1 il labec, ovvero la fisica nucleare per i beni culturali incontri di fisica 2008, frascati 1-3...

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1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione INFN Firenze e Dipartimento di Fisica Università Firenze

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Page 1: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

1

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

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
Page 2: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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
Page 3: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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
Page 4: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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
Page 5: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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
Page 6: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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
Page 7: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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
Page 8: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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
Page 9: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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
Page 10: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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
Page 11: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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
Page 12: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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
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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
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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
Page 15: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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
Page 16: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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
Page 17: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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
Page 18: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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
Page 19: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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
Page 20: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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

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Zn

Energy (keV)

Co

un

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1

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energia (keV)

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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

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
Page 21: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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

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CuSi

K

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Zn

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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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

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20000

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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

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  • Ricalibrazione ndash ultimi 2000 anni
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  • 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
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  • Analisi quantitativa target spessi
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  • Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali
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  • 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
Page 22: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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
Page 23: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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

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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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cosdet

Nel caso di bersaglio spessohellip

Esempi di spettri PIXELapislazzuli

0

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C o

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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

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gg

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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
Page 24: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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

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AZZ ES

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A

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0

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Nel caso di bersaglio spessohellip

Esempi di spettri PIXELapislazzuli

0

200

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600

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1000

C o

n t

e g

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Na

Al

Si

S

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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

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

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Energy (keV)

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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
Page 25: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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

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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

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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

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  • Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
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  • 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
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  • rlmma quanto vale 14R(t)
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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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  • 65degESA e DE-E
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  • san Francesco
  • Campionamento
  • Le tonache
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  • 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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  • 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
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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

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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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energia (keV)

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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
Page 27: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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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QY

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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

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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
Page 28: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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

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K

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Energy (keV)

Co

un

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1

10

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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

energia (keV)

co

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i

CuSi

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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

energia (keV)

co

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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

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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
  • 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
Page 29: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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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energia (keV)

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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

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
Page 30: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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

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A

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QY

0

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cosdet

Nel caso di bersaglio spessohellip

Esempi di spettri PIXELapislazzuli

0

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600

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1000

C o

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0

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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

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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gg

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CuSi

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Zn

1

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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

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
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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

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gg

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K

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Energy (keV)

Co

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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

energia (keV)

co

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1 0 m

11 5 m

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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

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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
  • 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
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  • 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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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

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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
Page 33: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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

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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

T

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Riv

X

p

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E

Et

XZ

Z

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A

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QY

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cosdet

Nel caso di bersaglio spessohellip

Esempi di spettri PIXELapislazzuli

0

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1000

C o

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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

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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

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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
Page 34: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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

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Energy (keV)

Co

un

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1

10

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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

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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

energia (keV)

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

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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
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  • 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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  • Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe
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  • LABEC
  • 65degESA e DE-E
  • Errori sistematici
  • san Francesco
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  • 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
Page 35: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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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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
Page 36: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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

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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

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Et

XZ

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AZZ ES

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A

N

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Nel caso di bersaglio spessohellip

Esempi di spettri PIXELapislazzuli

0

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600

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5000

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8000

9000

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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)

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

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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

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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

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
Page 37: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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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Co

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energia (keV)

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1 0 m

11 5 m

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Griglia di Cu su vetrino

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Griglia di Cu su vetrino

Min

Max

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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

2000

4000

6000

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0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)

Cou

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Al

Hg+S

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Si

0

10000

20000

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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

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
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  • 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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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

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800

1000

C o

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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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Riv

X

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E

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Nel caso di bersaglio spessohellip

Esempi di spettri PIXELapislazzuli

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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

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100

1000

10000

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

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
Page 39: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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

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EE

E

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XZ

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AZZ ES

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Nel caso di bersaglio spessohellip

Esempi di spettri PIXELapislazzuli

0

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C o

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Al

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S

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Azzurrite

0

1000

2000

3000

4000

0

1000

2000

3000

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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)

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

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Griglia di Cu su vetrino

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Griglia di Cu su vetrino

Min

Max

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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

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)

Cou

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Hg+S

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0

10000

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
Page 40: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

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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
Page 41: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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

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Z

AZZ ES

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A

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Nel caso di bersaglio spessohellip

Esempi di spettri PIXELapislazzuli

0

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400

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1000

C o

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9000

1000

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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

i

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K

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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

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
Page 42: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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

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CuSi

K

TiCu

Zn

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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

energia (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

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0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)

Cou

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Al

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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

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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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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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X

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E

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Z

AZZ ES

dEeE

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0)(4

cosdet

Nel caso di bersaglio spessohellip

Esempi di spettri PIXELapislazzuli

0

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1000

C o

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7000

8000

9000

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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

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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

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)

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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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CuSi

K

TiCu

Zn

Energy (keV)

Co

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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
Page 44: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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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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
Page 45: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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

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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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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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CuSi

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TiCu

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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
Page 46: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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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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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un

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1

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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

6000

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0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)

Cou

nts

Al

Hg+S

KCa

Si

0

10000

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

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
Page 47: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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

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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

gg

i

CuSi

K

TiCu

Zn

Energy (keV)

Co

un

ts

1

10

100

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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

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12000

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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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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

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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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0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)

Cou

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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

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1 mm

Min

Max

Hg M + S Kα

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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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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

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Griglia di Cu su vetrino

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Griglia di Cu su vetrino

Min

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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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0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)

Cou

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Al

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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
Page 50: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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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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
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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
  • 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
Page 51: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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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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

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

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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

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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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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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

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
Page 53: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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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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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CuSi

K

TiCu

Zn

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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CuSi

K

TiCu

Zn

Energy (keV)

Co

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

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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
Page 54: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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

energia (keV)

co

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CuSi

K

TiCu

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Energy (keV)

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CuSi

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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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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

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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
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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

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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

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  • Misura del 14C con AMS
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  • Combustione
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  • Analisi quantitativa target spessi
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  • RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
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  • Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
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  • 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

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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

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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

14000

0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)

Cou

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Al

Hg+S

KCa

Si

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20000

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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

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1 mm

Min

Max

Hg M + S Kα

K Kα

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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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mm

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

Max

2 mm

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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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  • 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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  • Analisi quantitativa target spessi
  • Esempi di spettri PIXE
  • RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
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  • Il fascio esterno collimato
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  • Slide 54
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  • setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
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  • per ogni posizione del campione si acquisiscono
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  • Hg righe M e L
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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

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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

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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

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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
Page 58: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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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Energy (keV)

Co

un

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1

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Griglia di Cu su vetrino

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Griglia di Cu su vetrino

Min

Max

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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

2000

4000

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La distribuzione spaziale puograve dare informazioni su struttura e composizione degli strati pittorici hellip

EEpp = 3 MeV = 3 MeV

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1 mm

Min

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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

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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

Max

2 mm

K KαAl Kα

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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

labecfiinfnit

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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
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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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  • 65degESA e DE-E
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  • san Francesco
  • Campionamento
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  • Analisi quantitativa target spessi
  • Esempi di spettri PIXE
  • RIASSUNTO PIXE vantaggihellip
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  • 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
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  • Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
  • Il microfascio esterno
  • setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
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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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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

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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

2000

4000

6000

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10000

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0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)

Cou

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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

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1 mm

Min

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Hg M + S Kα

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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

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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

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  • Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
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  • Principio della datazione col 14C
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  • Limiti delle assunzioni 2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo
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  • Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
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  • rlmma quanto vale 14R(t)
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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
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  • san Francesco
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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
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  • Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
  • Il microfascio esterno
  • setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
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  • La preparazione
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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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Griglia di Cu su vetrino

11 5 m

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Griglia di Cu su vetrino

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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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0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)

Cou

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Al

Hg+S

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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
Page 61: 1 Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008 Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione

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

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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

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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5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15X-ray energy (keV)

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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

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Hg M + S Kα

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bull diverso spessore sondato (EX diverse)

Hg M + S Kα

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Max

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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 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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  • 65degESA e DE-E
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  • 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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  • Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
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  • Ci vorrebbe un PIXE a scansione percheacute
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  • setup integrato PIXE-PIGE-BS-IL al microfascio
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  • per ogni posizione del campione si acquisiscono
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  • Riassumendo area ldquomaculatardquo hellip
  • La preparazione
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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

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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

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

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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  • Il LABEC ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali
  • Il LABEC LAboratorio per i BEni Culturali
  • Fisica Nucleare e Beni Culturali
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  • Produzione del radiocarbonio
  • produzione distribuzione e morte del 14C
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  • rlmma quanto vale 14R(t)
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  • 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
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  • 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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  • Slide 54
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  • Le analisi PIXE sul ldquoRitratto di uomordquo
  • Analisi PIXE a scansione degli strati pittorici
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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

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bull rischio di informazioni fuorvianti da misure puntualirischio di informazioni fuorvianti da misure puntuali

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energia (keV)

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energia (keV)

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K

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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

1 mm

Aree analizzate

Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2

0

2000

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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
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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
  • 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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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

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0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)

Cou

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Al

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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

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Hg righe M e L

bull diverso spessore sondato (EX diverse)

Hg M + S Kα

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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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  • 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
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  • La preparazione
  • Grazie per lrsquoattenzione
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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

1 mm

Aree analizzate

Esempi di spettri PIXESpettri dei raggi X da una singola area di 2x2 mm2

0

2000

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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

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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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  • Limiti delle assunzioni 32 ndash variazioni di R nel temporlm
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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
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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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6000

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0 1 2 3 4 5X-ray energy (keV)

Cou

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Al

Hg+S

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Si

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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

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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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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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  • 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
  • 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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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

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  • 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
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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 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

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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

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Ipotesi lacca rossa sopra il cinabro

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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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Ca dalla preparazione a gesso

e minori quantitagrave di HgMin

Max1 mm

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Ca Kα

Hg Lα

Nelle micro-fratture della

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Ca dalla preparazione a gesso

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Max1 mm

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