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

Al LABEC , il LABoratorio per i BEni Culturali dell’INFN, si fanno applicazioni di tecniche nucleari a problemi specifici 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

Il LABEC operational external m-beam under installation Tandetron Accelerator 3 MV max terminal voltage IBA dual source injector High-energy AMS spectrometer Multi-sample AMS injector beam lines multipurpose IBA vacuum chamber electrostatic chopper external beam for archaeometry external beam for aerosol analysis external m-beam multi-angle scattering chamber PIXE-induced XRF operational under installation planned

I beni culturali e il LABEC

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 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 Con un acceleratore di particelle si possono fare principalmente due cose di grande importanza per la diagnostica dei beni culturali Datazioni archeologiche Analisi non distruttiva di materiali con fasci ionici

Gli isotopi del carbonio di interesse

Principio della datazione col 14C Il 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

14C: principio-base 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 14R(t) = 14R0 · e –t/t t = t · ln [14R0 / 14R(t)]

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

La spettrometria di massa con acceleratore ci riesce La sfida dell’AMS Raggiungere un’enorme sensibilità (specificamente selettiva per 14C) mantenendo una elevata precisione 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 ..e per di più senza distruggere quantità apprezzabili del reperto! (bastano solo pochi milligrammi, o anche meno)

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

Come funziona l’AMS? Come funziona l’AMS? Il reperto opportunamente pretrattato viene collocato nella sorgente di ioni dell’acceleratore

Come funziona l’AMS

Come funziona l’AMS? Accelerator Mass Spectroscopy (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 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 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 Analizzatore elettrostatico dopo l’analisi magnetica ad alta energia e contatore finale del 14C

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

Il papiro di Artemidoro

Datazioni archeologiche Con un acceleratore di particelle si possono fare principalmente due cose di grande importanza per la diagnostica dei beni culturali Datazioni archeologiche Analisi non distruttiva di materiali con fasci ionici

Analisi di composizione di materiali in archeometria: a chi serve, e per sapere cosa 1) Storici dell’arte, 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,.... 2) Conservatori e restauratori conoscenza dello stato di degrado conoscenza dei materiali originali per scegliere la tecnica e i materiali dell’intervento conservativo

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

Caratteristiche della IBA che la rendono ideale per le analisi nel campo dei beni culturali Non distruttività: nessun prelievo dalle opere 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

La sala dei canali di misura IBA del LABEC

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

Linea di microfascio esterno

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

Antichi manoscritti miniati, ... documenti storici, Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto (Biblioteca Nazionale di Firenze) durante l’analisi PIXE con fascio esterno Analisi PIXE con fascio esterno del frontespizio del Pl.16,22 (XV secolo, Biblioteca Laurenziana) Antichi manoscritti miniati,

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

Analisi PIXE-PIGE di una “stampa” su piastra metallica del XIX secolo …antichi ricami, …stampe fotografiche, Analisi PIXE-PIGE di una “stampa” su piastra metallica del XIX secolo Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili dorati di un ricamo rinascimentale su disegno di Raffaellino del Garbo

...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 con PIXE differenziale e PIGE della Madonna dei Fusi di Leonardo Analisi micro-PIXE e -PIGE del “Ritratto Trivulzio” di Antonello da Messina

Tavoletta raffigurante S.Lucia dalla Pala Albergotti, Arezzo 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 allevamenti Polveri 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)

MDL e incertezze tipiche H C N O Z > 10 MDL (mg/m3) 0.1 1 0.4 0.5 0.001-0.01 Incertezza 10% 10% 20% 15% 5% - 20%

Remote areas Antarctic 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)