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Incontri di Fisica 06-08/10/2004 INFN/LNF Indagini non distruttive 1 La fisica e la conservazione dei Beni Culturali Adolfo Esposito.

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1 Incontri di Fisica 06-08/10/2004 INFN/LNF Indagini non distruttive 1 La fisica e la conservazione dei Beni Culturali Adolfo Esposito

2 Indagini non distruttive2 Introduzione Ogni manufatto, segnatamente di interesse artistico ma non solo, contiene in se la storia del manufatto stesso, ivi compresa informazioni sulla sua produzione, sul suo uso e sul suo stato di conservazione Compito degli storici dellarte, degli archeologi, dei restauratori e di quantaltri coinvolti nel campo dello studio e della salvaguardia dei Beni Culturali, e quello di mettere in evidenza tutta la sua storia, ove possibile, rispondendo ai quesiti: Dove? Quando? Da chi?Con che cosa? un manufatto viene prodotto Le valutazioni artistiche di un esperto del settore sono in grado di leggere a partire dalla sola analisi visiva dellopera darte o del manufatto, con il supporto sempre necessario di valutazioni stodico artistiche, la mano e/o la specificita di un autore e della sua bottega

3 Indagini non distruttive3 Locchio dellesperto non e in grado pero di andare oltre la superficie, dove peraltro e nascosta una parte non meno importante e sostanziosa informazione. Sotto la superficie e/o nella superficie e possibile mettere in evidenza tutto cio che non e visibile ad occhio nudo (composizione dei materiali, tecnologie di preparazione, tecnologie di cottura, ripensamenti, riferimenti, etc.) Compito fondamentale delle applicazione della fisica nei Beni Culturali consiste in definitiva nello svelare questa storia nascosta

4 Indagini non distruttive4 Generalita sulle tecniche Le tecniche analitiche utilizzabili sono rivolte principalmente allottenimento di informazioni necessarie agli studi nei campi di seguito elencati, di certo non completamente esaustivi Autenticita Datazione diretta Datazione indiretta Analisi di provenienza e collocazione storico artistica Valutazione dello stato di conservazione Scelta della tecnica piu appropriata per il restauro

5 Indagini non distruttive5 In linea di massima ogni tecnica nata per lo studio dei materiali puo essere applicata in maniera soddisfacente nel campo dellarcheometria purche vengano rispettate le esigenze di seguito elencate. Non distruttivitaNon invasivita Adattabilita a varie forme e materiali Accuratezza quantitativa Rapidita di esecuzione delle misure Limite di rivelazione piccolo

6 Indagini non distruttive6 Lanalisi chimica mediante metodi fisici richiede i seguenti tre elementi di base: Sorgente di radiazioni Ionizzanti Non ionizzanti Acceleratori Generatori di raggi X Sorgenti radioattive Lampade infrarosso Lampade ultravioletto Lampade visibile Laser Cavita risonanti Rivelatore Rivelatori a riempimento di gas Scintillatori Semiconduttori Telecamere CCD Manufatto o campione del manufatto Lastre radiografiche Lastre fotografiche Etc.

7 Indagini non distruttive7 Sorgente Rivelatore Manufatto

8 Indagini non distruttive8 Tecniche non distruttive Le tecniche non distruttive sono il complesso di indagini diagnostiche, esami, rilievi condotti impiegando metodi che non alterano il materiale, non ne richiedono la distruzione o tanto meno il prelievo di campioni Sono in genere tutti i metodi indiretti. Essi si basano sulluso della radiazione elettromagnetica in tutto il suo spettro di energia Tecniche non invasive Le tecniche non invasive sono il complesso di indagini diagnostiche, esami, rilievi condotti su piccoli campioni prelevati dal manufatto Sono in genere tutti quei metodi indiretti utilizzabili in genere in laboratorio a mezzo di strumentazione sofisticate altrimenti intrasportabile e/o quei metodi che comunque prevedono un trattamento del campione prima della misura

9 Indagini non distruttive9 Il campo di indagine e talmente vasto da non poterlo compendiare in un tempo ristretto. E appena il caso di ricordare I materiali lapideiI materiali fittili I materiali lignei I materiali metallici I vetri I dipinti su tela I dipinti su tavola Gli affreschi Le pergamene

10 Indagini non distruttive10 NON DISTRUTTIVE NON DISTRUTTIVE Loggetto NON subisce alcun tipo dalterazione durante lanalisi NON INVASIVE NON INVASIVE Si opera su campioni rappresentativi, di piccolissima quantità, prelevati dallopera Applicazione dei Raggi X

11 Indagini non distruttive11 Esempi di analisi Non Distruttive Tecniche fotografiche speciali Tecniche fotografiche speciali Riflettografia IR Riflettografia IR Radiografia Radiografia Fluorescenza X Fluorescenza X Tomografia Tomografia Gammagrafia Gammagrafia Termografia Termografia Olografia Olografia Ultrasuoni Ultrasuoni

12 Indagini non distruttive12 Spettro Elettromagnetico Raggi x di alta energia

13 Indagini non distruttive13 Informazioni rilevabili per mezzo di radiazione ottica (UV-VIS-IR) 100 m max

14 Indagini non distruttive14 Analisi non distruttiva che impiega radiazione X Radiografia Radiografia Tomografia Tomografia Fluorescenza Fluorescenza

15 Indagini non distruttive15 Produzione di RX Corrente:Qualche centinaio di A Tensione:1- 60 kV

16 Indagini non distruttive16 R ADIOGRAFIA N : Intensità della radiazione trasmessa N 0 : Intensità della radiazione incidente x : Spessore del campione : Coefficiente di assorbimento lineare caratteristico del materiale: Coefficiente di assorbimento lineare caratteristico del materiale Legge di penetrazione dei Rx: Penetrazione di diversi centimetri N=-Nx 0.1cm -1

17 Indagini non distruttive17 Applicazioni (radiografia) Dipinti Dipinti Bronzi Bronzi Manufatti lignei e ceramici Manufatti lignei e ceramici Mummie Mummie Pergamene Pergamene Francobolli e cartone Francobolli e cartone

18 Indagini non distruttive18 Informazione sui DIPINTI (radiografia) Convalida autenticitàConvalida autenticità Individuazione di pentimenti e sovrapposizioniIndividuazione di pentimenti e sovrapposizioni Analisi del supporto (tela, legno)Analisi del supporto (tela, legno) Analisi dellimprimituraAnalisi dellimprimitura Analisi della pellicola pittoricaAnalisi della pellicola pittorica Analisi dello stato di conservazioneAnalisi dello stato di conservazione Restauri precedentiRestauri precedenti Tecnica dellartistaTecnica dellartista

19 Indagini non distruttive19 Pentimenti Guido Reni – La Strage degli Innocenti

20 Indagini non distruttive20 Pentimenti Le Sueur – musa Urania (particolare)

21 Indagini non distruttive21 Restauri precedenti – pentimenti Raffaello – Madonna dellImpannata

22 Indagini non distruttive22 Analisi sfondo Raffaello - Madonna del Cardellino

23 Indagini non distruttive23 Analisi dei pigmenti Leonardo Da Vinci – La Gioconda

24 Indagini non distruttive24 Assorbimento RX di vari pigmenti

25 Indagini non distruttive25 Riutilizzo tela Rembrandt – Ritratto di giovane uomo Titus

26 Indagini non distruttive26 Informazione sui BRONZI (radiografia) Sezioni originarie Sezioni originarie Tasselli originari Tasselli originari Elementi aggiunti per fusione successiva Elementi aggiunti per fusione successiva Linee di giunzione Linee di giunzione Saldature Saldature Chiodi distanziatori Chiodi distanziatori Attacchi dei canali di colata Attacchi dei canali di colata Armature danima Armature danima Ribattini, viti Ribattini, viti Inserti, riempimenti di lacune e lesioni con il metallo fuso Inserti, riempimenti di lacune e lesioni con il metallo fuso

27 Indagini non distruttive27 Informazioni sui MANUFATTI LIGNEI (radiografia) Integrità del pezzo Integrità del pezzo Stato di conservazione del legno Stato di conservazione del legno Individuazione di restauri precedenti Individuazione di restauri precedenti Analisi dei chiodi Analisi dei chiodi

28 Indagini non distruttive28 Radiografia manufatti lignei Cristo – Chiesa di Santa Maria Assunta Bagno di Romagna Lanalisi preliminare per mezzo dei RX ha rilevato: un notevole danno causato dai tarli, le zone precedentemente restaurate. Il braccio è sostenuto da un supporto di ferro. Sono stati inseriti molti chiodi per riparare la rottura tra la spalla e lascella, sotto lascella è visibile un restauro radiopaco. Nella mano sono visibili chiodi inseriti in epoca recente. Il pollice è stato rimodellato.

29 Indagini non distruttive29 Informazioni sulle PERGAMENE (radiografia) Si rivela lo scritto antico sottostante eroso dalla pomice Si rivela lo scritto antico sottostante eroso dalla pomice

30 Indagini non distruttive30 Informazioni sui FRANCOBOLLI (radiografia) Tipo di inchiostro Tipo di inchiostro Struttura della carta Struttura della carta Sistema di stampa Sistema di stampa Riconoscimento dei falsi Riconoscimento dei falsi

31 Indagini non distruttive31 Limiti della R ADIOGRAFIA Mancanza di dettaglio Mancanza di dettaglio Risoluzione limitata Risoluzione limitata

32 Indagini non distruttive32 T OMOGRAFIA Immagine 3D in grado di fornire informazioni sulla distribuzione di densità allinterno delloggetto Immagine 3D in grado di fornire informazioni sulla distribuzione di densità allinterno delloggetto

33 Indagini non distruttive33 Un fascio di RX attraversa una sezione delloggetto. Un fascio di RX attraversa una sezione delloggetto. La stessa sezione successivamente viene ruotata di piccoli angoli ed attraversata ancora dagli stessi RX. La stessa sezione successivamente viene ruotata di piccoli angoli ed attraversata ancora dagli stessi RX. In seguito ad una rotazione di 360° tutta la sezione sarà stata attraversata dai RX. In seguito ad una rotazione di 360° tutta la sezione sarà stata attraversata dai RX. Tubo RX Rivelatore TOMOGRAFIA: Misura

34 Indagini non distruttive34 N=-Nx e sempre funzione di,Z ed E Per un materiale omogeneo e semplice ricavare il coefficiente di attenuazione lineare Se lassorbitore non e omogeneo, allora e una funzione di e di z che dipende dalla distribuzione dei vari materiali nel manufatto.

35 Indagini non distruttive35 Tomografia: Applicazioni Statue di grandi e piccole dimensioni di bronzo o pietra Statue di grandi e piccole dimensioni di bronzo o pietra Manufatti lignei e ceramici Manufatti lignei e ceramici Mummie Mummie Materiale biologico Materiale biologico Carta pesta Carta pesta

36 Indagini non distruttive36 Tomografia: Informazioni Eseguendo le misure per sezioni diverse, si ottiene il profilo esatto delloggetto nei toni di grigio o a colori. Eseguendo le misure per sezioni diverse, si ottiene il profilo esatto delloggetto nei toni di grigio o a colori. Si può risalire alla sua composizione interna: Si può risalire alla sua composizione interna: Individuando vuoti, cricche fratture … Spessori di lega nelle varie parti individuazione di zone restaurate

37 Indagini non distruttive37 La qualità dellimmagine dipende: Dalla risoluzione geometrica: m (microtomografo) a 1 mm (macrotomografo) Dalla risoluzione geometrica: m (microtomografo) a 1 mm (macrotomografo) Dalla risoluzione dei contrasti Dalla risoluzione dei contrasti Dal rumore (incertezza sul segnale registrato) Dal rumore (incertezza sul segnale registrato) Luso dei RX è inadeguato per spessori: Luso dei RX è inadeguato per spessori: >1,5 cm Metalli >1,5 cm Metalli >20 cm Marmo, materiale lapideo >20 cm Marmo, materiale lapideo Per spessori superiori si devono usare i raggi Per spessori superiori si devono usare i raggi Tomografia: Caratteristiche

38 Indagini non distruttive38 Fluorescenza di raggi X Nelle analisi di fluorescenza di raggi X il manufatto e sottoposto a un flusso di fotoni in genere raggi X in qualche caso raggi gamma. Se un fotone comunque prodotto ha energia sufficientemente elevata esso puo estrarre uno degli elettroni degli orbitali interni di un atomo degli elementi chimici presenti nel manufatto, lasciando latomo in uno stato eccitato. La diseccitazione e in genere immediata e avviene mediante il salto degli elettroni dalle orbite esterne verso le orbite interne I salti sono accompagnati dalla emissione di raggi X corrispondenti alla differenza fra il livello di partenza e di arrivo dellelettrone dellatomo. Detti livelli sono caratteristici solo e soltanto di quella specie fisica.

39 Indagini non distruttive39 F LUORESCENZA X (XRF) Un fascio di RX che investe un campione, trasferisce una parte della sua energia agli e - delle orbite più interne in quantità note e caratteristiche dellatomo a cui appartengono, producendo lespulsione di un e - (effetto fotoelettrico) Nellatomo eccitato si induce una transizione elettronica con conseguente emissione di radiazione RX di energia ed intensità legate allabbondanza ed al tipo di elemento presente nel campione investito.

40 Indagini non distruttive40

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43 Indagini non distruttive43 La tecnica XRF e un metodo qualitativo nonche quantitativo di analisi chimica di elementi in tracce. In linea di principio e applicabile a tutti gli elementi con esclusione dellidrogeno e dellelio coprendo ampio intervallo energetico ( 50 eV – 100 keV). Lanalisi per fluorescenza ha in pratica un limite inferiore posizionato al numero atomico 13 (Al). Gli elementi leggeri non sono comunque facili a misurarsi I generatori di raggi x che sono utilizzati per eccitare le linee di fluorescenza sono alimentati a tensioni che vanno dai 5-10 kV ai kV in modo tale da contenere i costi delle apparecchiature nonche limitare rischi da radiazioni mper il personale coinvolto specialmente nelle misure in situ. Lintervallo energetico delle linee di fluorescenza che vengono in genere utilizzate e 1keV – 25keV. Per le analisi di elementi con numero atomico superiore a 50 (Sn) vengono utilizzate le linee L anziche le linee K.

44 Indagini non distruttive44 Le misure sono effettuate in tempi dellordine di qualche centinaio di secondo, linformazione ottenuta è relativa ad uno strato superficiale del campione (metalli frazione di qualche mm – legno qualche cm) di area pari alla dimensione del fascio incidente: da qualche mm 2 ( secondo le esigenze si può diminuire tale dimensione, si possono avere spot del diametro di m ) a qualche cm 2. Misure XRF

45 Indagini non distruttive45 E pertanto possibile ottenere informazioni e dati sulla composizione del manufatto irraggiandolo con fotoni di energia opportuna misurando poi lenergia e lintensita della fluorescenza emessa. Lenergia dei raggi x emessi e caratteristica dellatomo irraggiato. Lintensita dei raggi x emessi e caratteristica dellabbondanza dellatomo irraggiato nel manufatto in esame

46 Indagini non distruttive46 Spettro XRF

47 Indagini non distruttive47 Informazioni (XRF) Individuazione qualitativa degli elementi chimici presenti nel campione con percentuali in peso < qualche percento Individuazione qualitativa degli elementi chimici presenti nel campione con percentuali in peso < qualche percento Determinazione quantitativa, con errore di qualche percento, degli elementi chimici presenti nel campione Determinazione quantitativa, con errore di qualche percento, degli elementi chimici presenti nel campione

48 Indagini non distruttive48 A PPLICAZIONI (XRF) Analisi di: Dipinti Dipinti Manufatti metallici Manufatti metallici Manufatti ceramici Manufatti ceramici Smalti Smalti

49 Indagini non distruttive49 Apparato strumentale Sorgente raggi X (energia 60 keV) Sorgente raggi X (energia 60 keV) Campione Campione Rivelatore a semiconduttore Si(Pin) raffreddato per effetto Peltier Rivelatore a semiconduttore Si(Pin) raffreddato per effetto Peltier Amplificatore di segnale analogico Amplificatore di segnale analogico Analizzatore multicanale MCA (convertitore analogico/digitale) Analizzatore multicanale MCA (convertitore analogico/digitale) Sistema di acquisizione ed elaborazione dati Sistema di acquisizione ed elaborazione dati

50 Indagini non distruttive50

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55 Indagini non distruttive55 SantOmobono Site Excavation

56 Indagini non distruttive56 SantOmobono Site Excavation

57 Indagini non distruttive57 Coin Stud Leaf Artefact From SantOmobono Site Thanks to Dr. Isabella Ruggero

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62 Indagini non distruttive62 Comments Because this kind of analysis must be non-destructive as well as little invasive, it is clear the difficulty to study such artefacts. The spectra collected show bronzes with different composition ascribable to different ages and/or origin. In order to make quantitative analysis is necessary to have for comparison - many bronze artefacts of sure origin and composition; - bronze standards with different concentrations and compositions

63 Indagini non distruttive63 XRF dipinti Van den Heuvel Annunciazione

64 Indagini non distruttive64 XRF inchiostro Raffaello de Mercatellis manoscritto n.109

65 Indagini non distruttive65 XRF vetro cimitero Merovingio - perline

66 Indagini non distruttive66 XRF terracotta Museo di Nicosia terrecotte cipriote

67 Indagini non distruttive67 XRF oro gioielli etruschi (Collezione Castellani)

68 Indagini non distruttive68 XRF bronzo studio della patina e della lega in vari punti Cellini - Perseo Esempio di influenza della patina sullo spettro.

69 Indagini non distruttive69 XRF bronzo

70 Indagini non distruttive70 Applicazione recente (XRF) Materiale lapideo Materiale lapideo Affreschi Affreschi Informazione Analisi quantitativa degli inquinanti S (0.1% min) e Cl

71 Indagini non distruttive71 XRF marmo prove di pulizia studio dei solfati Michelangelo - David Misura dellefficacia di un solvente nella rimozione dello Zolfo

72 Indagini non distruttive72 XRF bronzi Differenti composizioni della lega Oggetto di bronzo trovato nellisola di Vivara (Na) Tipico spettro di un bronzo nuragico (presenza di Pb <1%)

73 Indagini non distruttive73 XRF affresco studio del deposito di S e Cl, prodotti degli inquinanti atmosferici

74 Indagini non distruttive74 Limiti (XRF) Non sono individuabili materiali con Z piccolo (composti organici). Non sono individuabili materiali con Z piccolo (composti organici). Impossibilita di effettuare determinazioni quantitative (effetto matrice ed effetto schermo) Impossibilita di effettuare determinazioni quantitative (effetto matrice ed effetto schermo) Impossibilita di determinare i composti chimici Impossibilita di determinare i composti chimici

75 Indagini non distruttive75 XRF = X Ray Fluorescence XRD = X Ray Diffrattometry SRXRD = Synchrotron XRF PGAA = Prompt Gamma-ray Activation Analysis NAA = Neutron Activation Analysis PIGE = Particle-Induced -ray Emission PIXE = Particle-Induced x-ray Emission CPAA = Charge Particle Activatio Analysis RBS = Rutherford Backscattering Spectrometry EBS = Elastic Backscattering Spectrometry HIRBS = Heavy Ions Rutherford Backscattering Spectrometry PES = Proto Elastic Scattering REXRD = Radioisotopes-exited XRF

76 Indagini non distruttive76 Conclusioni I metodi analitici fisici sono senza dubbio uno strumento di analisi potente, applicato ampiamente e con successo nel campo dello studio dei manufatti artistici e archeologici. Essi hanno lo scopo di essere un utile se non addirittura indispensabile strumento nelle mani degli operatori dellarte e dellarcheologia per la salvaguardia di tutti i Beni Culturali. E appena il caso di auspicare comunque una completa osmosi degli studiosi (fisici, chimici, archeologi, restauratori etc.) allo scopo di raggiungere lobbiettivo comune.


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