Tecniche nucleari al LABEC: datazioni e analisi dei materiali

Lorenzo Giuntini

Dipartimento di Fisica dell’Universitàe Sezione INFN, Firenze

Incontri di Fisica, Firenze 23 marzo 2009

• Research & Development

ovvero non ci limitiamo a usare le tecniche esistenti per misure di interesse scientifico, ma siamo impegnati nello sviluppo di tecniche nuove e più efficaci

• applicazioni di tecniche nucleari a problemi specifici

Al LABEC , il LABoratorio per i BEni Culturali dell’INFN, si fanno

Tandetron Accelerator3 MV max terminal voltage

IBA dual source

injector High-energy AMS

spectrometer

Multi-sample AMS injector

IBAbeamlines

multipurpose IBA vacuum chamber

electrostatic chopper

external beam for archaeometry

external beam for aerosol analysis

external -beam

multi-angle scattering chamber

PIXE-induced XRF

operational

under installation

planned

Il LABEC

I beni culturali e il LABEC

La nuova Scienzaper i Beni Culturali

• Chimica, fisica, scienze della terra, biologia, con le rispettive tecnologie, indispensabili per lo studio e la salvaguardia del patrimonio storico e artistico

• È ormai ampiamente riconosciuto dalla comunità umanistica

• Le istituzioni scientifiche hanno preso consapevolezza dell’importanza di questa integrazione di culture

Ruolo della Scienza per i Beni Culturali

Discipline scientifiche cruciali per:

• conoscenza delle opere e del loro “stato di salute”

• conservazione e restauro

Ruolo della Fisica per i Beni Culturali

La Fisica riveste oggi un ruolo dominante

nel campo della diagnostica, principalmente

grazie al carattere non invasivo della

maggioranza delle tecniche

E la fisica nucleare che c’entra?

Datazioni archeologiche

Analisi non distruttiva di materiali con fasci ionici

Con un acceleratore di particelle si possono fare principalmente due cose di

grande importanza per la diagnostica dei beni culturali

Gli isotopi del carbonio di interesse

Principio della datazione col 14CIl 14C è presente in atmosfera

(concentrazione costante: equilibrio fra i processi di scomparsa per decadimento radioattivo e di continua

produzione per effetto della radiazione cosmica)

Tramite vari meccanismi, TUTTI GLI ORGANISMI VIVENTI

PARTECIPANO A QUESTO EQUILIBRIO

e hanno perciò nei loro tessuti la stessa concentrazione di 14C

FINCHE’ VIVENTI

A partire dalla morte di un organismo, il

decadimento radioattivo del 14C porta ad una

progressiva diminuzione della concentrazione

di questo isotopo nei resti organici

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

tempo trascorso dalla morte (anni)

conc

entr

azio

ne d

i C-1

4

∙10-12

14R(t) = 14R0 · e –t/

t = · ln [14R0 / 14R(t)]

14C: principio-base

Si utilizza un acceleratore di particelle

( Accelerator Mass Spectrometry, AMS)

Come si misura la concentrazione del 14C?

Si tratta infatti di misurare una concentrazione bassissima con un’incertezza molto piccola

(es.: 0.5% errore sulla concentrazione 40 anni di incertezza nell’età)

La spettrometria di massa con acceleratore ci riesce

Raggiungere un’enorme sensibilità (specificamente selettiva per 14C) mantenendo una elevata precisione

..e per di più senza distruggere quantità apprezzabili del reperto! (bastano solo pochi milligrammi, o anche meno)

La sfida dell’AMS

Misura del 14C con AMS

Sensibilità a concentrazioni fino a 10-15

sono databili reperti risalenti fino a

oltre 50000 anni fa

massa del campione da sacrificare”

per la datazione 1 mg

Il reperto opportunamente pretrattato viene collocato nella sorgente di ioni dell’acceleratore

Come funziona l’AMS? Come funziona l’AMS?

Come funziona l’AMS

Il reperto opportunamente pretrattato viene collocato nella sorgente di ioni dell’acceleratore

Gli ioni che se ne estraggono vengono accelerati nella macchina, acquistando un’elevata energia

Come funziona l’AMS? Accelerator Mass Spectroscopy (AMS)

Grazie all’energia acquisita dagli ioni si può determinare in modo preciso e ultrasensibile quanti sono specificamente gli ioni carbonio di massa 14

rispetto a quelli di massa 12

Gli ioni che se ne estraggono vengono accelerati nella macchina, acquistando un’elevata energia

Il reperto opportunamente pretrattato viene collocato nella sorgente di ioni dell’acceleratore

Analizzatore elettrostatico dopo l’analisi magnetica ad alta energia e contatore

finale del 14C

Come funziona l’AMS

Usata, secondo la tradizione, per coprire il santo al momento della morte.

davanti

dietro

Una reliquia francescana: la tonaca di Cortona

Il papiro di Artemidoro

Datazioni archeologiche

Analisi non distruttiva di materiali con fasci ionici

Con un acceleratore di particelle si possono fare principalmente due cose di

grande importanza per la diagnostica dei beni culturali

2) Conservatori e restauratori2) Conservatori e restauratori

conoscenza dello stato di degradoconoscenza dello stato di degrado

conoscenza dei materiali originali per scegliere la tecnica e conoscenza dei materiali originali per scegliere la tecnica e i materiali dell’intervento conservativo i materiali dell’intervento conservativo

Analisi di composizione di materiali in archeometria: a chi serve, e per sapere cosa

1)1) Storici dell’arte, archeologi, storici della scienza e delle tecnologie,.....

informazioni specifiche su singole opereinformazioni specifiche su singole opere

informazioni più generali su tecnologie di produzione, fonti di informazioni più generali su tecnologie di produzione, fonti di approvvigionamento, canali di scambio commerciali nel passato,....approvvigionamento, canali di scambio commerciali nel passato,....

Ion Beam Analysis (IBA)

oggetto da analizzareacceleratore di

particelle

fascio di particelle

Emissione di radiazioni di energie caratteristiche (raggi X, , particelle…)

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

•Analisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori, tipicamente fasci di protoni o alfa di qualche MeV di energia

Caratteristiche della IBA che la rendono ideale per le analisi nel campo dei beni culturali

Non invasività: le misure si possono ripetere, e/o si possono applicare successivamente tecniche analitiche diverse

In un’unica misura si integrano simultaneamente le diverse tecniche IBA, che forniscono informazioni complementari

Non distruttività: nessun prelievo dalle opere

La sala dei canali di misura IBA del LABEC

Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali

1 cm

il set-up di fascio esternoil set-up di fascio esterno

Linea di microfascio

esterno

Con un fascio esterno si può

determinare in modo completamente

non distruttivo la composizione

quantitativa di qualunque materiale

Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl.16,22 (XV secolo,

Biblioteca Laurenziana)

Antichi manoscritti miniati,

... documenti storici,

Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante

l’analisi PIXE con fascio esterno

…terrecotte invetriate,

Analisi PIXE con fascio esterno del “Ritratto di fanciullo” di Luca Della

Robbia – prima del restauro all’Opificio delle Pietre Dure

…vetri antichi,

Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa

Adriana

…antichi ricami,

Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su

disegno di Raffaellino del Garbo

…stampe fotografiche,

Analisi PIXE-PIGE di una “stampa” su piastra metallica del XIX secolo

...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

...pitture su tela o tavola,

Analisi micro-PIXE e -PIGE del “Ritratto Trivulzio” di Antonello da Messina

Analisi con PIXE differenziale e PIGE della Madonna dei Fusi di Leonardo

Giorgio Vasari

Tavoletta raffigurante S.Lucia dalla Pala Albergotti, Arezzo

Andrea Mantegna

Madonna col Bambino, dipinto su tela, Accademia Carrara di Bergamo

…manufatti in pietre semipreziose

“Disco con stella” della “Collezione Medicea di Pietre Ornamentali” del Museo di Storia Naturale di Firenze, sezione mineralogia e litologia

…o qualunque altro materiale, per scopi anche diversissimi dallo studio dei beni culturali

Uova di diversi allevamentiPolveri fini in aria (il famoso

PM) raccolte su filtri

Applicazioni IBA al monitoraggio ambientale

(particolato in atmosfera)

•Correnti di fascio in questo caso molto maggiori

•Dimensioni di fascio di norma maggiori (qualche mm2)

•PIGE usato di routine per rivelare alcuni elementi leggeri

• In vuoto, informazioni sugli elementi leggeri (H)

H C N O Z > 10

MDL (g/m3) 0.1 1 0.4 0.5 0.001-0.01

Incertezza 10% 10% 20% 15% 5% - 20%

MDL e incertezze tipiche

Remote areasAntarctic dust Desert aerosol

Particelle di polvere depositate sul ghiaccio antartico e archiviate in carote di ghiaccio, capaci di coprire gli ultimi 220000 anni, per investigare i cambiamenti del clima

Raccolto durante l’AMMA project (African Monsoon Multidisciplinary Analyses)