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Tecniche nucleari al LABEC: datazioni e analisi dei materiali Lorenzo Giuntini Dipartimento di Fisica dellUniversità e Sezione INFN, Firenze Incontri di.

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1 Tecniche nucleari al LABEC: datazioni e analisi dei materiali Lorenzo Giuntini Dipartimento di Fisica dellUniversità e Sezione INFN, Firenze Incontri di Fisica, Firenze 23 marzo 2009

2 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 dellINFN, si fanno

3 Tandetron Accelerator 3 MV max terminal voltage IBA dual source injector High-energy AMS spectrometer Multi-sample AMS injector IBA beam lines 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

4 I beni culturali e il LABEC

5 La nuova Scienza per 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 dellimportanza di questa integrazione di culture

6 Ruolo della Scienza per i Beni Culturali Discipline scientifiche cruciali per: conoscenza delle opere e del loro stato di salute conservazione e restauro

7 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

8 E la fisica nucleare che centra?

9 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

10 Gli isotopi del carbonio di interesse

11 Principio della datazione col 14 C Il 14 C 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 14 C FINCHE VIVENTI

12 A partire dalla morte di un organismo, il decadimento radioattivo del 14 C porta ad una progressiva diminuzione della concentrazione di questo isotopo nei resti organici 14 R(t) = 14 R 0 · e –t/ t = · ln [ 14 R 0 / 14 R(t)] 14 C: principio-base

13 Si utilizza un acceleratore di particelle ( Accelerator Mass Spectrometry, AMS) Come si misura la concentrazione del 14 C?

14 Si tratta infatti di misurare una concentrazione bassissima con unincertezza molto piccola (es.: 0.5% errore sulla concentrazione 40 anni di incertezza nelletà) La spettrometria di massa con acceleratore ci riesce Raggiungere unenorme sensibilità (specificamente selettiva per 14 C) mantenendo una elevata precisione..e per di più senza distruggere quantità apprezzabili del reperto! (bastano solo pochi milligrammi, o anche meno) La sfida dellAMS

15 Misura del 14 C con AMS Sensibilità a concentrazioni fino a sono databili reperti risalenti fino a oltre anni fa massa del campione da sacrificare per la datazione 1 mg

16 Il reperto opportunamente pretrattato viene collocato nella sorgente di ioni dellacceleratore Come funziona lAMS?

17 Come funziona lAMS

18 Il reperto opportunamente pretrattato viene collocato nella sorgente di ioni dellacceleratore Gli ioni che se ne estraggono vengono accelerati nella macchina, acquistando unelevata energia Come funziona lAMS? Accelerator Mass Spectroscopy (AMS)

19 Grazie allenergia 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 unelevata energia Il reperto opportunamente pretrattato viene collocato nella sorgente di ioni dellacceleratore Analizzatore elettrostatico dopo lanalisi magnetica ad alta energia e contatore finale del 14 C Come funziona lAMS

20 Usata, secondo la tradizione, per coprire il santo al momento della morte. davantidietro Una reliquia francescana: la tonaca di Cortona

21 Il papiro di Artemidoro

22 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

23 2) Conservatori e restauratori conoscenza dello stato di degrado conoscenza dei materiali originali per scegliere la tecnica e i materiali dellintervento conservativo Analisi di composizione di materiali in archeometria: a chi serve, e per sapere cosa 1). 1) Storici dellarte, archeologi, storici della scienza e delle tecnologie,.... informazioni specifiche su singole opere informazioni più generali su tecnologie di produzione, fonti di approvvigionamento, canali di scambio commerciali nel passato,....

24 Ion Beam Analysis (IBA) oggetto da analizzare acceleratore di particelle fascio di particelle Emissione di radiazioni di energie caratteristiche (raggi X,, particelle…) Rivelazione della radiazione e analisi spettrale Analisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori, tipicamente fasci di protoni o alfa di qualche MeV di energia

25 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 ununica misura si integrano simultaneamente le diverse tecniche IBA, che forniscono informazioni complementari Non distruttività: nessun prelievo dalle opere

26 La sala dei canali di misura IBA del LABEC

27 Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali 1 cm il set-up di fascio esterno

28 Linea di microfascio esterno

29 Con un fascio esterno si può determinare in modo completamente non distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale

30 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 lanalisi PIXE con fascio esterno

31 …terrecotte invetriate, Analisi PIXE con fascio esterno del Ritratto di fanciullo di Luca Della Robbia – prima del restauro allOpificio delle Pietre Dure …vetri antichi, Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa Adriana

32 …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

33 ...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

34 ...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

35 Giorgio Vasari Tavoletta raffigurante S.Lucia dalla Pala Albergotti, Arezzo Andrea Mantegna Madonna col Bambino, dipinto su tela, Accademia Carrara di Bergamo

36 …manufatti in pietre semipreziose Disco con stella della Collezione Medicea di Pietre Ornamentali del Museo di Storia Naturale di Firenze, sezione mineralogia e litologia

37 …o qualunque altro materiale, per scopi anche diversissimi dallo studio dei beni culturali Uova di diversi allevamenti Polveri fini in aria (il famoso PM) raccolte su filtri

38 Applicazioni IBA al monitoraggio ambientale (particolato in atmosfera) Correnti di fascio in questo caso molto maggiori Dimensioni di fascio di norma maggiori (qualche mm 2 ) PIGE usato di routine per rivelare alcuni elementi leggeri In vuoto, informazioni sugli elementi leggeri (H)

39 H C N O Z > 10 MDL ( g/m 3 ) Incertezza 10% 10% 20% 15% 5% - 20% MDL e incertezze tipiche

40 Remote areas Antarctic dust Desert aerosol Particelle di polvere depositate sul ghiaccio antartico e archiviate in carote di ghiaccio, capaci di coprire gli ultimi anni, per investigare i cambiamenti del clima Raccolto durante lAMMA project (African Monsoon Multidisciplinary Analyses)


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