Un nuovo spettrometro XRF portatile: prima applicazione a un bronzo dorato del Battistero di Firenze

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1 Un nuovo spettrometro XRF portatile: prima applicazione a un bronzo dorato del Battistero di Firenze A. Migliori a,b, P. Bonanni a, L. Carraresi a, N. Grassi a, P.A. Mandò a a Dipartimento di Fisica dell Università di Firenze and Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Firenze b Istituto per la Conservazione e la Valorizzazione dei Beni Culturali (ICVBC), Firenze Consiglio Nazionale delle Ricerche

2 Il nuovo spettrometro XRF portatile: testa di misura Ti Mo 2 tubi a raggi X con anodi diversi (tipicamente Mo and Ti; a disposizione anche W) Collimatori davanti ai tubi X: diametro tipico 0.5 mm Rivelatore SDD Telecamera Sistema di due laser per il posizionamento Flusso d elio davanti a entrambi i tubi e al rivelatore

3 Caratteristiche Tubi intercambiabili (Oxford Instruments), con diverso anodo titanio (Ti) righe K α 4.5 kev, K β 4.9 kev tungsteno (W) righe L α 8.4 kev, L β 9.7 kev molibdeno (Mo) righe K α 7.5 kev, K β 9.6 kev, L α 2.3 kev finestra di Be, spessore 5 mil = 25 μm corrente di anodo max ma lunghezza 02 mm diametro 33 mm circa 200 g peso Rivelatore Si (SDD) Area 0 mm 2 e spessore 450 μm FWHM kev Distanze tipiche dal punto di misura tubi X ~ 0 cm rivelatore ~ 2 cm (di cui <5 mm in aria) tubo X TF000

4 Il nuovo spettrometro XRF portatile: controller Alimentazione indipendente per i due tubi Bombola d elio Computer portatile per il controllo di: Acquisizione Flusso d elio Movimenti di traslazione Telecamera

5 Il nuovo spettrometro XRF portatile: supporto Traslazione orizzontale (asse x) Traslazione verticale (asse y) Traslazione orizzontale (asse z) Sistema di sicurezza

6 Vantaggi rispetto a strumenti standard (I) Usando due tubi a raggi X con due diversi anodi, si può: eccitare efficacemente raggi X su un più ampio intervallo di energie (= identificare un più maggior numero di elementi) identificare nel campione anche elementi con lo stesso Z dell anodo (o elementi vicini )* identificare facilmente i picchi di diffrazione (essendo i due tubi ad angoli diversi rispetto all asse del rivelatore)* * se i due tubi non sono usati contemporaneamente

7 Vantaggi rispetto a strumenti standard (II) Il flusso di He permette di: massimizzare la produzione e la rivelazione dei raggi X di più bassa energia (fino a kev) I raggi X primari di più bassa energia prodotti dal tubo vengono più efficacemente trasmessi fino al campione, dove riescono ad indurre efficacemente l emissione di raggi X di più bassa energia dal campione I raggi X secondari di più bassa energia emessi dal campione vengono efficacemente trasmessi fino al rivelatore e rivelati nello spettro

8 Curve di efficienza Rivelazione dei principali elementi di interesse per i Beni Culturali /(mg/cm 2 )s K series - Mo anode L series - Mo anode K series - Ti anode L series - Ti anode Collimatore 0.5 mm Mo L α (2.29 kev) Na, Mg, Al, Si, P Ti K α (4.5 kev) S, Cl, K, Ca Ag L, Cd L, Sn L, Sb L Mo K α (7.48 kev) Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Rb, Sr, Ba L, Au L, Hg L, Pb L

9 Esempi di spettri su un blu oltremare 28 kv, 0.8 ma, collimatore 0.5 mm S+Mo (anode) K Ca Fe Mo, no He Ar S K Ca Ti (anode) Fe Ti, no He Si Al Na! K S+Mo (anode) Ca Fe Mo, He S Si Al Na K Ca Ti (anode) Fe Ti, He

10 Esempi di spettri su un giallo di Pb e Sn 28 kv, 0.8 ma, collimatore 0.5 mm Pb + Mo (anode) Ca Fe Mo, no He Pb Ca Ti (anode) Ti, no He 0 Sn Pb Sn Pb Pb + Mo (anode) Mo, He Pb Ca Ti (anode) Ti, He 00 Ca Fe 00 0 Si Sn Pb Si Sn Pb

11 Misure su un bronzo dorato proveniente dalla Porta del Paradiso del Battistero di Firenze Composizione del bronzo (retro) Identificazione degli elementi nella patina di alterazione (parti non pulite) Composizione e spessore della doratura, in zone pulite con differenti tecniche 7 punti analizzati con entrambi i tubi indipendentemente

12 Analisi del bronzo Due differenti fusioni, entrambe coperte da patina Misure in zone coperte da patina e in aree dove questa è stata rimossa meccanicamente Calibrazione dello strumento con standard contenenti Cu, Zn, Sn e Pb Analisi quantitativa eseguite con il programma AXIL Anodo di Mo (30 kv) Anodo di Ti (26 kv) Cu Zn Sn Pb Cu Zn Sn Pb a fusione patina < a fusione patina rimossa a fusione patina a fusione patina rimossa Le incertezze relative sono circa % per la concentrazione del rame e 0 20% per quelle degli altri elementi rivelati

13 Aree non pulite Mo: 30 kv, 0.5 ma Ti: 26 kv, 0.5 ma Cl K Ti (anode) Cu Zn Ca Cu Au Si S Fe Hg Mo anode Ti anode Au, Hg: doratura Cu, Zn: bronzo (principalmente) Si, S, Cl, K, Ca, Fe dallo strato di alterazione superficiale; tipica composizione di una crosta nera e di materiale di deposizione Ca, S: gesso Si, K, Fe: silicati Cl, S: prodotti di corrosione del rame (idrossi-cloruri e idrossisolfuri) Au Hg Au

14 Analisi quantitativa della doratura: Aree pulite con sali di Rochelle e con laser La doratura è composta da oro e mercurio doratura ad amalgama. L analisi quantitativa (composizione e spessore della doratura) si basa sulle intensità dei picchi di oro e mercurio, confrontate con quelle ottenute su standard Le incertezze relative sono circa % per la concentrazione dell oro e 5% per quella del mercurio. Si riportano solamente i risultati ottenuti con il tubo con anodo di Mo (30 kv, 0.5 ma, collimatore 0.5 mm, 20 s). punto Au (%) Hg (%) spessore (μm) >

15 Conclusioni Il nuovo spettrometro permette di ottenere una buona efficienza su un ampio intervallo di energie, fino a kev Anche per un campione metallico sono fondamentali le informazioni sugli elementi leggeri, in quanto individuano processi di alterazione e deposizione Accanto all analisi qualitativa, si possono ottenere anche informazioni quantitative con una buona accuratezza La scultura in bronzo dorato analizzata è stata caratterizzata con una tecnica totalmente non-invasiva