BENI CULTURALI - AMBIENTE

 

Nome: Applicazioni per i beni culturali e l’ambiente

Cos’è:Le tecnologie sviluppate per gli acceleratori e i rivelatori di particelle sono impiegate nello studio dei beni archeologici e artistici e per il monitoraggio ambientale

Dove:l’INFN ha due laboratori dedicati a queste analisi, il LABEC a Firenze e il LANDIS ai Laboratori del Sud, a Catania.

  

 

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Il LABEC (Laboratorio di tecniche nucleari per l’Ambiente e i BEni Culturali) è stato istituito in stretta collaborazione fra la sezione di Firenze dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e l’Università, per applicazioni delle tecniche nucleari nell’ambito, inizialmente, soprattutto dei problemi legati ai beni culturali. L’interesse del laboratorio si è poi ampliato e ora si rivolge anche ad applicazioni di queste tecniche in altri settori, in particolare allo studio di problemi ambientali (controllo della qualità dell’aria, cambiamenti climatici globali).
Lo strumento principale del LABEC è un acceleratore elettrostatico Tandetron da 3 MV di tensione di terminale. L’acceleratore è dotato di tre sorgenti di ioni, una delle quali dedicata esclusivamente a misure di Accelerator Mass Spectrometry (Ams, spettroscopia di massa con acceleratore). Le altre due sorgenti possono essere utilizzate per produrre fasci di ogni genere di ioni (dai protoni agli ioni pesanti) e sono impiegate soprattutto in applicazioni di Ion Beam Analysis (Iba, analisi con fasci di ioni), ma anche per ricerche più legate alla fisica di base o alla tecnologia in altri settori.


Nel campo dei beni culturali, la spettrometria di massa con acceleratore trova la sua principale applicazione nella datazione di reperti di origine organica con il metodo del radiocarbonio (14C). Grazie a questa tecnica è possibile datare reperti anche con massa molto piccola (al LABEC, fino a pochi milligrammi di carbonio o anche meno). Si possono datare reperti di età fino a 50000 anni circa e nel caso di reperti risalenti al periodo storico, è possibile determinarne l’età con un errore anche minore di ± 40 anni. Recentemente, al LABEC le misure di concentrazione del 14C si applicano anche ad altri tipi di problematiche: in particolare si misura la concentrazione di 14C nella componente carboniosa, che costituisce una parte preponderante dell’aerosol atmosferico, il che fornisce informazioni sulla sua origine naturale o antropica.


Le tecniche di analisi con fasci di ioni consentono di analizzare in maniera assolutamente non distruttiva la composizione di un qualunque materiale, 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 materiale. Al LABEC, le linee di fascio Iba (ad oggi ce ne sono cinque indipendenti) sono dotate di rivelatori per misure Pixe (Particle Induced X-ray Emission), Pige (Particle Induced Gamma-ray Emission), Pesa (Particle Elastic Scattering Analysis), Ibil (Ion Beam Induced Luminescence). Le misure sono effettuate estraendo il fascio in atmosfera, evitando cioè di collocare l’opera in vuoto, con enorme vantaggio in termini sia di facilità nell’effettuazione delle misure, sia di eliminazione dei danni che certi tipi di materiali subirebbero per il solo fatto di essere collocati sotto vuoto (ad esempio la disidratazione di legni, carte, tele). In aggiunta e a complemento di quelle che richiedono l’uso dell’acceleratore, sono state sviluppate e si utilizzano correntemente anche altre tecniche di analisi di materiali con strumentazione portatile, che consentono misure in situ su opere inamovibili quali pitture murali o altre opere di grandi dimensioni o particolarmente delicate.


Da una  quindicina d’anni il LABEC ha sviluppato un’intensa attività anche di applicazioni in campo ambientale, in particolare per quanto riguarda le misure di composizione, con tecniche Iba, dell’aerosol (o particolato) atmosferico, cioè le minute particelle solide disperse in atmosfera (note comunemente come “polveri fini”). La determinazione completa della composizione del particolato atmosferico, nelle sue varie componenti dimensionali, da quelle ultrafini al PM10, ha un’enorme importanza per vari motivi: valutare l’impatto sulla salute della popolazione, sul deterioramento del patrimonio culturale, determinare le diverse sorgenti di inquinamento atmosferico, studiare gli effetti del particolato sul cosiddetto “forcing radiativo”, cioè sull’alterazione del bilancio dell’energia in arrivo e in uscita dalla superficie della terra attraverso gli strati atmosferici, con tutte le potenziali conseguenze su variazioni di temperatura e in generale sui cambiamenti climatici globali. Infine, per quanto riguarda questi studi ambientali, si sviluppano e applicano algoritmi per l’analisi statistica dei dati, e modelli teorici relativi alla formazione e al trasporto del particolato atmosferico, per un confronto con i dati ottenuti sperimentalmente sull’aerosol raccolto nelle campagne effettuate in un gran numero di siti non soltanto in Italia ma in molti altri Paesi.    


Il LANDIS (Laboratorio di Analisi Non Distruttive In Situ) fa parte dei Laboratori Nazionali del Sud dell’INFN. La principale attività è rivolta alla realizzazione di strumentazione e metodologie analitiche innovative per la caratterizzazione non distruttiva e, preferibilmente, “in situ” di materiali di interesse nel settore dei beni culturali. I ricercatori del LANDIS sono cioè in grado di analizzare, per esempio, la composizione chimica di un reperto o di un’opera d’arte senza comprometterne l’integrità e senza doverla spostare, perché gli strumenti di cui si servono sono portatili. Il LANDIS opera anche attraverso una convenzione tra i Laboratori Nazionali del Sud e l’Istituto per i Beni Archeologici e Monumentali del CNR. Questa collaborazione rappresenta un modello di sinergia e integrazione culturale fra la fisica e l’archeologia. Il LANDIS ha realizzato e al momento ha a disposizione per le analisi i seguenti strumenti portatili.
Lo Spettrometro PIXE-alfa fa a uso di una sorgente radioattiva ed è particolarmente dedicato all’analisi non distruttiva di pigmenti, pitture murali e patine. Realizzato in collaborazione con il laboratorio CEA di Saclay (Francia), è oggi l’unico apparato PIXE portatile. Recentemente le sue prestazioni sono state migliorate e le sorgenti radioattive vengono da qualche anno prodotte, con varie geometrie, dal nuovo laboratorio Lab-alfa dei LNS, uno dei pochi laboratori attrezzati per la manipolazione di sostanze radioattive.
Il sistema portatile XRD utilizza 2 sorgenti di raggi X micrometriche accoppiate ad ottiche per raggi X molto sofisticate. Le sorgenti e le ottiche sono modulari e intercambiabili; in questo modo è possibile ottimizzare le prestazioni del sistema in base alla natura mineralogica del materiale in esame. Il diffrattometro opera su una meccanica goniometrica motorizzata che permette il suo impiego in situ e su grandi opere (come affreschi, pitture ecc.). L’uso combinato di XRD e PIXE-alfa permette di effettuare determinazioni quantitative dei materiali poli-cristallini oggetto di studio (in genere, miscele di pigmenti).


Lo Spettrometro XPIXE fa uso di una sorgente radioattiva che emette raggi X e alfa. È particolarmente indicato per l’analisi di campioni spessi e omogenei (vetri, ossidiane, per esempio) o sottili (come i filtri per analisi di particolato atmosferico).
Lo Spettrometro BSC-XRF del LANDIS opera con il sistema di controllo della stabilizzazione (Beam Stability Control –XRF) ideato e realizzato dal laboratorio. Il detto sistema consente l’analisi quantitativa di campioni omogenei.
Lo Spettrometro LE-mXRF è un sistema che consiste di un micro-fascio che opera a basse energie ed è particolarmente adatto nei casi in cui sia necessario effettuare misure su differenti zone di piccole dimensioni del campione in esame (mappatura) oppure su un campione di dimensioni molto piccole (come nel caso di inchiostri, per esempio).
Il LANDIS fa anche uso di dispositivi “fissi”, come le linee di fascio dell’acceleratore Tandem e del ciclotrone superconduttore dei Laboratori del Sud, grazie ai quali si sono ottenuti risultati innovativi e interessanti nella caratterizzazione dell’interno di oggetti metallici (bronzi, monete antiche) tramite il metodo di attivazione protonica profonda.
Nei casi in cui sia espressamente richiesto o per casi strettamente necessari, il LANDIS si è dotato di un insieme di dispositivi (utensili al diamante, trituratore, pressa, forno, microscopio polarizzatore) per effettuare analisi di tipo distruttivo su polveri ottenute dai reperti, servendosi degli stessi sistemi PIXE, XRF, XRD.

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