1660AD (157) 1700AD 1720AD (480) 1820AD 1830AD (133) 1880AD 1910AD (184) 1950ADla ldquoStradivarius gaprdquo
20
Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)bull Poicheacute |dNdt| = N per determinare il numero di atomi
N di 14C in un reperto si puograve misurare rarr lrsquoattivitagrave |dNdt|rarr direttamente N
bull misura diretta di N impossibile in MS convenzionale rarr bassissima concentrazione (6 ordini di grandezza
troppo bassa per la MS convenzionale)rarr interferenza isobarica di 14N 12CH2 e 13CH
bull misura di |dNdt| unica possibile e ancora utilizzata ma delicata
rarr decadimento purorarr bassa energia
21
14C da misure di attivitagrave |dNdt| = N
1 mg organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio (04middot10-3 12) 6middot1023 = 2 1019 at di C 24 107 at 14C
conteggio |dNdt| = N soltanto 033 decadimentiora
servono tecniche molto efficienti molto materiale e soprattutto molta pazienza
Tfrac12 = 5730 plusmn 40 anni t = 8277 plusmn 58 anni = 1 = (3836 plusmn 0027)middot10-12 s-1
= (2302 plusmn 0016)middot10-10 min-1 = (138 plusmn 001)middot10-8 h-1 = (3314 plusmn 0023)middot10-7 d-1
22
con lrsquoAccelerator Mass Spectrometrycon lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
E allora come si risolve il problemaE allora come si risolve il problema
23
Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni negativi elimina negativi elimina
lrsquointerferenza del lrsquointerferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale elimina le interferenze elimina le interferenze
di di 1313CH e CH e 1212CHCH22
Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente dove si mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa e sistemi di rivelazione
24
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
25
1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
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2000
3000
4000
0
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2000
3000
4000
5000
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7000
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9000
1000
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Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
18
Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anniAtmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
CalBCCalAD 500CalAD 1000CalAD 1500CalAD 2000CalAD
Calibrated date
0BP
500BP
1000BP
1500BP
2000BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
19
Ricalibrazione dalla
radiocarbon age allrsquoetagrave vera
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1400CalAD 1600CalAD 1800CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
0BP
200BP
400BP
600BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn50BP 682 probability 1660AD (113) 1700AD 1720AD (231) 1780AD 1790AD ( 66) 1820AD 1830AD (155) 1880AD 1910AD (116) 1950AD 954 probability 1660AD (954) 1960AD
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1500CalAD 1600CalAD 1700CalAD 1800CalAD 1900CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
-100BP
0BP
100BP
200BP
300BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn20BP 682 probability 1670AD (106) 1700AD 1720AD (323) 1780AD 1790AD ( 92) 1820AD 1910AD (161) 1940AD 954 probability 1660AD (157) 1700AD 1720AD (480) 1820AD 1830AD (133) 1880AD 1910AD (184) 1950ADla ldquoStradivarius gaprdquo
20
Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)bull Poicheacute |dNdt| = N per determinare il numero di atomi
N di 14C in un reperto si puograve misurare rarr lrsquoattivitagrave |dNdt|rarr direttamente N
bull misura diretta di N impossibile in MS convenzionale rarr bassissima concentrazione (6 ordini di grandezza
troppo bassa per la MS convenzionale)rarr interferenza isobarica di 14N 12CH2 e 13CH
bull misura di |dNdt| unica possibile e ancora utilizzata ma delicata
rarr decadimento purorarr bassa energia
21
14C da misure di attivitagrave |dNdt| = N
1 mg organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio (04middot10-3 12) 6middot1023 = 2 1019 at di C 24 107 at 14C
conteggio |dNdt| = N soltanto 033 decadimentiora
servono tecniche molto efficienti molto materiale e soprattutto molta pazienza
Tfrac12 = 5730 plusmn 40 anni t = 8277 plusmn 58 anni = 1 = (3836 plusmn 0027)middot10-12 s-1
= (2302 plusmn 0016)middot10-10 min-1 = (138 plusmn 001)middot10-8 h-1 = (3314 plusmn 0023)middot10-7 d-1
22
con lrsquoAccelerator Mass Spectrometrycon lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
E allora come si risolve il problemaE allora come si risolve il problema
23
Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni negativi elimina negativi elimina
lrsquointerferenza del lrsquointerferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale elimina le interferenze elimina le interferenze
di di 1313CH e CH e 1212CHCH22
Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente dove si mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa e sistemi di rivelazione
24
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
25
1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
19
Ricalibrazione dalla
radiocarbon age allrsquoetagrave vera
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1400CalAD 1600CalAD 1800CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
0BP
200BP
400BP
600BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn50BP 682 probability 1660AD (113) 1700AD 1720AD (231) 1780AD 1790AD ( 66) 1820AD 1830AD (155) 1880AD 1910AD (116) 1950AD 954 probability 1660AD (954) 1960AD
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
1500CalAD 1600CalAD 1700CalAD 1800CalAD 1900CalAD 2000CalAD
Calibrated date
-200BP
-100BP
0BP
100BP
200BP
300BP
Rad
ioca
rbon
det
erm
inat
ion
150plusmn20BP 682 probability 1670AD (106) 1700AD 1720AD (323) 1780AD 1790AD ( 92) 1820AD 1910AD (161) 1940AD 954 probability 1660AD (157) 1700AD 1720AD (480) 1820AD 1830AD (133) 1880AD 1910AD (184) 1950ADla ldquoStradivarius gaprdquo
20
Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)bull Poicheacute |dNdt| = N per determinare il numero di atomi
N di 14C in un reperto si puograve misurare rarr lrsquoattivitagrave |dNdt|rarr direttamente N
bull misura diretta di N impossibile in MS convenzionale rarr bassissima concentrazione (6 ordini di grandezza
troppo bassa per la MS convenzionale)rarr interferenza isobarica di 14N 12CH2 e 13CH
bull misura di |dNdt| unica possibile e ancora utilizzata ma delicata
rarr decadimento purorarr bassa energia
21
14C da misure di attivitagrave |dNdt| = N
1 mg organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio (04middot10-3 12) 6middot1023 = 2 1019 at di C 24 107 at 14C
conteggio |dNdt| = N soltanto 033 decadimentiora
servono tecniche molto efficienti molto materiale e soprattutto molta pazienza
Tfrac12 = 5730 plusmn 40 anni t = 8277 plusmn 58 anni = 1 = (3836 plusmn 0027)middot10-12 s-1
= (2302 plusmn 0016)middot10-10 min-1 = (138 plusmn 001)middot10-8 h-1 = (3314 plusmn 0023)middot10-7 d-1
22
con lrsquoAccelerator Mass Spectrometrycon lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
E allora come si risolve il problemaE allora come si risolve il problema
23
Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni negativi elimina negativi elimina
lrsquointerferenza del lrsquointerferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale elimina le interferenze elimina le interferenze
di di 1313CH e CH e 1212CHCH22
Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente dove si mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa e sistemi di rivelazione
24
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
25
1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
1
10
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1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
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gg
i
CuSi
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Co
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11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
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Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
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14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
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KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
20
Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)bull Poicheacute |dNdt| = N per determinare il numero di atomi
N di 14C in un reperto si puograve misurare rarr lrsquoattivitagrave |dNdt|rarr direttamente N
bull misura diretta di N impossibile in MS convenzionale rarr bassissima concentrazione (6 ordini di grandezza
troppo bassa per la MS convenzionale)rarr interferenza isobarica di 14N 12CH2 e 13CH
bull misura di |dNdt| unica possibile e ancora utilizzata ma delicata
rarr decadimento purorarr bassa energia
21
14C da misure di attivitagrave |dNdt| = N
1 mg organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio (04middot10-3 12) 6middot1023 = 2 1019 at di C 24 107 at 14C
conteggio |dNdt| = N soltanto 033 decadimentiora
servono tecniche molto efficienti molto materiale e soprattutto molta pazienza
Tfrac12 = 5730 plusmn 40 anni t = 8277 plusmn 58 anni = 1 = (3836 plusmn 0027)middot10-12 s-1
= (2302 plusmn 0016)middot10-10 min-1 = (138 plusmn 001)middot10-8 h-1 = (3314 plusmn 0023)middot10-7 d-1
22
con lrsquoAccelerator Mass Spectrometrycon lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
E allora come si risolve il problemaE allora come si risolve il problema
23
Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni negativi elimina negativi elimina
lrsquointerferenza del lrsquointerferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale elimina le interferenze elimina le interferenze
di di 1313CH e CH e 1212CHCH22
Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente dove si mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa e sistemi di rivelazione
24
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
25
1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
21
14C da misure di attivitagrave |dNdt| = N
1 mg organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio (04middot10-3 12) 6middot1023 = 2 1019 at di C 24 107 at 14C
conteggio |dNdt| = N soltanto 033 decadimentiora
servono tecniche molto efficienti molto materiale e soprattutto molta pazienza
Tfrac12 = 5730 plusmn 40 anni t = 8277 plusmn 58 anni = 1 = (3836 plusmn 0027)middot10-12 s-1
= (2302 plusmn 0016)middot10-10 min-1 = (138 plusmn 001)middot10-8 h-1 = (3314 plusmn 0023)middot10-7 d-1
22
con lrsquoAccelerator Mass Spectrometrycon lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
E allora come si risolve il problemaE allora come si risolve il problema
23
Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni negativi elimina negativi elimina
lrsquointerferenza del lrsquointerferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale elimina le interferenze elimina le interferenze
di di 1313CH e CH e 1212CHCH22
Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente dove si mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa e sistemi di rivelazione
24
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
25
1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
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gg
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CuSi
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1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
22
con lrsquoAccelerator Mass Spectrometrycon lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
E allora come si risolve il problemaE allora come si risolve il problema
23
Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni negativi elimina negativi elimina
lrsquointerferenza del lrsquointerferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale elimina le interferenze elimina le interferenze
di di 1313CH e CH e 1212CHCH22
Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente dove si mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa e sistemi di rivelazione
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Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
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1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
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Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
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0
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cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
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C o
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Azzurrite
0
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2000
3000
4000
5000
6000
7000
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1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
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1
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10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
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Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
23
Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni negativi elimina negativi elimina
lrsquointerferenza del lrsquointerferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale elimina le interferenze elimina le interferenze
di di 1313CH e CH e 1212CHCH22
Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia Lrsquoanalisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente dove si mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa e sistemi di rivelazione
24
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
25
1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
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Zn
Energy (keV)
Co
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1
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energia (keV)
co
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energia (keV)
co
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gg
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11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
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0
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20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
24
Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
bull La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina lrsquointerferenza isobarica del 14N
bull Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2 13CH
bull Tandem sensibilitagrave selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche)
bull Lrsquoelevata energia degli ioni nellrsquoanalisi finale consente di eliminare interferenze residue
25
1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
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1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
25
1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C
AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio
Con 105 conteggi
(14C)14C lt 03 t 25 a
sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
Misura AMS della concentrazione di 14C
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
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10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
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gg
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1
10
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1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
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Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
26
Misura del 14C con AMS
Sensibilitagrave a concentrazioni fino a 10-15
Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa
Da ldquosacrificarerdquo per la datazione m 1 mg
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
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Na
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S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
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Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
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Energia (eV)
C o
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SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
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11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
27
Prelievo di un frammento (generoso)
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
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CuSi
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TiCu
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1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
28
ABAacido
base
acido
cellulosa
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
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10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
29Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)
Combustione
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
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XZ
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Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
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C o
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Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
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11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
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11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
30
Catalizzatore (Fe)
Portacampionecon target di C + Fe
2 mm
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
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energia (keV)
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CuSi
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1
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1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
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Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
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Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
31
Ruotaportacampioni
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
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g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
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X
p
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0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
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0
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3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
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10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
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10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
32
LABECLABEC
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
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600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
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S
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Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
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2000
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4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
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11 5 m
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Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
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11 5 m
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Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
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Al
Hg+S
KCa
Si
0
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20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
33
Analizzatore elettrostatico dopo lrsquoanalisi magnetica ad alta energia
Rivelatore E-E per il conteggio
finale del 14C
65degESA e E-E
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
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energia (keV)
co
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gg
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1
10
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1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
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gg
i
CuSi
K
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Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
34
bull Errori sistematici rarr misure sempre relative
bull In ogni batch sempre compresi
ndash Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota
ndash Blank ottenuti da materiali fossili cioegrave a contenuto zero di 14C
Errori sistematici
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
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QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
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600
800
1000
C o
n t
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S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
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3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
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1
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
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K
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Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
35
Alla fine del 2005 la provincia toscana dellrsquoOrdine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio
storico e stilistico
scientifico
La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino egrave stata fatta al
LABEC di Firenze
san Francesco
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
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Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
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Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
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Hg+S
KCa
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0
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20000
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40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
36
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti che dal retro
della tonaca di Cortona
Molti campioni da zone diverse sia dal davanti
che dal retro della tonaca di Santa Croce
a Firenze
Molti campionamenti quindi nessun dubbio sulla
rappresentativitagrave dei campioni
Per tutti i campionamenti minima invasivitagrave circa 1
mg
Due campioni dal cordone della tonaca
di Cortona
Due campioni provenienti dalle due
federe piugrave interne del cuscino di
Cortona
Campionamento
37
fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
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Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
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0
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Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
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600
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C o
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K
Ca
Azzurrite
0
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2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
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g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
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K
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Zn
Energy (keV)
Co
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Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
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fronte
Le tonache
Santa Croce Firenze Cortona
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
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LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
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Na
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S
K
Ca
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aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
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Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
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7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
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Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
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RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
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Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
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PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
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Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
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Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
100
1000
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
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gg
i
CuSi
K
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1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
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CuSi
K
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Energy (keV)
Co
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11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
38
Atmospheric data from Reimer et al (2004)OxCal v310 Bronk Ramsey (2005) cub r5 sd12 prob usp[chron]
600CalAD 800CalAD 1000CalAD 1200CalAD 1400CalAD 1600CalAD
Calibrated date
tonaca Cortona 857plusmn18BP
cuscino 1 915plusmn40BP
cuscino 3 885plusmn30BP
Tonaca SCroce 666plusmn18BP
cingolo SCroce 852plusmn34BP
Risultati
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
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co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
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1
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11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
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4000
6000
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0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
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30000
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5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
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La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
39
LrsquoAMS egrave una disciplina in forte svilupponel 2008
pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
bull 3 nuove facility
bull 5 misure ldquoatteserdquo (3 archeom + 2 amb)
bull 16 nuovi sviluppi strumentali16 nuovi sviluppi strumentali
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
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Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
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A
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0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
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C o
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7000
8000
9000
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0
Energia (eV)
C o
n t
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Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
10
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energia (keV)
co
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1
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10000
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energia (keV)
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Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
40
Ion Beam Analysis (IBA)bullAnalisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia come si fa
oggetto da
analizzare
acceleratore di particelle
fascio di particelle
radiazioni di energie caratteristiche (X particellehellip)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
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dEeE
A
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e
QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
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RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
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PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
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SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
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Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
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pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
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1000
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
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K
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Energy (keV)
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11 5 m
1 0 m
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1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
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1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
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0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
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Hg+S
KCa
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0
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20000
30000
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5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
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La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
41
aa
raggio gamma (PIGE)
raggio X (PIXE)
particelle diffuse elasticamente
(RBS)
Ion Beam Analysis (IBA)
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
Riv
X
p
EE
E
Et
XZ
Z
AZZ ES
dEeE
A
N
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QY
0
0)(4
cosdet
Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
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Al
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K
Ca
Azzurrite
0
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2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
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Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
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CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
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1
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11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
42
Analisi PIXE quantitativa
bull Concentrazione dellrsquoelemento Z
bull Numero di particelle incidenti
bull Sezione drsquourto di produzione X
bull Efficienza di rivelazione ndash angolo solido 4 (efficienza geometrica)
ndash efficienza intrinseca del rivelatore det
ndash Coefficiente di trasmissione degli assorbitori z (ariahellip)
Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da
tQY ZZZ Per un bersaglio sottilehellip
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
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Riv
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Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
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C o
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5000
6000
7000
8000
9000
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0
Energia (eV)
C o
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Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
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RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
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Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
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PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
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11 5 m
1 0 m
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Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
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1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
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0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
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KCa
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20000
30000
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5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
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CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
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Min
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1
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bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
43
Analisi quantitativa target spessi
bull I protoni perdono energia nellrsquoattraversare il campione e la sezione drsquourto dipende dallrsquoenergia dei protoni
bull I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)
In realtagrave quasi sempre il campione egrave spesso cioegrave
La relazione fra YZ e la concentrazione si complica ma si puograve tener conto dei ldquonuovirdquo fattori
T
t
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E
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Nel caso di bersaglio spessohellip
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
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Na
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S
K
Ca
Azzurrite
0
1000
2000
3000
4000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
n t
e g
g i
Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
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ts
1
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11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
Esempi di spettri PIXELapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
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0
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4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
Energia (eV)
C o
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Cu
SiCaCu Cu
2CuCO3Cu(OH)2
lazurite 3Na2O3Al2O36SiO22Na2S
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
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Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
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1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
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Cou
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La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
45
RIASSUNTO PIXE vantaggihellipbull grandi sezioni drsquourto (rarr nessun danno)
ndash possibilitagrave di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)ndash misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)ndash elevata sensibilitagrave (tracce fino a livello di ppm)
bull energia minima rivelabile ~ 1 keVndash tutti gli elementi dal Na in su quantificabili
simultaneamente
bull analisi qualitativa e quantitativa
bull possibilitagrave di analisi in esterno
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
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1
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
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co
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CuSi
K
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Energy (keV)
Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
46
hellipe limiti
bull nessuna informazione sulle componenti organiche
bull nessuna informazione diretta sui legami chimici (perogravehellipstechiometria)
bull nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (perogravehellip PIXE differenziale)
bull compatibile e integrabile conndash PIGE (elementi leggeri)ndash BS (stratigrafia elementi leggeri)ndash FS (idrogeno)ndash IBIL (legami chimici misure con dose ultrabassa)
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
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gg
i
CuSi
K
TiCu
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1
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
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Co
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11 5 m
1 0 m
11 5 m
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Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
47
Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
1 cm
il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno
bull Bersaglio piugrave vicino possibile alla finestra
bull Il fascio fuori dal vuoto si allarga quindi
bull Finestra di uscita il piugrave sottile possibile
bull Gas a minor densitagrave possibile (allargamento funzione crecente della densitagrave del materiale attraversato quindi elio e non aria lrsquoelio egrave usato anche per limitare assorbimento degli X)
48
PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
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Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
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PIXE nei BeniCulturaliTipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio
bull Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV
bull Corrente di fascio 10 ndash 500 pA misura 1 ndash 10 minuti
bull Dimensioni del fascio
raquo 200 ndash 1000 m (collimazione)
raquo 10 ndash 1000 m (focheggiamento forte)
bull due rivelatori X BIG maggiore angolo solido + assorbitore Z medio-alti
SMALL angolo solido limitato finestra di Be ultrasottile + flusso di He Z bassi
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Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
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i
CuSi
K
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1
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11 5 m
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Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
49
Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
bull Bassissime intensitagrave di fascio + tempi brevindash nessun dannondash molte misurendash statisticamente significative
bull Misure non invasive ripetibili con IBA o altre tecniche
bull Si possono integrare simultaneamente piugrave tecniche IBA informazioni complementari
bull Nessuna necessitagrave di prelievi dalle opere
bull Si possono variare facilmente e in tempo realendash energiandash intensitagravendash dimensioni del fascio
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
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ts
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Energy (keV)
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un
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11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
50
Con un fascio esterno si puograve
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
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co
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Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
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Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
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Cou
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Al
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KCa
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Cou
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CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
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Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
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Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
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1
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bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
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- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
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- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
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- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
51
Il fascio esterno collimato
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
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hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
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pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
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Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
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Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
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10000
12000
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0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
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Al
Hg+S
KCa
Si
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Cou
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CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
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Min
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bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
52
Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl1622 (XV secolo
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti miniati
documenti storici
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
lrsquoanalisi PIXE con fascio esterno
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
Co
un
ts
1
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Co
un
ts
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
53
hellipterrecotte invetriate
Analisi PIXE con fascio esterno del ldquoRitratto di fanciullordquo di Luca Della
Robbia ndash prima del restauro allrsquoOpificio delle Pietre Dure
hellipvetri antichi
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
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co
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gg
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1
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Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
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Al
Hg+S
KCa
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0
10000
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Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
54
hellipantichi ricami
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
hellipstampe fotografiche
Analisi PIXE-PIGE di una ldquostampardquo su piastra metallica del XIX secolo
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
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CuSi
K
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Energy (keV)
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11 5 m
1 0 m
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Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
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5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
55
disegni su carta
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata di scuola veronese XVI secolo
56
pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
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Griglia di Cu su vetrino
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Griglia di Cu su vetrino
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bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
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La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
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EX 33 keV
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Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
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Min
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1
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bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
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Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
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- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
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- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
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- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
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- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
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- Aree analizzate
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- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
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pitture su tela o su tavola
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
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Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
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Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
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10000
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Al
Hg+S
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CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
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Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
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Hg M + S Kα
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1
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bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
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2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
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Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
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- ABA
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- Ruota portacampioni
- LABEC
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- Errori sistematici
- san Francesco
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- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
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- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
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- Aree analizzate
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- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
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Le analisi Le analisi PIXE sul PIXE sul
ldquoRitratto di ldquoRitratto di uomordquouomordquo
Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
co
nte
gg
i
CuSi
K
TiCu
Zn
Energy (keV)
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11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
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Analisi PIXE a scansione
degli strati
pittorici
La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
bull presenti altri elementi (Al Si K Fe) ma nessun marker specifico di un particolare pigmento inorganicohellip
grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
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Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
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Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
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La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
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Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
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1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
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- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
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- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
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- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
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- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
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- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
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- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
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- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
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La toga rossa
In tutte le aree analizzate
bull Hg dominante cinabro
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grande variabilitagrave fra le aree analizzateINOLTREhellipINOLTREhellip
ndash sulle zone rosse si rivelano quantitagrave di Hg molto variabili
ndash Hg sembra ldquoaddensarsirdquo attorno a 2 valori diversindash nessun motivo noto per tale comportamentohellip
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
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Il microfascioesterno
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IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
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Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
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Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
1 0 m
11 5 m
1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
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8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
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CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
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Hg M + S Kα
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Al KαEX 15
keV
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Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
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bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
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- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
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- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
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- san Francesco
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- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
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- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
prima analisi su un dipinto con un microfascioprima analisi su un dipinto con un microfascio
1 mm
bull Insolita superficie a macchie
bull spot scuri dellrsquoordine di qualche decimo di millimetro ben visibili dopo lrsquoassottigliamento delle vernici
fotografia dopo lrsquoassottigliamento della
vecchia vernice
risoluzione spazialerisoluzione spaziale + + imagingimaging
si associano gli elementi alle zone da cui originanosi associano gli elementi alle zone da cui originano
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
10
100
1000
10000
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
energia (keV)
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Energy (keV)
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11 5 m
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1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
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1 0 m
Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
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0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
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- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
Il microfascioesterno
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
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Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
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Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
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Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
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bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
Misurebull sullo stesso puntobull nello stesso tempo
IBIL-PIXE-PIGE-BSbull analisi elementali
qualitativequantitativebull ricostruzione profili
distribuzionebull dati diretti
su legami chimici
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
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Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
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Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
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10000
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Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
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0
10000
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5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
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- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
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- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
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- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
Bobine di Bobine di scansionescansione
Doppietto di Doppietto di quadrupoliquadrupoli
Focheggiamento forte e scansione
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
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K
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11 5 m
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Griglia di Cu su vetrino
11 5 m
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Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
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0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
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Al
Hg+S
KCa
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5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
Si mescolano Si mescolano materiali diversimateriali diversi
si analizza un si analizza un punto ldquoanomalordquopunto ldquoanomalordquo
salto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquosalto di qualitagrave le ldquomappe di composizionerdquo
Col Col microfasciomicrofascio esternoesterno a a scansionescansione di Firenze di Firenzebull scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a scansioni su aree ldquograndirdquo (fino a ~~ 10 mm 10 mm22))bull spot del fascio da 10 micron a centinaia di micronspot del fascio da 10 micron a centinaia di micronbull informazione ldquopixel per pixelrdquoinformazione ldquopixel per pixelrdquo
bull dettagli e disomogeneitagrave ltdettagli e disomogeneitagrave lt 100 micron 100 micron non sempre non sempre facilmente riconoscibili a occhiofacilmente riconoscibili a occhio
bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali
1
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Griglia di Cu su vetrino
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bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
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500
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250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
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La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
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Hg righe M e L
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Hg M + S Kα
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bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
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PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
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Max
2 mm
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La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
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giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
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- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
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- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
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- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
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- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
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- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
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- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
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- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
1
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Griglia di Cu su vetrino
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Griglia di Cu su vetrino
Min
Max
CuSi
bull energia E del raggio X (evento) rivelatoenergia E del raggio X (evento) rivelatoper ogni posizione del campione si acquisisconoper ogni posizione del campione si acquisiscono
bull posizione (x y) del fascioposizione (x y) del fascio
500
m
250 m
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
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Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
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La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
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Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
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Hg righe M e L
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Hg M + S Kα
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1
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bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
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Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
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2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
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- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
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- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
- Slide 54
- Slide 55
- Slide 56
- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
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- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
bull intensitagrave di corrente ~ 50 pAbull area analizzata in una singola scansione 2 x 2 mm2 bull circa 15 minuti per singola area (~ 60 scansioni per area)
Condizioni
di
misura
bull protoni da 3 MeVbull dimensioni del fascio Oslash 80 μm
1 mm
Aree analizzate
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
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4000
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KCa
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0
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Cou
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CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
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Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
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1
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bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
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2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
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pellicola pittorica
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Ca dalla preparazione a gesso
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Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
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- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
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- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
- Combustione
- Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
- Ruota portacampioni
- LABEC
- 65degESA e DE-E
- Errori sistematici
- san Francesco
- Campionamento
- Le tonache
- Risultati
- LrsquoAMS egrave una disciplina in forte sviluppo nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods
- Ion Beam Analysis (IBA)rlm
- Slide 41
- Analisi PIXE quantitativa
- Analisi quantitativa target spessi
- Esempi di spettri PIXE
- RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
- hellipe limiti
- Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
- PIXE nei BeniCulturali
- Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali
- Con un fascio esterno si puograve determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale
- Il fascio esterno collimato
- Slide 52
- Slide 53
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- Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
- Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
- La toga rossa
- Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
- Il microfascio esterno
- setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
- Focheggiamento forte e scansione
- IBA a scansione per i Beni Culturali percheacute
- per ogni posizione del campione si acquisiscono
- Aree analizzate
- Slide 67
- Al K e Hghellip
- Hg righe M e L
- Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
-
Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)
Cou
nts
Al
Hg+S
KCa
Si
0
10000
20000
30000
40000
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)
Cou
nts Hg
CuFe
La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip
EEpp = 3 MeV = 3 MeV
Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
labecfiinfnit
giuntinifiinfnit
- Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
- Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
- Fisica Nucleare e Beni Culturali
- Cosrsquoegrave il 14C - Gli isotopi del carbonio
- Produzione del radiocarbonio
- produzione distribuzione e morte del 14C
- Assunzioni per le datazioni col 14C
- Principio della datazione col 14C
- Curva di decadimento del 14C
- Limiti delle assunzioni 1 - rlmvariazioni del rate di formazione al variare del luogo
- Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
- Limiti delle assunzioni 31 ndash variazioni di 14R nel temporlm
- Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
- Effetto esplosioni nucleari su 14R
- rlmma quanto vale 14R(t)
- Ricalibrazione
- Slide 17
- Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
- Ricalibrazione dalla radiocarbon age allrsquoetagrave vera
- Misura di R(14C12C) ossia di N(14C)
- 14C da misure di attivitagrave
- con lrsquoAccelerator Mass Spectrometry
- Misura della concentrazione di 14C con AMS
- Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C
- 1 mg di reperto organico ldquocontemporaneordquo 04 mg di carbonio 24 107 isotopi di 14C AMS (efficienza 1) gt 105 conteggi (T misura 25 min da confrontarsi con 033 decadora del conteggio Con 105 conteggi (14C)14C lt 03 t 25 a sono sufficienti quantitagrave minuscole di materiale 1 mg
- Misura del 14C con AMS
- Prelievo di un frammento (generoso)
- ABA
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- La preparazione
- Grazie per lrsquoattenzione
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Al K e Hghellip
1 mm
Min
Max
Hg M + S Kα
K Kα
Al KαEX 15
keV
EX 33 keV
EX 23 keV
Hg righe M e L
bull diverso spessore sondato (EX diverse)
Hg M + S Kα
Hg Lα
Min
Max
1
mm
bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
Grazie per lrsquoattenzione
Albrecht DuumlrerStudio di mani 1508pennello e inchiostro dipinta in bianco su carta colorata in blu 29 x 20 cmGraphische Sammlung Albertina Vienna
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Hg Lα
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Max
1
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bull strato superficiale molto sottile sopra il cinabro nella regione a macchie
E 23 keV
E 10 keV
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bull strato sottostante composto da cinabro
Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro
PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
Effetto a macchieForse un effetto di restringimento della lacca
Min
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2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
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Ca dalla preparazione a gesso
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Riassumendo area ldquomaculatardquo hellipbull Al e K strato superficiale
bull strato sottostante composto da cinabro
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PIXE non vede il colorante (organico)vede supportante (inorganico allume)
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Min
Max
2 mm
K KαAl Kα
Hg M + S Kα
La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
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La preparazione
Ca Kα
Hg Lα
Nelle micro-fratture della
pellicola pittorica
maggiori quantitagrave di Ca
Ca dalla preparazione a gesso
e minori quantitagrave di HgMin
Max1 mm
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