laboratorio caratterizzazione micro Raman

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Viviana Campana
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1 laboratorio caratterizzazione i laser : il THz risolto in tempo e il micro Raman Serena Gagliardi e Mauro Falconieri ENEA FSN TECFIS C.R. Casaccia SECONDO WORKSHOP PROGETTO COBRA Roma, 15 Luglio 2016

2 outline inquadramento progettuale introduzione alla radiazione al THz spettroscopia ottica e laser per i beni culturali il dimostratore t al THz: principio i i dif funzionamento applicazioni a campioni di laboratorio il microraman: la strumentazione applicata ad un case study conclusioni e prospettive

principio i i dif funzionamento applicazioni a campioni di laboratorio il

3 attività previste nel progetto WP2 Potenziamento degli assets di Ricerca e Sviluppo Attività 5 Sviluppo sistemi diagnostici dimostratori. «dimostratore THz imaging basato su sorgenti commerciali operanti in selezionate regioni spettrali per realizzare scanner su area inferiore al m 2 a distanza dell ordine del cm» frequenze (energie) corrispondenti alle vibrazioni molecolari frequenze dell ordine del THz (0.1 10THz) ovvero lontano infrarosso cm 1

«dimostratore THz imaging basato su sorgenti commerciali operanti in selezionate regioni spettrali per realizzare

4 THz e spettroscopia Raman intervallo spettrale del lontano infrarosso mappa della composizione Spettroscopia THz : chimica a bassa risoluzione spaziale ( 1 mm) analisi chimica in profondità e stratigrafia assorbimento e/o riflessione della radiazione incidente a frequenze corrispondenti a vibrazioni molecolari 0.1< <3 THz 3<E<100 cm 1 Spettroscopia Raman: emissione luminosa dovuta all interazione delle vibrazioni molecolari del campione con la luce laser di eccitazione mappa della composizione chimica della superficie ad alta risoluzione spaziale ( 1 m) E> 75 cm 1 : Raman con filtri edge standard 5<E<75 cm 1 : ULF Raman con filtri di Bragg

1< <3 THz 3<E<100 cm 1 Spettroscopia Raman: emissione luminosa dovuta all interazione delle vibrazioni molecolari del campione con la luce laser di eccitazione

5 applicazione ai beni culturali le spettroscopie ottica e laser sono: tecniche non distruttive contactless applicabili a materiali lignei, lapidei, affreschi, dipinti su tela o pala, ceramiche consentono: identificazione di pigmenti anche in miscele, rivelazione e identificazione di leganti organici: olii, colle animali e vegetali (esistono già diversi database cui fare riferimento) studio del degrado del colore rivelazione di stratificazioni, distacchi parziali, dettagli ricoperti strumentazione da laboratorio: ha alte prestazioni ed è flessibile strumentazione portatile: è essenziale e semplificata

organici: olii, colle animali e vegetali (esistono già diversi database cui fare riferimento) studio del degrado del colore rivelazione di

6 lo spettrometro THz TDS 1/3 Time Domain Spectroscopy: spettroscopia nel dominio del tempo DC bias optical pulse photoconductive substrate schema dello spettrometro TDS emettitore THz THz pulse l analisi dei dati permette di studiare 1. la morfologia (stratigrafia) 2. lo spettro nel lontano IR (composizione chimica) 3. ricostruire un immagine in falsi colori (imaging) inten nsity (ar rb.units ) inte ensity (a arb.unit ts) 1E-11 1E-12 1E frequency time (ps) (THz)

1. la morfologia (stratigrafia) 2. lo spettro nel lontano IR (composizione chimica) 3.

7 lo spettroscopio THz TDS 2/3 in trasmissione viene rivelata la radiazione che ha attraversato il campione I 0 I T T=I 0 /I T 0 T I 0 I T energy energy le energie corrispondenti a vibrazioni molecolari sono assorbite: analisi chimica per campioni sottili e/o poco assorbenti nella regione del THz

energy le energie corrispondenti a vibrazioni molecolari sono assorbite:

8 lo spettroscopio p THz TDS 3/3 in riflessione viene rivelata la radiazione riflessa dal campione I 0 I R energy energy I 0 I R per campioni spessi e opachi nel lontano infrarosso R=I 0 /I R lo spettro di riflessione è sensibile alla composizione chimica e alla morfologia del campione.

campioni spessi e opachi nel lontano infrarosso R=I 0 /I R lo spettro

9 analisi del tempo di volo ogni interfaccia genera un impulso secondario che arriva sul detector con un certo ritardo. Il ritardo tra gli liimpulsi i è legato alla distanza tra le interfacce signa al (arb. un nits) 5x x10-11 misure in riflessione prima interfaccia seconda interfaccia i t=21 ps stratigrafia time of flight (s) d=3mm gypsum wood t=21 ps corrisponde ad spessore del gesso d=3 mm campione: gesso su tavola di legno

un nits) 5x10-11 0-5x10-11 misure in riflessione prima interfaccia seconda interfaccia i t=21 ps stratigrafia

10 spettroscopia campione: pigmenti su tela legante: colla di coniglio picchi di assorbimento nel lontano IR FAST FOURIER TRANSFORM 1.2 signal (arb.units) 5x x time (ps) abs sorbanc ce alizarina cremisi cenere di oltremare lapislazzuli frequency (THz) database di spettri THz online:

units) 5x10-11 0-5x10-11 0 20 40 60 80 100 120 time (ps) abs sorbanc ce 0.9 0.6 0.

11 imaging g al THz glue on wood wood ochre glue NIRon wood verdigris NIR VIS si ignal (arb b.units) ivory black 5x x10-10 VIS time (ps) VIS verdigris ochre on coal NIR NIR on coal VIS VIS VIS in alcuni campioni il contrasto tra immagini al THz è molto accentuato rispetto alle immagini nel visibile o nel vicino IR imaging NIR ( 850 nm). Grazie alla dott.ssa Franca Persia, ENEA SSPT USER SITEC

coal VIS VIS VIS in alcuni campioni il contrasto tra immagini al THz è molto accentuato rispetto alle

12 microscopia e mappe Raman eccitazione a diverse lunghezze d onda: 457 nm, 532 nm, 633 nm filtri edge standard : Raman shift minimo 75 cm 1 (IR) risoluzione spaziale: fino a 1 m cccxxx filtri di tipo Bragg: shift minimo 5 cm 1 (THz) stadio xy motorizzato: mappatura della superficie

(IR) risoluzione spaziale: fino a 1 m cccxxx filtri di tipo Bragg:

13 esempio: il verderame 1/2 pigmento : verderame in polvere acetato di rame: Cu(CH 3 COO) 2 its) intens sity (arb. un exc =532 nm intens sity (arb. units) exc =633 nm Raman shift (cm -1 ) Raman shift (cm -1 ) legante: colla di coniglio arb. units) intensity ( exc =532 nm arb. units) intensity ( exc =633 nm exc Raman shift (cm -1 ) Raman shift (cm -1 )

units) exc =633 nm 500 1000 1500 2000 2500 3000 500 1000 1500 2000 2500 3000 Raman shift (cm -1 ) Raman shift (cm -1

14 esempio: il verderame 2/2 intensity (arb. units) campione: verderame su gesso legante: colla di coniglio ) exc=532 nm exc intensity (arb. units ) exc=633 nm Raman shift (cm -1 ) tensity (arb. units) in exc =633 nm Raman shift (cm -1 ) J. Raman Spectrosc. 41, (2010) Spectrochimica Acta Part A 68, (2007) J. Raman Spectrosc. 37, (2006) la possibilità àdi cambiare la lunghezza d onda d d eccitazione permette l identificazione di pigmenti anche fortemente fluorescenti. l elevata risoluzione spettrale consente la risoluzione e l identificazione di picchi stretti e vicini.

Raman Spectrosc. 41, 1468 1476 (2010) Spectrochimica Acta Part A 68, 1120 1125 (2007) J. Raman Spectrosc.

15 conclusioni e prospettive è stato sviluppato uno spettroscopio di tipo TDS (time domain spectroscopy) per misure di assorbimento e riflessione nella regione del THz sono stati realizzati e caratterizzati campioni per la messa a punto dello strumento e della tecnica che permette: 1. la determinazione della stratigrafia con risoluzione di spessori da 50 m adiversimm 2. la spettroscopia nell intervallo spettrale THz (3 100 cm 1 ) per analisi della composizione chimica 3. l imaging i (anche spettroscopico) su campioni i di dimensioni 5 x 7 cm 2 è stato implementato il sistema Raman per l acquisizione di mappe ad alta risoluzione e sono stati acquisiti i filtri di Bragg per estendere l intervallo campionabile nella regione del THz i dimostratori sono a disposizione per studiare campioni reali di interesse storico artistico

la spettroscopia nell intervallo spettrale 0.1 3 THz (3 100 cm 1 ) per analisi della composizione chimica 3.

16 collaborazioni e ringraziamenti Prof.ssa Maria Laura Santarelli CISTeC Centro di Ricerca in Scienza e Tecnica per la Conservazione del Patrimonio Storico Architettonico dell'università degli Studi di Roma La Sapienza Maryam Khojastehfar Chiara D Erme laureande in Scienze e Tecnologie per la Conservazione dei Beni Culturali dell'università degli Studi di Roma La Sapienza grazie per l attenzione

Patrimonio Storico Architettonico dell'università degli Studi di Roma La Sapienza Maryam

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