Współczesne metody badań instrumentalnych

Transkrypt

1 Współczesne metody badań instrumentalnych Wykład VII Rentgenografia Tomografia komputerowa

2 Rys historyczny Wilhelm Conrad Röntgen odkrył w 1895 roku promieniowanie X. W 1901 roku za swoje odkrycie został uhonorowany nagrodą Nobla. Pracownia Röntgena w Instytucie Fizyki Uniwersytetu w Wurzburgu

3 Widmo promieniowania EM 10-4 Å 1 Å 10 nm 1 µm 100 µm 1 cm 1 km promieniowanie γ promieniowanie rentgenowskie ultrafiolet światło widzial-ne podczerwień mikro-fale fale radiowe

4 Oddziaływanie promieniowania z materią γ X UV vis IR mikrofale fale radiowe absorpcja związana z przejściami wewnętrznych powłok elektronowych bardzo silna absorpcja związana z przejściami pomiędzy poziomami elektronowymi, efekty degradacji materiałów wskutek procesów jonizacji silniejsza absorpcja związana z przejściami oscylacyjnymi, efekty termiczne silna absorpcja związana z przejściami pomiędzy poziomami elektronowymi, powoduje efekt barwy fale radiowe przechodzą przez materiały słaba absorpcja związana z przejściami rotacyjnymi, która przyczynia się do efektów termicznych

5 Promieniowanie rentgenowskie Fala elektromagnetyczna o długości kilku Å. Propaguje z szybkością światła. Widmo elektromagnetyczne (obszary, energia) Promieniowanie gamma (powyżej 250 kev) Promieniowanie rentgenowskie (124 ev 250 kev) Ultrafiolet(3,4 ev 124 ev). Światło widzialne (1,6 ev 3,4 ev). Podczerwień(1,24 mev 1,6 ev). Mikrofale(1,24 µev 1,24 mev). Fale radiowe (poniżej 1,24 µev).

6 Promieniowanie rentgenowskie Analizy materiałowe 1 30 kev

7 Propagacja promieniowania EM przez ośrodek Transmisja; Rozpraszanie bądź uginanie; Absorpcja.

8 Absorpcja promieniowania X Zależy od energii promieniowania rentgenowskiego i liczby atomowej pierwiastków obecnych w ośrodku. Im wyższa energia promieniowania rentgenowskiego, tym większe prawdopodobieństwo przejścia. Im wyższa liczba atomowa atomów pierwiastków w warstwie, tym większe prawdopodobieństwo absorpcji promieniowania rentgenowskiego.

9

10 Rentgenografia Rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego (rozpraszanie Rayleigha)w ciałach stałych zachodzi z małym prawdopodobieństwem Właściwość ta powoduje, że przedmioty są przezroczyste dla promieniowania X. W tradycyjnej rentgenografii przedmioty pozostawiają cień na błonie fotograficznej Na błonie następuje chemiczna aktywacja halogenku srebra, która jest odwrotnie proporcjonalna do gęstości materiału, przez który przechodzi promieniowanie rentgenowskie (negatyw). W konserwacji dzieł sztuki rentgenografię wykorzystuje się do: Badania zastosowanych przez artystę technik i technologii; Określenia stanu zachowania dzieła; Określenia zakresu wcześniejszych ingerencji konserwatorskich. Zakres zastosowań obejmuje niemal wszystkie ruchome dzieła sztuki Malowidła na płótnie i desce; Rzeźby drewniane, kamienne (np. marmurowe), brązowe; Obiekty archeologiczne (np. ceramika).

11 Jak powstaje rentgenogram Promienie przechodzące przez ośrodek zaczerniają błonę (ciemne obszary). Obszary białe na błonie światłoczułej odpowiadają obszarom, które nie przepuszczają promieniowana X. Obszary w których występuje powietrze (niska liczba atomowa składników + mała gęstość) są zaczernione. Obszary, w których występują metale (duża liczba atomowa) na rentgenogramach są jasne.

12 Wytwarzanie promieniowania rentgenowskiego Promieniowanie rentgenowskie powstaje poprzez bombardowanie tarczy naładowanymi cząstkami (elektronami bądź jonami). Widmo emisji zawiera dwa składniki: pasmo ciągłe (promieniowanie hamowania) oraz piki charakterystyczne dla materiału tarczy. Promieniowanie hamowania Promieniowanie charakterystyczne Wzbudzający elektron Elektron wybity z powłoki 1 Promienowanie X 2 1

13 Zasada wytwarzania promieniowania ciągłego (białego) jądro rozproszony elektron (w wyniku rozproszenia wytracił prędkość oraz zmienił kierunek ruchu) szybki elektron atom antykatody kwant promieniowania X W zależności od rodzaju zderzenia, szybkie elektrony tracą różne ilości energii. Dlatego energia promieniowania rentgenowskiego ma widmo ciągłe. Minimalną długość kwantów promieniowania wyznaczamy ze wzoru λ min = hc 12,4 = [A]. ev V[kV]

14 Lampa rentgenowska okienko berylowe ekran katoda chłodzenie wodą anoda próżnia antykatoda promieniowanie rentgenowskie elektrony bańka szklana włókna wolframowe Elektrony emitowane z rozgrzanej katody są przyspieszane w polu elektrycznym i ogniskowane na tarczy metalowej (antykatoda). Promieniowanie X emitowane z antykatody wychodzi przez okienka berylowe. Doświadczalnie stwierdzono, że maksimum promieniowania rentgenowskiego otrzymuje się pod kątem 10ºw stosunku do antykatody, co determinuje miejsce montowania okienek berylowych.

15 Lampy rentgenowskie

16 Widmo promieniowania rentgenowskiego Niskoenergetyczne fotony promieniowania X absorbowane są przez filtr almpy Maksymalna energia fotonów(80 kev) jest okreśłona przez napięcie przyspieszające elektronów.

17 Zasady rentgenografii Obiekt jest umieszczony pomiędzy lampą rentgenowską i błoną fotograficzną, Rozdzielczość przestrzenna rentgenogramu zależy od rozmiarów emitera promieniowana X oraz odległości pomiędzy przedmiotem i błoną fotograficzną.

18 Zasady rentgenografii By uzyskać jak najbardziej ostry obraz błona fotograficzna powinna przylegać do warstwy malarskiej. Lampa rentgenowska umieszczona jest poniżej warstwy malarksiej.

19 Błona fotograficzna Błona poliestrowa pokryta warstwą emulsji zawierającej sól AgBr. Wskutek oddziaływania z promieniowaniem rentgenowskim ziarna halogenku srebra stają się widzialne po procesie wywołania: W trakcie wywoływania ziarnaagbr są redukowane do koloidu srebra, który daje czarne zabarwienie błony. Niezredukowane ziarna AgBr są rozpuszczane przez utrwalacz (tiosiarczan sodu) przez co powstaje jasne obszary

20 Błona fotograficzna Gęstość błony fotograficznej jest dana przez równanie: D=log B B 0 B natężenie światłą przechodzącego przez błonę fotograficzną oświetlanąświatłem o natężeniuj B 0 Krzywa czułości ukazuje zależność czułości błony w funkcji ekpsozycji na dawkę promieniowania X. Nachylenie krzywej jest opisywane przez parametr γ: γ = ( D D ) log( X / ) X1

21 Oddziaływanie promieniowania X z materią Transmisja promieniowania rentgenowskiego przez warstwę o grubości sjest wyrażona przez: I = I 0 exp( αs), gdzie α jest współczynnikiem absorpcji.

22 Oddziaływanie promieniowania X z materią Transmisja promieniowania rentgenowskiego przez warstwę o grubości sjest wyrażona przez: I = I 0 exp( αs), gdzie α jest współczynnikiem absorpcji. Współczynnik absorpcji α zależy od materiału i energii fotonu X 1 α (cm ) = α (cm ρ 2 g) ρ(g cm 2 ) Współczynnik osłabienia masowego µ= α/ρ jest zależy jedynie od liczby atomowej Z, nie zależy od gęstości materiału.

23 Współczynnik osłabienia masowego Dla promieniowania o energiach mniejszych niż 25 kev (efekt fotoelektryczny) µ Z 3 Dla promieniowania o energiach powyżej 50 kev (efekt Comptona) µ const. Dla uzyskania optymalnego obrazu musi być spełniony warunek: αs 2 Powyższe równanie ułatwia odpowiedni dobór energii fotonów X. W przypadku gęstych materiałów bądź dużych grubości należy stosować wysokoenergetyczne promieniowanie γ.

24 Warstwy malarskie pigmenty silnie absorbujące promieniowanie X Na rentgenogramy warstw malarskich ma wpływ absorpcja promieniowania rentgenowskiego składników warstw (pigmentów i podłoża). Pigmenty zawierające metale o wyższej liczbie atomowej Zwykazują większą absorpcję, niż pigmenty zawierające lżejsze atomy. Pigmenty silnie absorbujące promieniowanie rentgenowskie zawierają ołów (Z= 82). Należą do nich: Biel ołowiana [PbCO 3 ] 2 Pb(OH) 2 ) Żółcień chromowa PbCrO 4 Żółcień neapolitańska (antymonian ołowiu) Pb(SbO 3 ) 2 /Pb 3 (SbO 4 ) 2 Minia Pb 3 O 4

25 Warstwy malarskie pigmenty umiarkowanie absorbujące promieniowanie X Do pigmentów umiarkowanie absorbujących promieniowanie rentgenowskie należą związki zawierające metale o niższej liczbie atomowej, takie jak cynk (Z= 30), kadm (Z= 48) oraz arsen (Z= 33). Należą do nich: Biel cynkowa ZnO Żółcień kadmowa PbCrO 4 Zieleń szmaragdowa Cu(C 2 H 3 O 2 ) 2 3Cu(AsO 2 ) 2

26 Warstwy malarskie słabo absorbujące promieniowanie X Do pigmentów słabo absorbujących promieniowanie rentgenowskie należą związki zawierające takie metale, jak wapń (Z = 20), mangan (Z = 25), żelazo (Z = 26), kobalt (Z = 27). Należą do nich: Pobiała wapienna; Umbra; Błękit kobaltowy; Czerwona/żółta ochra; Błękit pruski; Do najsłabiej absorbujących pigmentów należą

27 Obraz Wnętrze kościoła z ołtarzem Sądu Ostatecznego Hansa Memlinga Obraz w świetle widzialnym

28 Rentgenogram.Kity (1) i podmalowania (2) zawierające dużą ilość bieli ołowianej. (3) Laserunki wykonane farbą zawierającą biel ołowiową. (4) Partie najjaśniejsze wykazują małą zawartość bieli ołowiowej. Zawartość bieli ołowiowej w zaprawie powoduje zmniejszenie kontrastów na uzyskanych obrazach projekcyjnych. (5) Na odwrociu obrazu uwidoczniły się wtórne znaki wykonane farbą odbijającą promienie rentgenowskie biel ołowiowa, cynober.

29 Obraz na desce Jutrznia Zarejestrowano anomalia świadczące o zakresie występowania pierwotnego opracowania kompozycyjnego tła, które wykonano farbą zawierającą biel ołowiową (3). Uczytelnił się zarys modelunku ksiąg (6). Uwidoczniły się anomalia w obrębie opracowania światłocienia fałd rękawa i szaty (7) oraz w dolnej partii obrazu (8), które nie pokrywają się z obrazami zarejestrowanymi świetle widzialnym. Najgrubszą warstwę zawierającą biel ołowiową zarejestrowano w opracowaniu szaty prawego ramienia postaci (9). Silna absorpcja promieniowania rentgenowskiego przez warstwę malarską zawierającą biel ołowiową, znajdującą się na odwrociu malowidła maskuje detale opracowania kompozycji warstwy pierwotnej obrazu (10).

30 Ikona Matka Boska z Dzieciątkiem (1) Zarysy gwoździ. (2) Fragmenty pierwotnej polichromii zawierającej biel ołowiową. (3) Pęknięcie deski. (4) Pierwotna warstwa z dodatkiem bieli ołowiowej pokrywająca powierzchnię zaprawy. (5) Fragmenty ułamanych gwoździ. (6) Zakresy ubytków polichromii uzupełnione zaprawą kredowo-klejową widoczne są jako jasnoszare plamy. Biel ołowiowa występuje również w obrębie zachowanych partii pierwotnego modelunku malarskiego (7, 8, 9). Rejestrowana jest też cienka warstwa farby, która zawiera cynober i biel ołowiową (10, 11)

31 Portret Jürgena Valentina Winthera, pocz. XVII w., Muzeum Narodowe w Szczecinie Widoczne na rentgenogramie ciemne odcienie szarości odzwierciedlają rozkład bieli ołowiowej (1). Występuje bardzo duży zakres ubytków zaprawy i warstwy malarskiej (2). Do uzupełnień ubytków w miejscach załamań płótna użyto kitu z dużą domieszką bieli ołowiowej (3). Ciemne plamy widoczne są w miejscach ubytków płótna uzupełnionych łatkami wklejonymi na styk (4). Pokryto je warstwą kitu, która nie zawiera bieli ołowiowej. Portretowana postać jest bardzo słabo widoczna, co wskazuje na to, że kompozycję opracowano bardzo cienkimi warstwami zawierającymi biel ołowiową (5). Biel ołowiowa występująca w zaprawie częściowo unieczytelnia zarysy kompozycji (6). Dzięki jej obecności w zaprawie uwidacznia się obraz struktury płótna (7). Na rentgenogramie zarejestrowano jedynie nieliczne detale pierwotnej kompozycji tj. zarys krzyżyka? oraz ogniw łańcuszka (8).

32 Kazanie z łodzi, Thomas Nether (?), Muzeum Narodowe w Szczecinie, ok r. Ciemne odcienie szarości odzwierciedlają rozkład bieli ołowiowej w warstwie malarskiej (1). Biel ołowiowa występująca w zaprawie częściowo maskuje zarysy kompozycji (2). Widoczne są nieznaczne ubytki zaprawy wraz z warstwą malarską uzupełnione materiałami pozbawionymi bieli ołowiowej (3). Nie widać znaczących zmian w stosunku do pierwotnej kompozycji obrazu. Jedynym rzucającym się w oczy szczegółem jest brak bukszprytu oraz bosaka w pierwotnym opracowaniu (4).

33 Obrazu Portret księcia Jerzego III( ), Muzeum Narodowe w Szczecinie Ciemne odcienie szarości odzwierciedlają zakres występowania bieli ołowiowej (1). Ukazały się liczne ubytki zaprawy i warstwy malarskiej uzupełnione materiałami nie zawierającymi bieli ołowiowej (2). Uwidocznił się wcześniejszy obraz, którego wyraźnie widocznymi elementami są: kotwica (3) oraz trudny do interpretacji fragment opracowany farbą zawierającą biel ołowiową (4).

34 Portret księcia Filipa I( ), Muzeum Narodowe w Szczecinie Widoczne są liczne ubytki zaprawy wraz z pierwotną warstwą malarską (1), a także pęknięcia podobrazia (2).

35 Portret księcia Kazimierza IX( ), syna Filipa I, Muzeum Narodowe w Szczecinie Ciemniejsze szarości odzwierciedlają na rentgenogramach zakresy występowanie bieli ołowiowej (1). Widoczne są niewielkie ubytki zaprawy wraz z pierwotną warstwą malarską (2).

36 Portret księcia Bogusława XII, artysta nieokreślony, Muzeum Narodowe w Szczecinie Zakres ubytków pierwotnej warstwy malarskiej jest niewielki (1).

37 Portret księcia Barnima XI (IX)( ), Muzeum Narodowe w Szczecinie Występowanie bieli ołowiowej odzwierciedlają ciemne obszary rentgenogramu (1). Uwidoczniły się ubytki pierwotnej warstwy malarskiej (2).

38 Portret księcia Bogusława XIII( ), Muezum Narodowe w Szczecinie Ciemneobszary określają rozkład występowania bieli ołowiowej (1). Widoczne są ubytki zaprawy wraz z warstwą malarską, uzupełnione farbami pozbawionymi bieli ołowiowej (2)

39 Portret księcia Jerzego I( ), Muzeum Narodowe w Szczecinie Miejsca występowania bieli ołowiowej widoczne są jako ciemne odcienie szarości (1). Zarejestrowano liczne ubytki zaprawy oraz pierwotnej warstwy malarskiej (2). Uwidoczniły się również zarysy ubytków polichromii wypełnione kitami, które zawierają dodatek bieli ołowiowej (3). Ukazał się obraz deski będącej późniejszym uzupełnieniem podobrazia drewnianego (4).

40 Podobrazia drewniane Grecka ikona z poł. XVIII w. Tempera jajowa na desce. Widoczne jest ułożenie słojów. Ormylia Foundation. Art. Diagnosis Centre.

41 Podobrazia drewniane Matka Boża, Hodegetria. Grecka ikona, 1835 r. Tempera jajowa na desce. Widoczne jest ułożenie słojów. Ormylia Foundation. Art. Diagnosis Centre. D. Pinna, M. Galeotti (ed.). Sxcidntiffic examination for the investigation of paintings. Centro di.

42 Podobrazia drewniane Matka Boża, Hodegetria. Grecka ikona, XVI w. Tempera jajowa na desce. Widoczne gwoździe, które wykorzystano do połączenia desek. Ormylia Foundation. Art. Diagnosis Centre. D. Pinna, M. Galeotti (ed.). Sxcidntiffic examination for the investigation of paintings. Centro di.

43 Podobrazia drewniane Madonna ze szczygłem, Rafael, Galeria Uffizi, Firenze. Na radiogramie widoczne uszkodzenia oraz ślady gwoździ wykorzystanych do naprawy obrazu w XVI w. D. Pinna, M. Galeotti (ed.). Sxcidntiffic examination for the investigation of paintings. Centro di.

44 Rentgenowska tomografia komputerowa Rentgenowska tomografia komputerowa (CT od computer tomogrpahy) dostarcza inrofmacji o wewnętrznej strukturze obiektu. Informacje o morfologii przedstawia się bądź w postaci 2D przekrojów poprzecznych (tzw. warstwic bądź cięć) bądź w postaci obrazów 3D. Projekcja wsteczna M. P. Morigi et al. X-ray computed tomography for culture heritag, University of Bologna

45 Tomografia komputerowa W tomografii komputerowej błona fotograficzna jest zastąpiona przez jeden bądź szereg detektorów promieniowania rentgenowskiego. Podczas pomiaru obiekt jest obracany w taki sposób, by uzyskać możliwie dużo możliwych rzutów obrazów przez obiekt. Za pomocą procedur matematycznych (projekcji wstecznej) uzyskuje się trójwymiarową strukturę prześwietlanego obiektu.

46 Tomograf dla zastosowań medycznych detektory Średnica komory około 70 cm. M. P. Morigi et al. X-ray computed tomography for culture heritag, University of Bologna

47 Uzyskiwanie tomogramu na przykładzie popiersia z gliny Wykonuje się sekwencję radiogramów przy różnych ustawieniach rzeźby względem źródła i detektorów. M. P. Morigi et al. X-ray computed tomography for culture heritag, University of Bologna

48 Uzyskiwanie tomogramu na przykładzie popiersia z gliny Cięcia wirtualne w rekonstruowanej objętości. M. P. Morigi et al. X-ray computed tomography for culture heritag, University of Bologna

49 Portret Lionello d Este (Pisanello) Widoczne jest ułożenie słojów deski na której namaolowano obraz oraz faktura powierzchni obrazu M. P. Morigi et al. X-ray computed tomography for culture heritag, University of Bologna

50 Trumna w kształcie kota Na tomogramie widoczne są zmumifikowane szczątki kota. M. P. Morigi et al. X-ray computed tomography for culture heritag, University of Bologna

51 Starorzymskie naczynie z monetami Obrazy 3D naczynia i monet wewnątrz. M. P. Morigi et al. X-ray computed tomography for culture heritag, University of Bologna

52 Układ do badań przedmiotów wielkoformatowych (Uniwersytet w Bolonii) Pomiary X-ray CT w konfiguracji wachlarzowej: źródło promieniowania X, kolimatory, stolik przesuwny i obrotowy, scyntylator, kamera CCD sprzężona z optyką światłowodową. Wachlarz składa się z 7 wstęg (rys. b). Każda wstęga posiada obszar aktywny 1024 x 512 ppikseli. M. P. Morigi et al. X-ray computed tomography for culture heritag, University of Bologna

53 Układ do badań przedmiotów wielkoformatowych (Uniwersytet w Bolonii) M. P. Morigi et al. X-ray computed tomography for culture heritag, University of Bologna

54 Układ do badań przedmiotów wielkoformatowych (Uniwersytet w Bolonii) Madonna ze szczygłem, Rafael, Galeria Uffizi, Firenze. Podobrazie wykonne jest z dwóch płyt drewnianych. M. P. Morigi et al. X-ray computed tomography for culture heritag, University of Bologna

55 Globus z 1567 r. zbudowany przez Egnazio Danti (Palazzo Vecchio -Florencja) Po lewej -geometria wiąki stożkowej, która jest stosowana do dużych obiektów W rekonstrukcji tomograaficznej 3D zaznaczono elementy wewnętrznej konstrukcji wykonane z żelaza. M. P. Morigi et al. X-ray computed tomography for culture heritag, University of Bologna

56 Globus Vincenzo Coronellego ( ), Biblioteka Miejska w Faenza, Włochy Średnica globusa 107 cm. W rekonstrukcji tomograaficznej 3D zbadano weewnętrzną strukturę globusa. F. Casali et al. Tri-dimensional X-ray Tomography for Conservation and Restoration of Wooden Culture Heritage Objects.

57 Japońska statuetka Kongo Rikishi, XIII w. drewno Wysokość rzeźby wraz podstawą 230 cm. Układ pomiarowy. F. Casali et al. Tri-dimensional X-ray Tomography for Conservation and Restoration of Wooden Culture Heritage Objects.

58 Japońska statuetka Kongo Rikishi, XIII w. drewno Po lewej cięcie na wysokości barków. Pośrodku cięcie na wysokości nóg poniżej bioder, po prawej rekonstrukcja 3D górnej części partii szaty. Pośrodku widoczny pionowy wspornik o regularnym kształcie. F. Casali et al. Tri-dimensional X-ray Tomography for Conservation and Restoration of Wooden Culture Heritage Objects.

59 Japońska statuetka Tamon Ten, XVII w. drewno Po lewej statuetka o wysokości 125 cm. Pośrodku cięcie poziome na wysokości głowy. Po prawej przekrój pionowy głowy. Widoczne są kanały wydrążone przez czerwie. F. Casali et al. Tri-dimensional X-ray Tomography for Conservation and Restoration of Wooden Culture Heritage Objects.

60 Zastosowania tomografii Tomografię wykorzystuje się do badania wewnętrznej struktury obiektów. Dla różnych materiałów występują następujące ograniczenia przestrzenne: Drewno do średnicy 1 m Marmur i kamień do 0,5 m Ceramika nieco powyżej 0,5 m Metale (brąz) kilka cm, nieco więcej dla pustych wewnątrz rzeźb.