Il nuovo Laboratorio di Tecniche Nucleari Applicate ai Beni Culturali

Le tecniche fisiche per indagini nel campo dei Beni Culturali hanno avuto, negli ultimi 20 anni, un largo sviluppo grazie alla caratteristica di essere totalmente non distruttive: la maggior parte di esse, infatti, consente l’analisi di un’opera d’arte senza effettuare prelievi e senza alcun danneggiamento.

Il gruppo di Fisica Nucleare Applicata di Firenze si è specializzato in quelle tecniche che utilizzano acceleratori di particelle di bassa energia. Il nuovo Laboratorio al Polo Scientifico dell’Università di Firenze è dotato di un acceleratore di tipo Tandem – interamente finanziato dall’INFN - che verrà utilizzato per lo sviluppo e l’applicazione delle tecniche di Ion Beam Analysis (IBA) e per misure di Accelerator Mass Spectrometry (AMS).

L. Carraresi, M. Chiari, M.E. Fedi, N. Gelli, L. Giuntini, N. Grassi, F. Lucarelli, P.A. Mandò, M. Massi, A. Migliori, S. Nava, F. Taccetti e N. Taccetti

Ion Beam AnalysisLe tecniche IBA consentono di analizzare la composizione di un campione, utilizzandolo come bersaglio per un fascio di particelle cariche accelerate. Rivelando i prodotti dell’interazione fra le particelle del fascio e gli atomi (o i nuclei) del bersaglio è possibile riconoscere e quantificare gli elementi presenti nel campione, cioè determinarne la composizione.

fascio di particelle

Radiazione caratteristica

campione

0

500

1000

1500

2000

2500

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

EX (eV)

Con

tegg

i

Mg

Al

Si

Ca

Fe

rivelatoresegnale

spettro di energia

Le tecniche IBA principali sono: PIXE: Particle Induced X-ray Emission

PIGE: Particle Induced Gamma-ray EmissionRBS: Rutherford Backscattering Spectrometrytutte tecniche che possono essere realizzate

portando il fascio-sonda in esterno, mantenendo quindi il campione da analizzare in atmosfera

Analisi di antichi codiciminiati Analisi di documenti di

interesse storico

Analisi di dipinti

Analisi di ceramiche

Accelerator Mass Spectrometry

Nella AMS, il materiale da analizzare si usa come sorgente di ioni per un acceleratore Tandem. Gli ioni sono poi analizzati in massa, dopo l’accelerazione. Grazie a una serie di fattori favorevoli legati al meccanismo di funzionamento del Tandem (tipo di sorgente, stripping degli ioni al terminale, elevata energia finale degli ioni da analizzare in massa) è possibile determinare isotopi rari in un campione con sensibilità elevatissima, fino a una parte su 1015. Applicazioni importanti si ritrovano in campo archeologico, geologico e ambientale. Nel campo dei beni culturali la principale applicazione è la datazione di reperti di interesse storico e archeologico con il metodo del radiocarbonio (14C).

L’acceleratorePer le misure di AMS il nuovo acceleratore è dotato di una sorgente a sputtering di Cs che può contenere fino a 59 campioni e di una linea di fascio di alta energia per la separazione degli isotopi rari attraverso filtri elettrostatici e magnetici.

Per le misure IBA un iniettore a doppia sorgente permette di accelerare sia particelle leggere (protoni e alfa) sia ioni pesanti; dopo l’accelerazione sono previste 9 linee di fascio, fra cui:

Acceleratore Tandem Tensione terminale: 3 MV

Iniettore a doppia sorgente per IBA Spettrometro AMS

ad alta energia

Linee di fascio IBA

Iniettore AMS (59 campioni)

Il laboratorio di preparazione campioni AMS

I campioni da datare attraverso il metodo del 14C con misure di AMS devono subire un opportuno processo di preparazione.

E’ stato quindi allestito un laboratorio di preparazione per estrarre la frazione in carbonio dal campione e ridurla in forma di grafite. La grafite ottenuta è compressa in piccole pasticche che sono collocate nella sorgente a sputtering del Tandem.

sviluppo e riparazione rivelatori altre tecniche standard di analisi di

materiali

linea di fascio esterno per IBA applicate ai Beni Culturali

linea di fascio esterno per IBA applicate all’analisi di composizione del particolato atmosferico (polveri fini)

linea di microfascio esterno (dimensioni del fascio dell’ordine della decina di micron)

linea di fascio pulsato ai 100 ps

Dalla misura della concentrazione attuale di 14C si può misurare l’età di un reperto di origine organica, cioè il

tempo t trascorso dalla morte dell’organismo da cui proviene

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000

t (anni)

co

nc

en

tra

zio

ne

14

C

[14C]0

[14C]0/2

T1/2

[14C]0/e

eNC 1414

= 8266 a

tCC 0t exp1414

Perché un acceleratore e non un convenzionale spettrometro?

sensibilità fino a una parte su 1015 (eliminazione delle interferenze isobariche da atomi - 14N - e molecole – 12CH2 e 13CH)

efficienza elevata: è sufficiente una quantità < 1 mg di materiale (misura micro-distruttiva)

si datano reperti risalenti fino a 50000 anni fa

L’analizzatore elementare brucia il campione ed estrae da

esso la CO2

La CO2 viene successivamente inviata alla linea di

grafitizzazione

Nel campo dei Beni Culturali conoscere la composizione dei materiali di un’opera d’arte o di interesse storico è fondamentale, per diversi scopi. Ad esempio:

Qui sopra, esempi di misure fatte negli anni scorsi col vecchio acceleratore ad Arcetri

per ricostruire le tecnologie disponibili nei tempi passati e le fonti di approvvigionamento delle materie prime

per una verifica di autenticità per effettuare correttamente un

restauro

Nel laboratorio sono disponibili anche facilities per: