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
under installation
planned
external beam for
aerosol analysis
Tandetron Accelerator
3 MV max terminal voltage
IBA
beam
lines
external
m-beam
electrostatic
chopper
PIXE-induced
XRF
multi-angle
scattering
chamber
IBA
dual source
injector
Multi-sample
AMS injector
external beam for
archaeometry
High-energy AMS
spectrometer
multipurpose
IBA vacuum
chamber
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?
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
1.4 ∙10 -12
14R · e –t/t
=
0 organismo, il
A partire dalla morte di un
14R(t)
concentrazione di C-14
1.2
14R / 14R(t)]
t
=
t
·
ln
[
0 14C porta ad una
decadimento radioattivo del
1
0.8
0.6
progressiva
diminuzione della concentrazione
0.4
di questo isotopo nei resti organici
0.2
0
0
5000
10000
15000
20000
25000
tempo trascorso dalla morte (anni)
30000
35000
40000
Come si misura la
14
concentrazione del C?
Si utilizza un acceleratore di
particelle
( Accelerator Mass Spectrometry,
AMS)
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?
Il reperto opportunamente pretrattato viene collocato
nella sorgente di ioni dell’acceleratore
Come funziona l’AMS
Accelerator Mass Spectroscopy (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
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
Analizzatore
dopo l’analisi
determinare
in modoelettrostatico
preciso e ultrasensibile
quanti
magnetica ad
e contatore
sono specificamente
glialta
ionienergia
carbonio
di massa 14
14C
finale
del
rispetto a quelli di massa 12
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
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
Emissione di radiazioni di
energie caratteristiche
(raggi X, g, particelle…)
1000
Si
Lapislazzuli
Conteggi
800
600
Al
400
S
200
Ca
Na
K
0
fascio di particelle
acceleratore di particelle
oggetto da
analizzare
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
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,
Analisi PIXE con fascio esterno del
frontespizio del Pl.16,22 (XV secolo,
Biblioteca Laurenziana)
... documenti storici,
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto
(Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
l’analisi PIXE con fascio esterno
…vetri antichi,
Analisi PIXE-PIGE con fascio
esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
…terrecotte invetriate,
Analisi PIXE con fascio esterno del
“Ritratto di fanciullo” di Luca Della
Robbia – prima del restauro
all’Opificio delle Pietre Dure
…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 con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
Analisi micro-PIXE e -PIGE del
“Ritratto Trivulzio” di Antonello da Messina
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
MDL (mg/m3)
Incertezza
0.1
10%
C
1
N
0.4
O
0.5
Z > 10
0.001-0.01
10% 20% 15% 5% - 20%
Remote areas
Antarctic dust
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
Desert aerosol
Raccolto durante l’AMMA
project (African Monsoon
Multidisciplinary Analyses)