Università degli Studi di Roma ‘Tor Vergata’Pisa, 27 Settembre 2007 1/26

Studio di materiali archeologici mediante tecniche neutroniche

Giulia Festa

Università degli Studi di Roma ‘Tor Vergata’

Dipartimento di Fisica e Centro Nanoscienze & Nanotecnologie & Strumentazione(NAST)

Università degli Studi di Roma ‘Tor Vergata’Pisa, 27 Settembre 2007 2/26

• I neutroni e lo studio di oggetti di interesse archeologicocon tecniche ‘standard’

Bronzi Marmi Ceramiche

• Il progetto Europeo ‘Ancient Charm’: sviluppo di unatecnica diimaging3D con neutroni epitermici, applicabile ad oggetti archeologici complessi e poco penetrabili

Campioni test: le ‘Black Boxes’

• Conclusioni

Sommario

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I neutroni e lo studio dioggetti di interesse

archeologico – tecnichestandard

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I neutroni e lo studio di oggetti di interesse archeologico

• Tecniche neutroniche non invasive, analisi di bulk adatte per lo studio di oggetti di interesse archeologico

• Informazioni ottenibili compostiche compongono il manufatto, distribuzione spazialedelle fasi, loro peso relativo, struttura cristallina , distribuzione orientazionale dei grani microcristallini , elementipresentianche se in piccole quantità (impurezze)

- Informazioni sullaprovenienza, eventuali alterazioni, inclusioni,

effetti del tempo, il metodo diproduzioneed avere maggiori

elementi per scegliere la migliortecnica di conservazione prima di

agire- Adatte allo studio dioggetti

disomogenei, complessi, spessi

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Campioni già analizzati

MarmiBronzi

Ceramiche

Archeologo: B. Adembri(Sopr. Beni Archeologici del

Lazio)

Provenienza:Villa Adriana, Tivoli

Archeologo: M.L. Arancio

(Museo Nazionale Etrusco di Villa Giulia)

Provenienza:Parco acheologico di Vulci (VT)

Archeologo: D. Malfitana(IBAM- CNR)

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ISIS (Pulsed Neutron and Muon Source)• Sorgente di spallazioneal Rutherford Appleton

Laboratory(Oxfordshire)

• Protoni accelerati in un sincrotrone e fatti collidere su un target di Tungsteno/Tantalio

• 4 moderatori: 2 utilizzano acqua a temperatura ambiente, uno utilizza Metano liquido a 100 K ed il quarto utilizza Idrogeno liquido a 20 K

• La sorgente genera 50 impulsi al secondo

Processo di Spallazione:protone di alta energia colpisce il nucleo di un metallo pesanteportandolo in uno stato instabile. Diseccitandosi emette neutroni (ogni protone di ~ 1 GeV su Tungsteno produce in media 25 neutroni di spallazione)

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BNC(Budapest Neutron Center)• Il Reattore èmoderatoe raffreddato da

acqua leggera

• Il nucleodel reattore è una lega di Alluminio e di Uranio-Alluminioeutetticocon Alluminio

• Il reattore ha 10 linee di fascioorizzontali (8 radiali e 2 tangenziali)

Processo di reazione nucleare:fissione nucleare (Uranio - si creano 2 o 3 neutroni per ogni fissione)

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Informazioni:

• Composti cristallini presenti

• Tessiture (orientazione dei microgranuli cristallini)

Legge di Bragg: nλλλλ=2dsenθθθθ

Diffrazione di neutroni (Tempo di Volo)

Rotax: 3 banchi di rivelatori

Gem: 6 banchi di rivelatori che coprono una superficie di circa 4π

- Strumenti in TOF : operano in dispersione angolare ed energetica - Rivelatori forwarde backscattering coprono grandi superfici- Dati acquisiti contemporaneamente e fin dall'inizio con un'alta risoluzione- Brevi tempi di acquisizione(pochi minuti -qualche ora)

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I Bronzi

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Diffrazione di Neutroni Misure & Risultati

Spettro di diffrazione tipico che riporta iln. di contegginormalizzati in funzione del d-spacing

Campione n.6Detector bank at 2θ=163.1°Componenti: Bronzo 75.2% (Cu/Sn), Cuprite 20.0% (Cu2O), Piombo 1.4% (Pb), Tenorite 1.8% (CuO), Nantokite 1.6% (CuCl)

METODI DI LAVORAZIONE

COMPOSIZIONE E PRODOTTI DI CORROSIONE

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I Marmi

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Diffrazione di Neutroni Misure & Risultati

COMPOSIZIONE

STRESS GEOLOGICI: TESSITURE

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Tomografie NeutronicheLa diversa colorazione nelle Tomografie Neutronicheevidenzia i tre componentie la loro distribuzione spaziale:

(a) Blu (componente più abbondante)

(b) Verde (componente intermedio)

(c) Giallo (componente minoritario)

Dalla Diffrazione di Neutroni sullo stesso campione si è ottenuto il seguente risultato in buon accordocon NT:

Plagioclasio(Ca0.85Na0.14Al 1.86Si2.14O8) = % 83.0 in peso

Orthoclasio (KSi3AlO8) = % 15.5 in peso

Quarzo (SiO2) = % 1.5 in peso

Tomografie effettuate al BENSC (Berlino) da R. Triolo, V. Benfante, F. Lo Celso, Università di Palermo, Italia

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Ceramiche di Lecce

Le ceramiche, in corso di studio, fanno parte di ritrovamenti avvenuti in Puglia intorno al 1988. Gli scavi hanno portato alla luce un gran numero di oggetti in ceramica che sembrano provenire da diverse parti del Mediterraneo centrale e datate II -III secolo d.C.

Problemi aperti: determinarne la provenienza ed il metodo di fabbricazione

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Composizione

• I campioni 1 e 3 sono formati dallo stesso tipo di argilla: presentano simili percentuali di calcite e quarzo e plagioclasio

• Misure complementari di XRF(X-Ray fluorescence) completeranno l’analisi

3.068.527.51.0

CalciteQuartz

PlagioclaseHematite

3

5.250.831.47.25.4

CalciteQuartz

PlagioclaseLime

Hematite

2

2.861.025.57.42.11.2

CalciteQuartz

PlagioclaseLime

Muscovite/IlliteHematite

1

% WtFasiN

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Tomografie di neutroni

Misure effettuate al Paul Scherrer InstitutPSI (Svizzera)

R. Triolo, V. Benfante, F. Lo Celso, Università di Palermo, Italia

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Il progetto Europeo ‘ANCIENT CHARM’

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ANCIENT CHARM• Ancient Charm: progetto finanziato

dall’Unione Europea in FP6

• Inizio : 2006, Durata: 3 anni

• Obiettivo finale: sviluppo di una tecnica di imaging 3D con neutroniepitermici, applicabile ad oggetti archeologici complessi e poco penetrabili

• Obiettivi intermedi : Sviluppo di

� NRCI/NRT (Neutron Resonance Capture Imaging/Neutron Resonant Transmission)

� PGAI/NT (Prompt Gamma Activation Imaging/cold Neutron Tomogaphy)

� NDT (Neutron Diffraction Tomography)

ANCIENT CHARM:Analysis by

Neutron resonant

Capture

Imaging and other

Emerging

Neutron

Techniques: new

Cultural

Heritage and

Archaeological

Research

Methods

United KingdomP. G. RadaelliCentral Laboratory of the Research Councils

10CCLRC

NetherlandsH. PostmaC. Van Eijk

Technical University Delft

9TUDELFT

NetherlandsH. KamermansD. FontijnLeiden University8

UNILEIDEN

BelgiumP. Schillebeeck

European Commission – Joint Research Centre -Institute for Reference Materials and Measurements

7EC-JRC-IRMM

GermanyJ. JolieUniversität zu Köln6UNIKOELN

GermanyA. KirfelRheinischeFriedrich-Wilhelms / Universität Bonn

5UNIBONN

HungaryT. Belgya

Institute of Isotopes - Chemical Research Center -Hungarian Academy of Sciences

4IKI-HAS

HungaryK. T. BiroHungarian NationalMuseum

3HNM

ItalyC. AndreaniUniversità degli Studi di Roma TorVergata

2UNITOV

ItalyG. GoriniUniversità degli Studi di Milano-Bicocca

1UNIMIB

PaeseResponsabileIstituzioneN./Acronimo

(I)NAA

PGAA

T1/2

Eγγγγ

Resonances

Neu

tron

Ene

rgy

Cross section

Eγ

NRCA

XA *1A X+ γ++ X1An +

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Campioni test: le ‘Black Boxes’

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‘Black Boxes’

• Misure di PGAA al BNC (Budapest, Hungary) e di ND at ISIS (UK), guidate dai risultati di NT • Posizionamento del campione rispetto ad un fascio di neutroni ben collimato informazioni sugli elementi e sui composti presenti e loro distribuzione spaziale• Osservatabuona complementarietàdei due metodi(PGAA, ND)

• BB ‘campioni test’ di dimensioni5X5X5 cm3

• 2 serie di scatole chiuse Alluminio, Ferro • Riempite da materiali diversi (simili a quelli che si incontrano nello studio di reperti archeologici)• Solo gli archeologi conoscono il contenuto delle BB e la loro distribuzione spaziale

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PGAA(Prompt Gamma Activation Analysis)

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Prompt Gamma Activation Analysis• Basata sulla cattura radiativa del

neutronead opera del nucleo atomico

• Cattura del neutrone nucleoemette radiazione γ utilizzati per l’identificazione dell’elemento

• Prompt-γγγγ se si effettua la misura durante l’irraggiamento del campione

• Delayed-γγγγ se sono prodotti dal decadimento di nuclei eccitati

• Spettro γ γ γ γ caratteristico di ognielemento utilizzato per ricavare la composizione elementalee l’ abbondanzadi questo all’interno del campione in esame

PGAA in regular use @ 107 n/cm2s

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Risultati: Black Box Bonn-Al4

A

B

C

D

1

3

2

4

5

6

9

7

10

8

Fe, Na, Cl, Ca, Si

10Na, Cl, Al, Si, Ca5

Fe, Na, Cl, Ca, Si

9Fe, Na, Cl, Si, Ca4

Cu, Na, Cl8Cu, Fe, Na, Cl, Ca, Si

3

Cu, Na, Cl7Cu, Fe, Na, Cl, Al, Si, Ca

2

Cu, Na, Cl6Cu, Na, Cl1

Al, clay= Calcite (75wt%), Quartz (25 wt%)

6

Al, NaCl 5

Al, Calcite, Quartz4

Al, NaCl, small fcc peaks a=3.6 Å3

Al, bcc-Fe a=2.845 Å (ferrite), W-

type, in clay=calcite+quartz

2

Al, NaCl, Cu-type=fcc, a=3.592 Å, steel (Fe) or copper

1

1 3

2 4

X

0

6

5

Y

PGAA

ND

ROTAX

Y

X

Z

1

2

3

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Risultati: Black Box Bonn-Al4

La BB è suddivisa in 2 parti da uno spessore

• Una parte è riempita di Sale(NaCl), l’altra con Calcite e Quarzo (argilla)

• I cilindretti sono metallici: due di essi sono in Rame(1, 3), gli altri due sono in Ferro (2, 4)

Si è determinata la distribuzione spaziale degli oggetti all’interno delle ‘scatole’ tramite Radiografie X e Tomografie Neutroniche, e gli elementi ed i composti di cui sono costituiti tramite ND ePGAA

1

3

2

4

Y

X0

65

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Conclusioni• Tecniche neutroniche non distruttive adatte per lo studio di oggetti di interesse archeologico

• Risultati su campioni di interesse artistico:- Bronzi (prodotti di corrosione ambiente di conservazione, composizione della lega + allargamento di riga tipo dilavorazione) - Marmi (composizione tipo di pietra, tessiture stress geologici subiti)- Ceramiche(composizione, presenza di elementi caratteristici)

• Il progettoAncient Charm- Black Boxes: osservatabuona complementarietàdei metodi(PGAA, ND) nella determinazione degli elementi e compostipresenti quindi della morfologia interna dell’oggetto

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The Ancient Charm collaboration

United KingdomP. G. RadaelliCentral Laboratory of the Research Councils

10CCLRC

NetherlandsH. PostmaC. Van EijkTechnical University Delft9

TUDELFT

NetherlandsH. KamermansD. FontijnLeiden University8

UNILEIDEN

BelgiumP. SchillebeeckEuropean Commission – Joint Research Centre - Institute for Reference Materials and Measurements

7EC-JRC-IRMM

GermanyJ. JolieUniversität zu Köln6UNIKOELN

GermanyA. KirfelRheinische Friedrich-Wilhelms / UniversitätBonn

5UNIBONN

HungaryT. BelgyaInstitute of Isotopes - Chemical Research Center -Hungarian Academy of Sciences

4IKI-HAS

HungaryK. T. BiroHungarian National Museum3HNM

ItalyC. AndreaniUniversità degli Studi di Roma Tor Vergata2UNITOV

ItalyG. GoriniUniversità degli Studi di Milano-Bicocca1UNIMIB

PaesecoordinatoreIstituzioneN./Acronimo