NON INVASIVE ANALYSIS OF PAINTINGS BASED ON REFLECTANCE SPECTROSCOPY AND ENERGY DISPERSIVE XRF Università degli Studi di Milano Istituto di Fisica Generale Applicata
Rappresentazione schematica di un sistema di analisi XRF. 1-tubo X, 2-collimatori, 3-campione in analisi, 4-rivelatore per raggi X
PORTABLE XRF SET-UP Strumento portatile per l analisi XRF. A destra: tubo generatore della radiazione X di eccitazione. A sinistra: rivelatore a stato solido in grado di generare un segnale di tensione proporzionale alla energia per ciascuna radiazione X caratteristica emessa dagli atomi dello strato pittorico.
Strumento portatile durante la misura.
IMAGE SPECTROSCOPY EXPERIMENTAL SETUP FOR IMAGE SPECTROMETRY: L:lamp; S:shutter; IF: narrow-band interferential filter; Le:lens, IC: IR camera Sistema di spettroscopia per immagini. Una zona estesa del dipinto è esaminata a diverse lunghezze d onda selezionate da un filtro interferenziale a banda stretta (IF). Il coefficiente di riflettanza di ogni zona della superficie si ottiene mediante la elaborazione digitale dell immagine basata sul confronto con standard di riflettanza nota ripresi insieme al dipinto.
Misure di riflettanza per due pigmenti blu. Si noti la differenza nelle curve per le lunghezze d onda nell infrarosso (>800 nm).
In questa e nella figura successiva è mostrato il confronto tra i valori ottenuti per il coefficiente di riflettanza con la sfera integratrice (linea continua limitata al visibile) e i valori ottenuti con la spettroscopia per immagini.
Point by point technique Imaging technique XRF Vis-NIR reflectance spectrometry (FORS) IR reflectography (selecting original zones) varnish (transparent) external layer inner layer (lead white priming) white chalk and glue ground underdrawing wood or canvas Representation of a typical cross section of a 15th Century Italian and Flemish easel painting. (Easel: cavalletto)
Zone location by IR Reflectography Cima da Conegliano, Virgin in throne with Child and SS. James the Apostle and Jerome (1489)
Hans Memling lapis lazuli Na 6 8 Al 6 Si 6 O 24 S 2 4 azurite 2CuCO 3 Cu(OH) 2 white chalk and glue ground Cu Ca, S wood Esempio di stratigrafia da zona blu di un dipinto di Hans Memling XRF detectable elements
reflectance (%) FORS spectra identifying lapis lazuli and azurite (external layer) 50 45 40 lapis lazuli 35 riflettanza (%) 30 25 20 15 10 azurite 5 0 430 480 530 580 630 680 730 780 830 880 lapislazzuli (olio) wavelength (nm) lunghezza d'onda (nm) lapislazzuli (tempera) Esempio di curve di riflettanza per i pigmenti della stratigrafia azzurrite precedenti (olio) ottenute in laboratorio azzurrite (tempera) e olio).
reflectance [%] azurite reflectance [%] indigo reflectance [%] lapis lazuli reflectance [%] smalt FORS spectra identifying different blue pigments
Conteggi (150 s) 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 lapis lazuli, azurite, lead white, white chalk Cu Cu Pb XRF Ca Fe Pb Pb 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Energia [KeV] FORS lapis lazuli Esempio di doppia indagine (XRF e Spettrofotometria). I risultati mostrano che uno strato superficiale di lapislazzuli è sovrapposto a una base di azurrite Hans Memling, Crucifixion (1468-70) Vicenza, Musei civici
red lake red lake and white lead vermillion (cinnabar) and red lake particles Hans Memling Hg, S Pb white chalk and glue ground Ca, S wood Esempio di stratigrafia da zona rossa di un dipinto di Hans Memling XRF detectable elements
FORS spectra identifying red pigments (external layer) 90 80 70 Crimson lake Vermillion Red lake 60 reflectance (%) 50 40 Red ochre 30 Hematite 20 10 0 430 480 530 580 630 680 730 780 830 880 wavelength (nm) Esempio di curve di riflettanza ottenute in laboratorio per i pigmenti delle stratigrafie precedenti.
counts Hg XRF Hg Pb Pb red lake, vermillion white lead, white chalk kev reflectance (%) FORS red lake Hans Memling, Crucifixion (1468-70) Vicenza, Musei civici In questo caso i risultati mostrano che uno strato superficiale di lacca rossa è sovrapposto a una base di vermiglione (HgS).
CONCLUSIONS Combination of Infrared Reflectography, Fiber Optic Reflectance Spectroscopy and XRF analysis do not offer results so accurate as mycrosampling and stratigraphic examinations. However the advantage of avoiding sampling from beautiful paintings (and of course curators will prevent you from doing it) makes much more desirable this method which is no doubt much less harmful and much easier to be applied with portable instruments also when we want to check modifications due to ageing or non-perfect conservative conditions.