Radiographic imaging of chemical elements for Cultural Heritage

Tipicamente le tecniche radiografiche non permettono di ottenere informazioni riguardanti gli elementi chimici presenti in un campione. Tuttavia, grazie alla tecnica differenziale al K-edge, anche tramite la radiografia è possibile evidenziare la presenza di elementi chimici bersaglio. La tecnica sfrutta la discontinuità del K-edge nel coefficiente di assorbimento di massa dei raggi X. Considerando un elemento target e acquisendo due radiografie con fasci monocromatici di energia sotto e sopra il K-edge, la maggiore differenza tra le due immagini sarà dovuta alla presenza dell’elemento stesso. Per effettuare questa particolare tecnica radiografica, sfruttando i classici tubi a raggi X, si possono percorrere due vie: 1. monocromatizzare il fascio uscente tramite diffrazione di Bragg e acquisire le due immagini radiografiche alle energie sopra e sotto il K-edge del target; 2. per un elemento bersaglio di numero atomico Z, usare un set di tre filtri degli elementi Z, Z+1 e Z-1, acquisendo tre radiografie diverse che, dopo sottrazione digitale, daranno immagini simili a quelle ottenute con i fasci monocromatici. Entrambe le tecniche sono state impiegate a Ferrara, ponendo particolare attenzione allo sviluppo di strumenti portatili, così da favorirne la loro applicazione in situ. Per la prima, il lavoro di tesi si è concentrato sull’implementazione di un sistema goniometrico rispetto a quello esistente e sull’allineamento di tutte le sue parti (tubo a raggi X, cristallo per la diffrazione di Bragg e rivelatori). Per la seconda, la ricerca ha riguardato maggiormente l’applicazione dei filtri bilanciati a provini su tela di pigmenti a base di cadmio, rame e cobalto e della loro sovrapposizione con altri pigmenti. I filtri sono stati testati impiegando i sistemi a scansione per le radiografie sviluppati a Ferrara. Il nuovo scanner radiografico per le applicazioni in situ è stato progettato, realizzato e testato durante questo lavoro di tesi. Le sue ridotte dimensioni, ne hanno consentito l’applicazione anche su un dipinto di grandi dimensioni (195 x 154 cm) nella Galleria di Palazzo Bellomo di Siracusa.

Radiographic techniques, usually, don’t give information about the chemical composition of a sample. However, thanks to the K-edge differential technique, it is possible to highlight the presence of target chemical elements with the radiography. This technique takes advantage on the K-edge discontinuity of the X-rays mass absorption coefficient. Considering a target element and acquiring two radiographies with monochromatic beams under and over the K-edge energy, the main difference between the two images is due to the presence of the element itself. To apply this peculiar radiographic technique, using the traditional X-ray tubes, two ways are possible: 1. Monochromatizing the beam coming out through the Bragg diffraction and acquiring the two radiographic images at the energies under and over the K-edge of the target; 2. For a target element with atomic number Z, using a set of three filters of the elements Z, Z+1 and Z-1, acquiring three different radiographies that, after the digital subtraction, would give images similar to the ones obtained with monochromatic beams. Both the two techniques have been employed in Ferrara, giving attention to the development of portable instruments, thus to promote their application in situ. For the first, the work of the thesis has been focused on the implementation of a new goniometric set-up, in respect of the existing one, and on the alignment of all the components (X-ray tube, Bragg diffraction crystal and detectors). For the second, the research has mainly regarded the use of balanced filters on canvas mock-ups painted with cadmium, copper and cobalt based pigments and their superimposition with other ones. The filters has been tested using the radiographic scanning systems developed in Ferrara. The new radiographic scanner for in situ application has been designed, realized and tested in the PhD period. Its reduced dimensions have allowed its use also on a big dimension painting (195 x 154 cm) in the Gallery of Palazzo Bellomo in Siracuse.