Misure PIXE con fascio sub-millimetrico per imaging composizionale 2D di manufatti artistici su aree estese

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1 Misure PIXE con fascio sub-millimetrico per imaging composizionale 2D di manufatti artistici su aree estese Luca Carraresi Dipartimento di Fisica e Astronomia dell Università di Firenze e I.N.F.N. Sezione di Firenze - LABEC

2 Sistema sviluppato al LABEC di Firenze nell ambito dell esperimento DANTE della V C.S.N. INFN con il contributo della Regione Toscana ( progetto ST@rT ) Partecipanti: Luca Carraresi Novella Grassi Luigi Bardelli Alessandro Migliori Pamela Bonanni Pier Andrea Mandò

3 Motivazioni Rispetto ad avere un campionamento su un insieme di singoli punti, è indubbio che nella maggior parte dei problemi archeometrici sia estremamente utile la possibilità di avere invece un' immagine in falsi colori correlata alla composizione atomica del materiale da caratterizzare, Una elevata risoluzione spaziale del punto di misura ( < 100 µ ) è raramente necessaria, per cui tecniche con uso di micro-fascio (che richiedono setup piú complessi) risultano spesso non adatte allo scopo. Sviluppo presso il laboratorio LABEC-INFN di una facility che permette misure PIXE-PIGE a scansione, su aree relativamente grandi e che usa fasci di dimensioni sub-millimetriche ottenuti tramite collimazione.

4 Descrizione La scansione deve essere veloce: quasi real-time. Il fascio viene mantenuto fisso, mentre il bersaglio viene montato su un traslatore X-Y. La misura è effettuata mentre il target si muove continuamente ed indipendentemente nel piano perpendicolare al fascio non su una greca (la posizione deve essere letta continuamente). X stage Y stage Una acquisizione dati list-mode sviluppata ad-hoc registra l energia per ogni evento rivelato, tempo vivo e tempo morto ed il tempo che il fascio passa in ciascuna posizione.(la normalizzazione è Gli complessa). stadi di traslazione ed il movimento su spirali sono stati scelti per massimizzare la velocità delle singole scansioni, e quindi avere una immagine in tempo quasi reale (~ 30 s) che diventa meglio definita all aumentare del numero di scansioni. PIXE detectors Beam line

5 Realizzazione Y translator X translator Ciascun detector è connesso ad un formatore standard e quindi ad un microprocessore dedicato. Il massimo rate di eventi per canale è circa 10 khz. Detector 1 Amplifier + ADC Controller Detector 2 Amplifier + ADC Controller Detector n Amplifier + ADC Controller Acquisition & Display Computer Motor controller Gli eventi sono accumulati localmente nei C, impacchettati e inviati al calcolatore di acquisizione tramite rete ethernet. Il programma di analisi e visualizzazione è basato sul package ROOT del CERN e permette funzioni di filtro sia in energia che in coordinate. Dedicated Ethernet Network

6 Spettri PIXE test 1 Condizioni sperimentali tipiche: Energia protoni: 2-4 MeV Diametro Fascio: mm Intensità Fascio: decine di pa Tempo acq. per 1 cm 2 : min Br X-ray map (bromine Cu X-ray in the map board) (3D) Cu Br 1 cm E p 3 MeV Ø 0.5 mm

7 Spettri PIXE test 2 Scheda per prototipi holes Cu X-ray map 2.5 mm Br X-ray map (again, bromine in the substrate) E p 3 MeV Ø 0.2 mm

8 Pentagramma su Pergamena del XIV secolo 1 cm Fe S K Ca Selection on the black note (1) K Iron-gall ink (Fe, K, Cu, S) for the black notes 1 Fe Cu Hg-M + S Ca K PIXE spectrum whole area Hg-L Hg-M + S Hg-LSelection on the red line (2) Cinnabar (HgS) for 2 the red lines (sketched over the notes) Ca Si Ca Fe Hg-L Cu Hg-L K Ca Hg-L Hg-L

9 Miniatura su Pergamena del XIV secolo Blue pigment azurite Red pigment cinnabar Ø 0.2 mm 1 cm CuHg-L 1 mm mm

10 Inchiostro ferro-gallico (scansione PIXE e XRF) Analisi a scansione dell inchiostro sulla pergamena, in un area che corrisponde alla presenza di un testo anche sul retro. Il sistema di scansione è stato usato anche con uno spettrometro a raggi X portatile. Con l XRF, a causa della maggiore penetrazione dei raggi X primari, è possibile rivelare distintamente i raggi X che arrivano dal retro della pergamena ( nel caso specifico le linee Hg-L del cinabro) Fe-XRF 2 cm Con illuminazione dal retro XRF scan PIXE scan Hg-XRF PIXE: E p 4 MeV, Ø 0.5 mm XRF (spectrometer developed at LABEC): Mo anode, 26 kv anode voltage, 0.8 ma current, 0.5 mm beam size Fe-PIXE Hg-PIXE

11 Conclusioni Il sistema sarà utilizzato dalle prossime misure su beni culturali al LABEC. È passibile di miglioramenti sia dal punto di vista della velocità di scansione che dal ritmo di acquisizione eventi (non a costo zero...). È comunque adattabile anche ad ambiti e tipi di misura diversi.

12 Grazie dell attenzione