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Tecniche IBA (Ion Beam Analysis). Cos’è l’Archeometria?. E’ l’area delle applicazioni delle discipline scientifiche, inclusa la Fisica, che hanno come oggetto le misure riferite a oggetti antichi. In particolare, ma non esclusivamente, le datazioni.
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Tecniche IBA (Ion Beam Analysis)
Cos’è l’Archeometria? E’ l’area delle applicazioni delle discipline scientifiche, inclusa la Fisica, che hanno come oggetto le misure riferite a oggetti antichi. In particolare, ma non esclusivamente, le datazioni. I metodi di analisi fisiche devono essere non distruttivi e perciò sono importanti alcuni metodi di Fisica atomica (Ion Beam Analysis) e di Fisica nucleare.
Analisi di materiali - COME? • analisi chimica • spettrometrie nel visibile, I.R., U.V. • tecniche “nucleari”: tecniche di attivazione (con neutroni) fluorescenza X (XRF) • Ion Beam Analysis(PIXE, PIGE, RBS, ....)
Tecniche di Ion Beam Analysis • insieme di metodologie della fisica nucleare, basate sull’uso di piccoli acceleratori di particelle, estremamente efficaci per determinare la composizione di un qualsiasi campione
rivelatore radiazione caratteristica segnali spettro di energie fascio di particelle campione Ion Beam Analysis (IBA)
Ion Beam Analysis – Il principio raggio X (PIXE) a particella diffusa (RBS) raggio g (PIGE)
Ion Beam Analysis • quantitativa, multi-elementale • molto sensibile veloce, basse correnti difascio non distruttiva • analisi di superficie (15-20 mm tipicamente) • micro-analisi • fasci esterni
PIXE La tecnica PIXE (Particle Induced X-ray Emission) è una metodica analitica relativamente recente. È stata introdotta dal Lund Institute of Technology nel 1970. Nel 1970, infatti, Johansson et al. hanno dimostrato che il bombardamento di un campione con un fascio di protoni di pochi MeV genera l’emissione di raggi X caratteristici e che questo fenomeno rappresenta la base per una tecnica d’analisi molto sensibile. Questi studi sono stati possibili grazie alla disponibilità dei nuovi rivelatori al Si(Li), verso la fine degli anni ‘60, che hanno permesso di fatto la rivelazione dei raggi X caratteristici con una sufficiente risoluzione energetica.
Principio dell’analisi PIXE • le energie degli elettroni nei diversi livelli atomici sono caratteristiche di ciascuna specie atomica • dunque, anche le differenze tra di esse, cioè le energie dei raggi X, sono caratteristiche della specie atomica da cui sono emessi • la rivelazione e classificazione delle energie X permette di identificare e quantificare i differenti elementi presenti nel campione-bersaglio del fascio
PIXE XRF
PIXE • Lo spot colpito dal fascio protonico ha un'area variabile tra 4 mm2 e pochi µm, mentre lo strato interessato in profondità è di circa 100 µm • L'informazione che si ottiene dalla tecnica PIXE è relativa aglielementi presenti sulla superficiedel campione
Strumenti per la PIXE • Dal punto di vista tecnologico, gli strumenti PIXE utilizzati in campo archeometrico sono spesso assemblati in casa e hanno quindi una diffusione commerciale limitata. Gli strumenti da laboratorio (a lato) possono richiedere dispositivi ingombranti e poco comuni come un acceleratore di Van de Graaff (sotto); gli strumenti portatili sono assai poco diffusi (dx in basso) per le difficoltà tecniche connesse con la loro realizzazione, per quanto rappresentino una soluzione analitica con potenzialità ineguagliabili per quanto riguarda l’analisi elementare.
AGLAE: accélérateur Grand Louvre d’Analyse ElémentaireLaboratorio dei musei di Francia (Parigi)
AGLAE: accélérateur Grand Louvre d’Analyse ElémentaireLaboratorio dei Musei di Francia (Parigi) Sorgenti per la produzione di ioni, particelle alfa o protoni Acceleratore elettrostatico tandem (2•106 V) Console di comando
PIXE portatile • Titolo: Il sistema portatile PIXE-alfa • Autori: Pappalardo L. 1, Romano F.P. 1, Garraffo S. 1, de Sanoit J. 2, Marchetta C. 3, PappalardoG. 3 • Autori CNR: SALVATORE GARRAFFO , LIGHEA PAPPALARDO , FRANCESCO PAOLO ROMANO • Affiliazione autori: • 1: CNR-Istituto per i Beni Archeologici e Monumentali,Sezione di Catania 2: CEA-DIMRI, Laboratoire Henri Becquerel, Saclay, Francia 3: INFN, Laboratori Nazionali del Sud, Catania • Anno: 2003 • Area disciplina di riferimento: Spectroscopy/Instrumentation/Analytical Sciences • Descrizione sintetica: • Nel settore dei Beni Culturali la conoscenza della composizione chimica della superficie di manufatti riveste un ruolo molto importante. Comunemente la loro caratterizzazione viene effettuata mediante la tecnica PIXE da acceleratore. Nella presente ricerca viene presentato il nuovo sistema portatile PIXE-alfa che attualmente è l'unico al mondo. Una accurata scelta di materiali e lo studio di una geometria compatta ha permesso di progettare e realizzare tale sistema, basato su una sorgente di particelle alfa di 210Po, 37 MBq di attività, assemblata in una geometria anulare. Particolare attenzione è stata rivolta al confinamento del Po. Il sistema offre la possibilità di analizzare elementi con Z>10. Alcune significative e recenti applicazioni "in situ" del sistema sono state: 1. La misura del contenuto di As in vernici blu su ceramica robbiana presso il Museo Nazionale del Bargello a Firenze 2. caratterizzazione di pigmenti in alcuni pythoi al museo di Heraklion a Creta
Perché la PIXE? • Se la tecnica PIXE richiede strumentazioni costose ed ingombranti per ottenere la stessa risposta analitica dell’XRF, che vantaggio c’è a utilizzarla? • limiti di rivelabilità più bassi • migliore rapporto segnale/fondo IMPIEGHI • Identificazione di: • inchiostri e pigmenti • strati metallici • gemme in miniature, manoscritti, carta moneta, statuette, gioielli • indagini di provenienza: • pietre • gemme • ceramiche • tecnologia di lavorazione dei metalli: • saldature • dorature • leghe
FASCIO ESTERNO • facilità nel maneggiare e muovere il “bersaglio” • analisi di oggetti di qualunque dimensione • prelievi non necessari • riscaldamento trascurabile nessun danno termico nessun problema di disidratazione
Condizioni tipiche di misura • fascio di protoni da 3 MeV nominali • correnti dai pA a meno di 1 nA (a seconda del tipo di applicazione) • durata di una misura dalle decine di secondi a qualche minuto
Università degli Studi di Milano - Istituto di Fisica Generale Applicata Applicazioni della PIXE
Applicazioni della PIXE • Essendo una tecnica di analisi elementare, le applicazioni principali sono nella caratterizzazione dioggetti metallici, in vetro o in ceramica Analisi del “Ritratto di fanciullo” di Luca Della Robbia – prima del restauro all’Opificio delle Pietre Dure di Firenze (terrecotte invetriate)
Obiettivi di tale lavoro erano quelli di costruire un soddisfacente database per gli elementi utilizzati nei diversi pigmenti, stabilire trend cronologici nell'utilizzo di vari materiali per i colori, dedurre alcune informazioni sulle vie dei commerci per le materie prime, confermare oppure no l'attribuzione delle opere analizzate ad un artista. Analisi di miniature Misure PIXE in fascio esterno sono state effettuate su centinaia di miniature, tratte da manoscritti o frammenti risalenti al periodo XII-XV secolo.
Caratterizzazione di pigmenti • Analogamente alla tecnica XRF, la PIXE può essere impiegata nella caratterizzazione di pigmenti o coloranti, per la cui identificazione può essere sufficiente la determinazionedei principali elementi presentinel composto. Nella figura è riportato lo spettro PIXE • di un campione di lapislazzuli (3Na2O * 3Al2 O3 * 6SiO2 * Na2 S); • di un campione di azzurrite (2CuCO3·Cu(OH)2). • l'identificazione avviene attraverso il riconoscimento qualitativo degli elementi principali presenti e della loro concentrazione relativa: • Na, Al, Si e S • Cu
Misure con PIXE sui manoscritti -tempere blu • uso esteso del lapislazzulo fin dal secolo XII • probabilmente il carattere “sacro” del contenuto dei testi implicava l’uso di un materiale prezioso, indipendentemente dal valore artistico della decorazione • il carattere quantitativo delle misure consente una differenziazione fra i differenti tipi di lapislazzulo
Analisi di inchiostri in manoscritti di interesse storico. • L'altissima capacità di risoluzione della tecnica PIXE la rende particolarmente adatta all'analisi di pigmenti e inchiostri su manoscritti, nella quale è necessario riuscire a discriminare tratti o zone pigmentate molto ravvicinati. • Un'ulteriore caratteristica della PIXE è che il fascio protonico può essere utilizzato per fare una scansione sul campione in due dimensioni, in modo da fornire le distribuzioni spaziali degli elementi presenti e quindi studiare come le loro concentrazioni variano sulla superficie.
Gli scritti di Galileo • Uno studio archeometrico molto interessante riguarda gli scritti di Galileo Galilei conservati nella Biblioteca Nazionale di Firenze e noti come Manoscritti Galileiani (Ms. Gal.). Essi sonodatabili globalmente a cavallo del XVII secolo,ma ricostruirne l’esatta sequenza temporaleè importante per gli studiosi di Galileo che voglianocapire lo sviluppo del suo pensiero scientifico.
Gli scritti di Galileo • Molti fogli non sono datati; tra questi ha particolare importanza il trattato sul moto naturale (Ms. Gal. 72, slide precedente);altri invece hanno chiari riferimenti temporalicome l’agenda personale (Ms. Gal. 26, sotto). Sfruttando questi riferimenti, anche sulla base di evidenze stilistiche, è possibile ricostruire la sequenza correlando la composizione dell’inchiostro di un documento incognito con quella di altri documenti datati. Spesso Galileo scriveva delle note su altri appunti anche anni dopo!
Gli scritti di Galileo • Sequenze di numeri e calcoliapparentementesenza nesso
Gli scritti di Galileo : cronologia degli scritti • In particolare, è possibile determinare due cronologie: • cronologia relativadal confronto degli inchiostri in fogli diversi o in parti diverse all’interno dello stesso foglio • cronologia assolutadal confronto degli inchiostri dei fogli con quelli di documenti datati (lettere, agenda personale) • In collaborazione con storici italiani e stranieri, il lavoro archeometrico è stato effettuato da ricercatori dell’Università di Firenze per determinare la distribuzione elementare degli inchiostri. • Grazie all’elevata sensibilità e capacità di risoluzione, la PIXE è particolarmente idonea a studi di questo tipo dove è necessario poter distinguere punti distanti tra loro frazioni di mm. • Gli inchiostri usati da Galileo sono metallogallici, quindi a base tanninica con sali di ferro o zinco e tracce di elementi metallici che possono essere rivelate dalla PIXE.
Gli scritti di Galileo: risultatidelle analisi • I requisiti necessari per il lavoro di riordino temporale sono due: • si possa dimostrare l’esistenza di periodi durante i quali sia stata utilizzata una sola sorgente di inchiostro • i profili elementari determinati con la PIXE siano sufficientemente consistenti all’interno di un periodo ma sufficientemente diversi da periodo a periodo: l’inchiostro ai tempi di Galileo era sicuramente fatto in casa e quindi è ragionevole aspettarsi che almeno i rapporti quantitativi fra gli ingredienti variassero da una partita di inchiostro all’altra L’analisi dei manoscritti datati ha confermato che questi requisiti sono soddisfatti. Un esempio è rappresentato dal Ms. Gal. 14 che è costituito da diciassette lettere datate tra il 1600 e il 1636: sottoposto ad analisi PIXE esso ha mostrato l’esistenza di segmenti temporali omogenei, in cui la distribuzione degli elementi K, Fe, Cu, Zn, Pb e Ni è costante e differente da uno all’altro.
