Applicazioni degli acceleratori nei beni culturali

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Aureliana Casadei
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1 Dimostratore di PIXE basato su acceleratore di protoni con fascio impulsato WP 5.3 COBRA Project Applicazioni degli acceleratori nei beni culturali Workshop Progetto COBRA ENEA Centro Ricerca di Frascati, 19 Gennaio 2017

2 Sommario Ion Beam Analysis (IBA) La tecnica PIXE (Particle Induced X-ray Emission) Applicazioni della PIXE allo studio dei beni culturali Dimostratore PIXE in ENEA (Frascati)

Ion Beam Analysis (IBA) Ion Beam Analysis (IBA): insieme di tecniche analitiche che si basano sull interazione di particelle cariche con la materia quantità

3 Ion Beam Analysis (IBA) Ion Beam Analysis (IBA): insieme di tecniche analitiche che si basano sull interazione di particelle cariche con la materia quantità misurate: spettri energetici di raggi X, raggi e particelle cariche emessi Determinazione la composizione elementale Determinazione la struttura della superficie del campione

4 Ion Beam Analysis (IBA) Multi-elementali (da H a U) Non distruttive Sensibili a elementi in traccia (µg/g) Analisi superficiale (1-30 µm) Microanalisi (risoluzione laterale <1 μm) Mappe 2D - Profili di concentrazione

5 Principi della tecnica PIXE (Particle Induced X-ray Emission) Le energie degli elettroni nei diversi livelli atomici sono caratteristiche di ciascuna specie atomica. Le energie dei raggi X sono caratteristiche della specie atomica da cui sono emessi. Rivelazione + Classificazione E X Identificazione e Quantificazione dei differenti elementi presenti nel bersaglio del fascio (=campione)

6 Principi della tecnica PIXE (Particle Induced X-ray Emission)

La tecnica PIXE Rapida Altamente sensibile Non distruttiva Analisi quantitativa Nessuna informazione sulle componenti organiche Nessuna informazione sugli stati chimici Minima energia RX rivelati

7 La tecnica PIXE Rapida Altamente sensibile Non distruttiva Analisi quantitativa Nessuna informazione sulle componenti organiche Nessuna informazione sugli stati chimici Minima energia RX rivelati 1 kev (> Na misura simultanea) pressione ambiente (set-up di fascio esterno) Distribuzione in profondità degli elementi Possibile auto-assorbimento dei raggi X di bassa energia nel campione stesso

8 La tecnica PIXE Spettri PIXE campione di ossidiana

9 La tecnica PIXE Identificazione dei materiali - analisi degli elementi maggioritari mediante PIXE (e PIGE) Studi di provenienza dei materiali (fonti di approvvigionamento e vie di commercio) - analisi degli elementi in traccia mediante PIXE Tecnologia produttiva - misure ad alta risoluzione spaziale: laterale mediante μ-pixe (in profondità mediante RBS) PIXE è altamente sensibile per un vasto intervallo di elementi non distruttiva - può essere effettuata con fasci esterni mantenendo il campione in atmosfera

10 Fascio di protoni estratto in aria set-up fascio esterno

11 Fascio di protoni estratto in aria set-up fascio esterno analisi diretta di campioni di qualunque forma e dimensione nessun prelievo no caricamento (nessuna preparazione, p.es. coating con conduttore) no surriscaldamento (riduzione del rischio di danneggiamento) facile posizionamento del campione veloce ed efficente perdita di energia straggling energetico straggling angolare attenuazione di radiazione X in atmosfera

16,22, dalla Biblioteca Laurenziana di Firenze Analisi PIXE del Ritratto di

12 Analisi con fascio esterno di antichi manoscritti miniati e terracotta invetriate Analisi PIXE del frontespizio del manoscritto Pl.16,22, dalla Biblioteca Laurenziana di Firenze Analisi PIXE del Ritratto di fanciullo di Luca Della Robbia prima del restauro presso l Opificio delle Pietre Dure di Firenze

13 Analisi con fascio esterno di vetri antichi e prime fotografie Analisi PIXE-PIGE delle tessere di mosaico di Villa Adriana Analisi PIXE-PIGE di una stampa su lastra metallica (XIX secolo)

14 Analisi con fascio esterno di dipinti su tavola o tela Analisi PIXE-PIGE della Madonna dei Fusi di Leonardo da Vinci Analisi Micro-PIXE e Micro-PIGE del Ritratto Trivulzio di Antonello da Messina

Leonardo da Vinci Analisi Micro-PIXE and Micro-PIGE del Disco con stella

15 Analisi con fascio esterno di disegni e manufatti in pietra semi-preziosa Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta preparata, della scuola di Leonardo da Vinci Analisi Micro-PIXE and Micro-PIGE del Disco con stella dalla Collezione Medicea di Pietre Ornamentali del Museo di Storia Naturale di Firenze

16 Analisi con fascio esterno di manufatti d oro/dorati Statuetta egizia (Museo Egizio di Firenze) Calice liturgico, XV-XVI secolo (Museo Casa Rodolfo Siviero", Firenze) Fibula etrusca, VI secolo A.C. (Museo Archeologico Nazionale di Firenze)

17 Tempere Blu Esempi di spettri PIXE di due pigmenti blu Pluteo 48, 34, f. 66 v Pluteo 48, 34, f. 41 v Grande uso di lapislazuli a partire dall'xi secolo

18 Dimostratore PIXE - ENEA CR Frascati ACCELERATORE DI ENEA-FRASCATI FULL LINAC PROTON ACCELERATOR FOR PROTON-THERAPY TOP-IMPLART - Oncologycal Therapy with Protons - Intensity Modulated Proton Linear Accelerator for RadioTherapy

19 Dimostratore PIXE - ENEA CR Frascati FULL LINAC PROTON ACCELERATOR FOR PROTON-THERAPY 7 MeV 27 MeV 35 MeV 150 MeV 3 7MeV LINEA VERTICALE > 7MeV LINEA ORIZZONTALE

20 Dimostratore PIXE - ENEA CR Frascati RF FREQUENCY 425 MHz Injector (7 MeV) 3 GHz > 7 MeV TOTAL NUMBER OF BEAM LINES 2 VERT. HOR. PROTON BEAM ENERGY (in operation) PROTON BEAM ENERGY (under realization) PROTON BEAM PULSE CURRENT CHARGE PULSE PARTICLE FLUX 3-7 MeV VERT. LINE MeV HOR. LINE MeV HOR. LINE μa 3 7 MeV μa > 7 MeV 10 nc 3 7 MeV 0.14 nc > 7 MeV 6.25E+10 #/pulse 3 7 MeV 8.75E+08 #/pulse > 7 MeV DOSE RATE Gy/min protontherapy application Up to 100 Gy/min other applications VARIABLE PULSE LENGHT μs 3 7 MeV 4 μs > 7 MeV REPETITION RATE Hz MINIMUM BEAM SPOT 0.2 cm 2

21 Dimostratore PIXE - ENEA CR Frascati 2D Scheme of the 3-7 MeV TOP-IMPLART Injector Variable Current 30 kev Source VERTICAL LINE TERMINAL 3 7 MeV 3 Mev RFQ 7 Mev DTL Bending Magnet quadrupoles

22 Dimostratore PIXE - ENEA CR Frascati PIXE SET-UP

23 Current Monitor Dimostratore PIXE - ENEA CR Frascati PIXE SET-UP Sample SDD X-Rays detector Geometry Exit window 7.5 m Upilex Exit aperture 300 m Sample distance 1 cm Detector distance 1.5 cm Exiting Protons Energy (MeV) Impinging Protons

24 Dimostratore PIXE - ENEA CR Frascati PREPARAZIONI DI GESSO CON PIGMENTI Azzurrite Ocra e Cinabro (Opificio Fiorentino) MONETE ROMANE diverse epoche FRAMMENTI DI CERAMICA vasellame Necropoli di Tarquinia FRAMMENTI DI BRONZO

25 Dimostratore PIXE - ENEA CR Frascati MONETE ROMANE 2 Assi coniati sotto l Imperatore Claudio (41-54 A.D.) 1 Sesterzio del periodo di Vespasiano (69-79 A.D.) 1 Dupondio periodo di Augusto (4 d.c.). Le prime due contengono principalmente Cu mentre le altre contengono una lega di Cu-Zn (Auricalcum)

26 Dimostratore PIXE - ENEA CR Frascati Spettri PIXE ottenuti con protoni da 2.75 MeV + spettri acquisiti con spettrometro XRF portatile disegnato/realizzato da INFN LABEC OTTIMA COMPLEMENTARITA DEI DUE SISTEMI

27 Dimostratore PIXE - ENEA CR Frascati PIXE Differenziale misurata con protoni da 2.75, 4.32, 5.85 MeV OSS: Il rapporto Si-Al, normalizzato al rapporto 2.75 MeV, resta costante alle diverse energie evidenziando che i due elementi sono presenti nello stesso strato. Al contrario il rapporto Cu-Si aumenta considerevolmente all aumentare dell energia dei protoni evidenziando che Si si trova più in profondità rispetto a Cu. Lapislazuli (base Si e Al) Azurite (base Cu).

28 Dimostratore PIXE - ENEA CR Frascati PIXE 18 MeV Maggiore penetrazione protoni

29 Sviluppi PIXE - ENEA CR Frascati Possibilità applicazione PIXE agli utenti Utilizzo protoni di alta energia (crescita in energia fasci emessi da TOP- IMPLART) Dr. M. Chiari Dr. A. Mazzinghi

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