Zastosowanie wiązek jonowych w sztuce i archeologii

Energie wiązek protonów, wytwarzanych dla tych technik w akceleratorach, są niskie: 1 do 3 MeV.

O metodach tych możemy powiedzieć, że:

• są nieniszczące i prowadzone przy ciśnieniu atmosferycznym
• pobieranie próbek nie jest konieczne
• moc cieplna, wydzielana w wybranym elemencie badanego obiektu przez wiązkę protonów w ciągu kilku minut nie przewyższa mocy promieniowania słonecznego
• pozwalają na badania drobnych szczegółów o rozmiarach +/- 1 mm.

Wszystkie wymienione techniki mogą być użyte jednocześnie do nieniszczącej analizy obiektów artystycznych, do analizy chemicznej znalezisk archeologicznych (bez konieczności pobierania próbek) i do identyfikacji sekwencji warstw w obrazach. Analiza metodami PIXE-PIGE może w ciągu około minuty dostarczyć informacji o składzie barwników użytych do namalowania obrazu, a także danych pozwalających określić datę powstania obrazu i zidentyfikować jego autora.

Napromieniowanie materiału wiązkami naładowanych cząstek prowadzi do jonizacji wewnętrznych powłok elektronowych w atomach i, konsekwentnie, do emisji promieniowania rentgenowskiego, związanego z deekscytacją atomów (PIXE). Im protony są szybsze, tym głębiej wnikają w materię, i tym więcej powstaje wysokoenergetycznego promieniowania X z ciężkich pierwiastków. Typowy układ laboratoryjny (z laboratorium LARN w Namur, Belgia) pokazany jest na rysunku zamieszczonym poniżej. W praktyce, ilościową ocenę zawartości pierwiastków można przeprowadzić tylko dla pierwiastków o masie atomowej większej od 20 jednostek masy atomowej. Zawartości lżejszych pierwiastków łatwiej wyznaczać przez obserwację promieniowania gamma powstającego ze wzbudzeń wewnętrznej struktury jąder atomowych (PIGE).

Metody NRA i RBS, w których dokonuje się pomiaru rozpraszania odpowiednio fotonów i cząstek naładowanych, dostarczają informacji komplementarnych.

Metody PIGE i NRA są użyteczne w badaniach materiałów zawierających atomy lekkie. Do badań zawartości atomów o masach średnich i dużych korzysta się z metod PIXE i RBS.

W badaniach starych rękopisów, identyfikacja materiału pozwala na ustalenie cech chronologicznych i geograficznych, a także powodów szczególnych decyzji dotyczących sposobu sporządzenia manuskryptu (jak wybór pergaminu, papieru, atramentu itp.). Ponadto, każda właściwie prowadzona konserwacja starodruków musi być prowadzona w oparciu o takie informacje. Technika PIXE dostarcza informacji o warstwach powierzchniowych (często grubości kilku mikrometrów) i pozwala na prowadzenie bezpiecznych badań, nie grożących uszkodzeniem badanych obiektów.

Jak wykazano, w wypadku badania tuszu istotną rzeczą są stosunki ilościowe różnych składników metalicznych (Fe, Ni, Cu, Zn, Pb) w tuszu. Analiza PIXE składu pierwiastków w tuszu dokumentów sporządzonych i datowanych ręcznie przez Galileusza wykazała istnienie korelacji pomiędzy składem tuszu i różnymi okresami w życiu Galileusza. Czas powstania dokumentów bez daty można więc określić na podstawie składu tuszu.

Rysunki poniżej pokazują widma,z których można odczytać skład tuszu dokumentu f.128 (wykres górny), napisanego na temat ruchu przez Galileusza (przyjęta data: jesień 1604) oraz innego dokumentu (niżej) datowanego na ten sam okres (18.10.1604). Duża zawartość ołowiu (Pb) i podobne stosunki zawartości Cu/Zn i Cu/Fe wskazują dość jednoznacznie, że oba dokumenty powstały w tym samym okresie, tak więc datę powstania dokumentu f.128 można uznać za znaną.

Od końca XI wieku posługiwano się kolorowymi liniami, aby zaznaczyć pole, wewnątrz którego pisano, a także aby prowadzić rękę kopisty. Analiza metodą PIXE wykazała posługiwanie się trzema sposobami tworzenia linii: przy pomocy narzędzia z ołowiu, przy pomocy tuszu podobnego do używanego w samym tekście oraz przy pomocy grafitu (detekcja Al, Si i Fe, jak w obecnych ołówkach).

Analiza metodą PIXE pokazała, że widoczna w niebieskich strefach miniatur farba, znana pod nazwą "ultramaryny" mogła powstawać z lapis lazuli (kamienia z Afganistanu) lub z tańszego lazurytu. Lapis lazuli nie jest minerałem lecz kamieniem złożonym z różnych minerałów obecnych w różnych proporcjach. Technika PIXE pozwala na porównanie składów różnych kamieni. Różne składy, zaobserwowane w dwóch miniaturach w rękopisach z XV wieku, pokazane są na rysunku poniżej.

Badania metodami PIXE, PIGE i RBS barwników w obrazach mogą pomóc w sprawdzaniu autentyczności obiektów lub obrazów, albo przypisaniu szczególnych elementów dzieła danemu artyście lub rzemieślnikowi. Tak zwana technika malowania “Höroldt'owska” specjalnymi kolorami (1730 - manufaktura porcelany w Miśni - Królestwo Saksonii, w latach 1697-1763 w unii personalnej z Polską), którą posługiwano się w miniaturach stworzyła styl całej porcelany Europejskiej.

W jaki sposób zidentyfikować pochodzenie i autentyczność porcelanowych wazonu i kufla (zdjęcie poniżej), pokrytych malowidłami o motywach chińskich, typowych dla stylu Höroldt’owskiego?

Historycy sztuki mogą się na ten temat wypowiedzieć jedynie w ograniczonym stopniu, jeśli nie dysponują analizą składu farby. Analiza widm, otrzymanych metodami PIXE/PIGE i RBS, pozwala zinterpretować dane o barwnikach z różnych miejsc wazonu (podpisanego i zaprojektowanego przez samego Höroldta) i nie podpisanego kufla. Analiza zielonego koloru w różnych częściach kufla potwierdza istnienie chromu w barwniku. Wiadomo, że zielony tlenek chromu został po raz pierwszy użyty w charakterze barwnika do malowania porcelany około roku 1800, tj. 30 lat po śmierci Höroldta. Dodatkowo stwierdzono istnienie w barwnikach innych izotopów (wykres z prawej strony) niż używane przez Höroldta dla uzyskania czerni i żółci.

Alabastrowa rzeźba przedstawia nagą kobietę (jako symbol płodności) , której oczy i pępek zawierają rubiny. Statuetka ta, pochodząca z Babilonu, znajduje się obecnie w kolekcji Luwru (Paryż) i przypisuje się ją okresowi Partyjskiemu (2 w. p.n.e. - 2 w. n.e.). Metoda PIXE pozwala ustalić, czy kamienie szlachetne lub półszlachetne są naturalne, syntetyczne, czy sztucznie barwione. W wypadku naturalnych kamieni szlachetnych, analiza geo-chemiczna pozwala dodatkowo na wyznaczenie geograficznego źródła danego kamienia.

Analizę statuetki inkrustowanej rubinami można przeprowadzić bez konieczności pobierania z niej próbki, czy specjalnego przygotowania statuetki do badań.

Analiza kamieni znajdowanych w istniejących złożach w Afganistanie, Indiach, Kenii i Wietnamie oraz porównanie jej wyników z badaniami geo-chemicznymi rubinów w figurce, pozwala na określenie miejsca pochodzenia rubinów (Birma).

Wiele laboratoriów w muzeach lub uniwersytetach w Europie zaangażowanych jest w IBA (od ang. Ion Beam Application - zastosowanie wiązek jonowych): stosowanie technik PIXE, PIGE, RBS i/lub NRA do badań przedmiotów artystycznych i znalezisk archeologicznych.

Chcielibyśmy wymienić kilka, których wyniki prac przedstawialiśmy w naszym materiale. Należą do nich:

• LARN (franc. Laboratoire d’Analyse par Réactions Nucléaires - Laboratorium Analiz Metodami Reakcji Jądrowych) w Namur, Belgia;
• Laboratorium Akceleratorowe, Uniwersytet w Helsinkach, Finlandia;
• Wydział Fizyki i INFN, Uniwersytet we Florencji, Włochy;
• Wydział Fizyki i INFN, Uniwersytet w Genui, Włochy;
• Hahn Meitner Institut, Berlin, Niemcy;
• Forschungszentrum, Rossendorf, Niemcy.

Analiza metodami wiązek jonowych wymaga przyniesienia obiektu do laboratorium, w którym jest akcelerator. Badacze posługują się także techniką XRF (ang. X Ray Fluorescence - fluorescencja rentgenowska), przenośnym przyrządem zawierającym albo izotop promieniotwórczy albo miniaturową lampę rentgenowską. Urządzenia te są tańsze i mogą służyć do badań na miejscu obiektów, których nie można przewieźć do innych laboratoriów.

Źródła

• Cent ans après: La radioactivité, le rayonnement d’une découverte. , Wyd. : R.Bimbot, A. Bonnin, R. Deloche i C. Lapeyre, EDP Sciences, 1999
• NuPECC June 2002: Nuclear Science in Europe: Impact, Applications, Interactions, Contract C E C N° HPRI-CT-1999-40004
• The Eurisol report, December 2003, EC Contract HPRI-CT-1999-50001
• Ion Beam study of art and archaeological objects; Wyd.: G. Demortier i A. Adriaens, COST G1 action, European Community, Eur19218, 2000.
• Physics Today (January 2004, str. 20 - February 2004, str. 31)

Podziękowania

Niniejszym wyrażam podziękowania wydawcom publikacji, z których korzystałam w moim opracowaniu, jak również wszystkim autorom, którzy tworzyli te publikacje dzięki pracy badawczej w dziedzinie zastosowań metod jądrowych w sztuce i archeologii.

W szczególności dziękuję Profesorowi G.Demortier'owi z LARN, Namur, Belgia.