Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali

1. Il LABEC, ovvero la Fisica Nucleare per i Beni Culturali Lorenzo Giuntini – Mirko Massi LABEC - Sezione INFN Firenze e Dipartimento di Fisica Università Firenze Incontri di Fisica 2008, Frascati 1-3 Ottobre 2008

2. Il LABEC, LAboratorio per i BEni Culturali • Nasce a maggio 2004, nel polo scientifico di Sesto Fiorentino, Firenze • Il cuore del laboratorio è l’acceleratore tendem da 3 MV • È l’erede del laboratorio del KN 3000, un acceleratore di più limitate capacità, col quale è iniziata l’attività di fisica nucleare per i beni culturali alla fine degli anni 80 • Il LABEC è il laboratorio di fisica nucleare applicata ai beni culturali dell’INFN

3. Fisica Nucleare e Beni Culturali Datazioni, ossia analisi radiocarbonio 14C Analisi dei materiali con fasci di ioni o IBA (dall’acronimo inglese Ion Beam Analysis)

4. Cos’è il 14C - Gli isotopi del carbonio T1/2= 5730 a 0+ 0 14C Q-=156.5 keV 100% 1+ 0 14N 12C≈ 98.9 % 13C≈ 1.1 % C’è anche l’isotopo 14C, radioattivo t= 8267 a

5. Produzione del radiocarbonio • In atmosfera: produzione di neutroni per reazioni (p, n) dei protoni cosmici sui nuclei degli elementi dell’aria (O e N) • in atmosfera i neutroni si termalizzano • netroni termici → reazione 14N(n,p)14C [th1 barn]; rate di produzione medio di 14C ≈ 2.2 cm-2 s-1 (massimo rate di produzione tra i 15 e i 18 Km) • concentrazione in atmosfera 14C: R(14C/12C)≈1.210-12 • in atmosfera il14C forma tipicamente 14CO2

6. produzione distribuzione e mortedel14C

7. non necessariamente corrette... Assunzioni per le datazioni col 14C R(14C/12C) = 1.18 10-12 in atmosfera ovunque R(14C/12C) = 1.18 10-12 anche nelle acque terrestri, in cui la CO2 atmosferica entra in soluzione R(14C/12C) = 1.18 10-12 anche nel passato (R in pMC o percent of modern carbon: 100 pMC → R = 1.18 10-12 )‏ Ogni organismo nella biosfera, a causa degli scambi metabolici nell’ambito dei cicli vitali (sintesi clorofilliana, respirazione, cicli alimentari), ha nei suoi tessuti, finché vivente, R(14C/12C) = 1.18 10-12

8. Principio della datazione col 14C • Dopo la morte un organismo non “scambia” più con la biosfera e non esistono altri meccanismi di formazione, assunzione o cessione di 14C: per il 14C, il sistema è “chiuso” • Il n°totale di atomi non radioattivi C (12C + 13C) non varia • Il n°di atomi di 14C diminuisce secondo la legge del decadimento radioattivo • Dalla misura di 14R(t) è possibile determinare l’età di un reperto di origine organica, cioè il tempo t trascorso dalla morte dell’organismo da cui proviene

9. Curva di decadimento del 14C · 10-12 14R(t) = 14R0· e –t/ t =· ln [14R0 / 14R(t)] t = ·[14R(t)/ 14R(t)] cioè : 1% errore in 14R(t)  80 y tempo dalla morte (anni)‏

10. Limiti delle assunzioni1 - ‏variazioni del rate di formazione al variare del luogo • Osservazioni: • Il rate di produzione da raggi cosmici varia con la latitudine (campo magnetico terrestre), decrescendo di un fattore circa 5 dall’equatore ai poli • Variazioni rapidamente compensate dai flussi atmosferici che rimescolano l’aria intorno alla Terra in tempi brevi (ordine di qualche anno) rispetto alla t del 14C • Quindi: • da questo punto di vista, l’assunzione di invarianza di R di 14C rispetto al luogo di origine è corretta!

11. Limiti delle assunzioni2 - Variazioni di rate di formazione nel tempo • 20-30%, correlate ai cicli di attività solare che modulano il flusso di raggi cosmici che investono la Terra. • Tuttavia: • periodi di questi cicli brevi rispetto a  del 14C • effetto “serbatoio” dovuto alla concentrazione preesistente • Quindi: • modulazione temporale nella concentrazione in atmosfera prodotta da queste cause violentemente attenuata • Però: • Variazioni del campo magnetico terrestre su tempi  8 ka,

12. Limiti delle assunzioni3.1 – variazioni di 14R nel tempo‏ Negli ultimi 150 anni: “effetto Suess”: a partire dalla rivoluzione industriale causa rilascio in atmosfera di quantità massicce di CO2 (combustione di carbone fossile, privo di 14C), con abbassamento considerevole e permanente di 14R in atmosfera e in tutti gli organismi in equilibrio a tempi brevi con l’atmosfera

13. Limiti delle assunzioni3.2 – variazioni di R nel tempo‏ Dal 1945 (primo test nucleare ad Alamogordo) al 1963 (anno dell’applicazione del PTBT): Test nucleari in atmosfera: enorme aumento dei flussi di neutroni in atmosfera, con aumento del rate di produzione di 14C; nonostante l’effetto serbatoio, influenza sensibile anche su R, con effetti locali fino al + 100% (effetto “Bomb Spike). Dal 1963 R diminuisce e si riavvicina ai valori pre-1950.

14. Effetto esplosioni nucleari su 14R

15. ‏ma quanto vale 14R(t)? • Effetti di questi tipi (es. grandi eruzioni vulcaniche, che possono liberare ingenti quantità di carbonio fossile) possono aver avuto luogo nel passato ed avere alterato, temporaneamente, la concentrazione 14R di equilibrio. • Ne consegue che l’ipotesi di costanza nel passato della concentrazione 14R(t) nei viventi, con un valore sempre uguale a quello “convenzionale”, di 1.18·10-12, non è corretta. • Occorre perciò poter conoscere indipendentemente il valore 14R nel passato, con l’accuratezza e il dettaglio temporale migliori possibile.

16. Ricalibrazione • Dalla misura sugli anelli di accrescimento di tronchi di alberi datati in dendrocronologia si ottiene una curva di calibrazione accurata fino a circa 104 anni fa • Misure su reperti datati storicamente, o comunque in modo indipendente • Per le correzioni di date oltre i 104 anni, misure su coralli datati anche con altre metodiche, o estrapolazioni di fenomeni di ciclicità osservata in periodi più recenti, ma con maggiore incertezza

17. Ricalibrazione

18. Ricalibrazione – ultimi 2000 anni

19. Ricalibrazione dalla radiocarbon age all’età vera la “Stradivarius gap”

20. Misura di R(14C/12C), ossia di N(14C) • Poiché |dN/dt| = N , per determinare il numero di atomi N di 14C in un reperto si può misurare • l’attività|dN/dt| • direttamenteN • misura diretta di N impossibile in MS convenzionale: • bassissima concentrazione (6 ordini di grandezza troppo bassa per la MS convenzionale!!!) • interferenza isobarica di 14N, 12CH2 e 13CH ‏ • misura di |dN/dt| unica possibile e ancora utilizzata, ma delicata: • decadimento - puro • bassa energia

21. |dN/dt| =  N 14C da misure di attività  T½ = 5730 ± 40 anni  t = 8277 ± 58 anni l = 1/t = (3.836 ± 0.027)·10-12 s-1 = (2.302 ± 0.016)·10-10 min-1 = (1.38 ± 0.01)·10-8 h-1 = (3.314 ± 0.023)·10-7 d-1 1 mg organico “contemporaneo”:  0.4 mg di carbonio  (0.4·10-3 /12)6·1023 = 2 1019 at di C  2.4 107 at 14C conteggio : |dN/dt| = N soltanto 0.33 decadimenti/ora!  servono tecniche molto efficienti, molto materiale e soprattutto ... molta pazienza!

22. con l’Accelerator Mass Spectrometry! E allora come si risolve il problema?

23. Acceleratore Tandem Analisi in massa e sistemi di rivelazione Sorgente, dove si mettono i campioni da analizzare Misura della concentrazione di 14C con AMS Lo stripping al terminale elimina le interferenze di 13CH e 12CH2 La sorgente di ioni negativi elimina l’interferenza del 14N L’analisi finale degli ioni ad alta energia consente di eliminare eventuali interferenze residue

24. Accelerator Mass Spectrometry (AMS) per la misura del 14C • La sorgente (esterna) di ioni negativi elimina l’interferenza isobarica del 14N • Lo stripping al terminale elimina gli isobari molecolari 12CH2, 13CH • Tandem sensibilità selettiva straordinaria (10-15) (eliminazione delle interferenze isobariche) • L’elevata energia degli ioni nell’analisi finale consente di eliminare interferenze residue

25. Misura AMSdella concentrazione di 14C • 1 mg di reperto organico “contemporaneo”: 0.4 mg di carbonio 2.4 107 isotopi di 14C • AMS (efficienza 1%): > 105 conteggi (T misura: 25 min, da confrontarsi con 0.33 decad./ora del conteggio  Con 105 conteggi:  (14C)/14C < 0.3% t  25 a  sono sufficienti quantità minuscole di materiale: 1 mg!

26. Misura del 14C con AMS • Sensibilità a concentrazioni fino a 10-15 • Databili reperti fino a oltre 50000 anni fa • Da “sacrificare” per la datazione m 1 mg

27. Prelievo di un frammento (generoso)

28. ABA base acido cellulosa acido

29. Combustione Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a grafite (CO2 + 2 H2 2 H2O + C)‏

30. Catalizzatore (Fe) Portacampione con target di C + Fe 2 mm

31. Ruotaportacampioni

32. LABEC

33. 65°ESA e DE-E Rivelatore DE-E per il conteggio finale del 14C Analizzatore elettrostatico dopo l’analisi magnetica ad alta energia

34. Errori sistematici • Errori sistematici → misure sempre relative • In ogni batch sempre compresi: • Standard ottenuti da materiali a concentrazione di 14C nota • Blank ottenuti da materiali fossili, cioè a contenuto zero di 14C

35. san Francesco Alla fine del 2005 la provincia toscana dell’Ordine Francescano ha deciso di eseguire sulle reliquie uno studio: storico e stilistico scientifico La datazione al radiocarbonio con tecnica AMS della tonaca e del cuscino è stata fatta al LABEC di Firenze

36. Campionamento Due campioni provenienti dalle due federe più interne del cuscino di Cortona Molti campionamenti, quindinessun dubbio sulla rappresentatività dei campioni Molti campioni da zone diverse, sia dal davanti che dal retro della tonaca di Cortona Molti campioni da zone diverse, sia dal davanti che dal retro, della tonaca di Santa Croce a Firenze Per tutti i campionamenti: minima invasività, circa 1 mg Due campioni dal cordone della tonaca di Cortona

37. Le tonache fronte Santa Croce, Firenze Cortona

38. Risultati

39. L’AMS è una disciplina in forte sviluppo:nel 2008 pubblicati 24 articoli su Nuclear Instruments and Methods • 3 nuove facility • 5 misure “attese” (3 archeom. + 2 amb.) • 16 nuovi sviluppi strumentali!

40. Rivelazione della radiazione e analisi spettrale fascio di particelle oggetto da analizzare acceleratore di particelle Ion Beam Analysis (IBA)‏ • Analisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da acceleratori, tipicamente protoni o alfa di qualche MeV di energia; come si fa? radiazioni di energie caratteristiche (X, , particelle…)‏

41. Ion Beam Analysis (IBA)‏ raggio X (PIXE)‏ a particelle diffuse elasticamente (RBS)‏ raggio gamma (PIGE)‏

42. Per un bersaglio sottile… Analisi PIXE quantitativa Il numero di X da un elemento che vengono rivelati (YZ) dipende da: • Concentrazione dell’elemento Z • Numero di particelle incidenti • Sezione d’urto di produzione X • Efficienza di rivelazione: • angolo solido W/4p (efficienza geometrica)‏ • efficienza intrinseca del rivelatore edet • Coefficiente di trasmissione degli assorbitori az (aria…)‏

43. T Riv. X  p t Nel caso di bersaglio spesso… Analisi quantitativa: target spessi In realtà quasi sempre il campione è spesso, cioè: • I protoni perdono energia nell’attraversare il campione: e la sezione d’urto dipende dall’energia dei protoni! • I raggi X sono sono in parte assorbiti nel campione stesso (autoassorbimento)‏ La relazione fra YZ e la concentrazione si complica, ma si può tener conto dei “nuovi” fattori

44. Esempi di spettri PIXE lazurite 3Na2O.3Al2O3.6SiO2.2Na2S 2CuCO3.Cu(OH)2

45. RIASSUNTO PIXE: vantaggi… • grandi sezioni d’urto (→ nessun danno) • possibilità di usare basse correnti di fascio (10-500 pA)‏ • misure molto veloci (da decine di s a qualche minuto)‏ • elevata sensibilità (tracce fino a livello di ppm)‏ • analisi qualitativa e quantitativa • possibilità di analisi in esterno • energia minima rivelabile ~ 1 keV: • tutti gli elementi dal Na in su quantificabili simultaneamente

46. …e limiti • nessuna informazione sulle componenti organiche • nessuna informazione diretta sui legami chimici (però…stechiometria)‏ • nessuna informazione diretta sulla stratigrafia (però… PIXE differenziale)‏ • compatibile e integrabile con: • PIGE (elementi leggeri) • BS (stratigrafia, elementi leggeri) • FS (idrogeno) • IBIL (legami chimici, misure con dose ultrabassa)

47. Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo dei beni culturali • Il fascio fuori dal vuoto si allarga, quindi: • Finestra di uscita il più sottile possibile • Gas a minor densità possibile (allargamento funzione crecente della densità del materiale attraversato, quindi elio e non aria; l’elio è usato anche per limitare assorbimento degli X) il set-up di fascio esterno • Bersaglio più vicino possibile alla finestra 1 cm

48. PIXE nei BeniCulturali Tipiche condizioni di lavoro nel nostro attuale laboratorio: • Fascio esterno di protoni da 1 - 5 MeV • Corrente di fascio 10 – 500 pA, misura 1 – 10 minuti • Dimensioni del fascio: • 200 – 1000 m (collimazione) • 10 – 1000 m (focheggiamento forte)‏ • due rivelatori X : • BIG: maggiore angolo solido + assorbitore  Z medio-alti • SMALL: angolo solido limitato, finestra di Be ultrasottile + flusso di He  Z bassi

49. Le tecniche IBA sono ideali per i beni culturali • Nessuna necessità di prelievi dalle opere • Bassissime intensità di fascio + tempi brevi • nessun danno • molte misure • statisticamente significative‏ • Misure non invasive  ripetibili con IBA o altre tecniche • Si possono variare facilmente e in tempo reale: • energia • intensità • dimensioni del fascio • Si possono integrare simultaneamente più tecniche IBA informazioni complementari

50. Con un fascio esterno si può determinare in modo completamente non-distruttivo la composizione quantitativa di qualunque materiale