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PIXE externo para análises em objetos de arte e arqueologia

Márcia Almeida RizzuttoInstituto de Física/USP – Departamento de

Física Nuclear

WORKSHOP SOBRE MÉTODOS ATÔMICO-NUCLEARES PARA ANÁLISE NÃO DESTRUTIVA EM ARTE,

ARQUEOLOGIA E CONSERVAÇÃO

6 de Junho de 2005 Instituto de Física - Universidade de São Paulo

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ARTE E CIÊNCIA

ouComo a Física pode ajudar no

estudo da Arte

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RoteiroIntroduçãoGrupo de Física Aplicada com Aceleradores – São Paulo– Facilidades– Feixe Externo

Trabalhos Realizados – Museu de Arqueologia e Etnologia MAE-USP– Pintura de Cavalete– Artefato pré-INCA

Laboratório LouvreConclusão

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Objetos de ArteObjetos de Arte•Quase sempre amostras únicos

•Geralmente possuem histórias de vários séculos

Mas quando os olhamos fazemos perguntas com o objetivo de elucidar alguns pontos sobre a experiência humana durante os séculos

Perguntas como:

Quando e onde o objeto foi feito?

Quando uma determinada civilização começou a fazer o bronze, a utilizar o ouro, a utilizar um particular pigmento?

Quando devolveram determinadas técnicas de fabricação?

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MetodosMetodos de análise de análise

Análise estrutural e molecular Difração de X-ray Cromatografia Espectrometria de infra-vermelho

Técnicas de dataçãoTermoluminescênciaAMS C-14

Técnicas de análise elementar Fluorescência de X-ray Espectrometria de emissão atômica ICP-AES Técnica de análise com feixes iônicos (PIXE,PIGE,RBS)

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amostra

Interação de feixe de íons com a matéria - MeV

Feixeincidente(MeV/u.m.a.)

Feixetransmitido

raios γ(PIGE)

raios X(PIXE)

luz

núcleos de recuo(ERDA)

íons espalhados

íons retro-espalhados(RBS)

elétrons secundários

elétronssecundários

Manfredo Harri Tabacniks

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Feixe Iônico aplicado na análise de materiais Feixe Iônico aplicado na análise de materiais de herança culturalde herança cultural

Arqueometria (Ciência Arqueológica)Identificação de Materiais

PIXE na análise de elementos majoritáriosProveniência de Materiais(fontes dos tipos de materiais básicos e rotas de comércio)

PIXE na análise de elementos traçoTécnicas artisticas ou fabricação

Ciência da ConservaçãoEstabelecer o estado de conservação dos objetos do museu

Conservação Preventiva Monitoramento de ambiente do museu PIXE na análise de objetos da coleção

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Feixe Externo: vantagens de arranjo Feixe Externo: vantagens de arranjo ExperimentalExperimental

• Medidas em natura sem preparação das amostras• Objetos de grandes tamanhos e formas complexas• Fácil manuseio e movimento dos objetos• Efeitos térmicos reduzidos – sem danos• Possibilidade de mili feixe (feixe <0.5 mm)

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Grupo de Física Aplicada com AceleradoresInstituto de Física USP

estudantesDr. Nemitala Added (coord.)

Dr. Márcia de Almeida Rizutto

Dr. Manfredo Harri Tabacniks

Dr. Marcel DL Barbosa ( tec )

»Adriana O. Delgado - IC»Adriana Rocha Lima - IC»Alessandro Alves da Silva – Dr»Elidio Augusto Sanna - IC»Fernando H.M. Medeiros - Dr.»Flor F. Sotello - Dr»Jessica F. Curado - Ms»Jim Aburaya - Ms»Marco Antonio P. Carmignotto – IC»Pedro H. Ottoni Viviani de Campos - IC»Priscila R. dos Santos - IC»Suene Bernardes dos Santos - Ms»Viviane Silva Poli - Ms

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Laboratórios no IFUSPPelletron

LAMFI

• Acelerado eletrostático Pelletron, tandem, Vmax = 8 MV com stripperde carbono;

• PIXE-PIGE em arranjo com feixeexterno, prótons de 8-12MeV

• Detectores: Si(Li) e HPGe• Medidas ERDA (feixes de Cl)

•Acelerador Pelletron, tandem, Vmax = 1.7 MV com strippergasoso de N2 •Prótons de 2.4 MeV pode ser utilizado para

•PIXE em vácuo•PIXE feixe externo

•Particulas alfas para análise com RBS

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Facilidades - LAFNLaboratório Aberto de Física Nuclear

Câmara de vácuo Multiuso de 1m, para HI-RBS e HI-E∆E-ERDA.

Arranjo de Feixe Externo para medidas PIXE-PIGE. Janela de saída folha de 0.5mm Al.

Amostras analisadas em ar

Identificação Processo de confecçãoProcedência / Autenticação

Moedas espanholas18701890

Espectros PIXE para moedas de prata,demonstrando a diferença na composiçãode elementos traços (Fe e Pb).

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PIXE em material de Carbonato de Calcio

Espectro PIXE obtido para uma concha coletada do sambaqui de Santa Marta (SC) obtido com

feixe externo de prótons E=12MeV

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LAMFILaboratório de Análise de

Materiais por Feixes Iônicos

PIXEParticle Induced X-Ray Emission

RBSRutherford Backscattering Spectrometry

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Feixe Externo - LAMFI

feixe

vácuo atmamostra

detjanela

50/25 µm folha de Kapton

2.4 MeV 0.9/1.5 MeV1H

Arranjo experimental do novo sistema de feixe externo (LAMFI).

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Caracterização de produtos de corrosão por PIXE, de estatuetas metálicas da coleção

africana MAE/USP

Fotos de quatro tipos de produtos de corrosão na Peça A (Lupa estereoscópica, MAE-USP)

Laboratório de Conservação e Restauro, Museu de Arqueologia e Etnologia (MAE/USP) Silvia Cunha Lima (MAE/USP)

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Ar

S Cu

Zn

Si

NiFe

Ca

Caracterização de produtos de corrosão, em estatuetas metálicas da

coleção africana, por PIXE

As estatuetas são dois “Edans” masculinos da

Sociedade Secreta Ogboni, do grupo étnico Ilobu-Iorubá, Nigéria, África, do século

XX.

18

Si

S

Ar

Ca

Fe

Cu-Kα

Zn

Pb

Cu-Kβ

Zn-Kβ

“Edan” masculino

Concentrações calculadas (%) para os elementos visíveis em PIXE

Sample Si S Cl K Fe Ni Cu Zn Pb

Statuette B forehead 0.14 4.22 0.27 0.06 0.23 0.09 20.3 2.57 69.5

Statuette B back 0.17 2.47 0.57 0.27 0.49 0.18 37.8 3.66 51.7

Statuette B buttocks 0.11 0.81 0.46 0.32 0.73 0.56 74.8 9.63 11.6

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Peitoral metálico

Peitoral apresenta a uma figura

antropomorfa sentada num trono, é da

cultura Chimu, Peru, que ocupou a costa

norte de 1000 a 1470 d.C.

Fe

ArCu-Kα

Cl

Cu-KβSi

As

Ca

20

ArCu-Kα

Cu-Kβ Au-L

S

Au-M

Pingente Antromomorfo, cultura Tairona, Colômbia

Concentrações calculadas (%) para os elementos visíveis em PIXE

Sample Si S Cl KFe Ni Cu Zn Au

Statuette C front 0.06 0.20 0.20 0.04 0.20 39.0 0.33 58.2

Statuette C black part 0.20 4.17 2.84 0.24 0.11 0.17 40.0 1.61 44.5

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Análise de um Pintura datada do início do séc. XX

Trabalho com Prof. Paulo Pascholati(IF-USP)

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1-R020566H

Medidas feitas a 5-6 mm da borda

3-R020558H4 R029559

7 R020562H6 R020561H

5 R020563H

9 R020567H

2 R020565H –descascado sem tinta

12 R020568H

11 R020569H

10 R020570H

8 R020564H

medida 32mm da bordaMedidas feitas em colorações diferentes

1. Parte descascada sem tinta (565)

2. Tons de marrom (558,562,563)

3. Tons de azul (569,568,570)

4. Morro com tom de verde (567,564)

Análise de PIXE externo não deixou visíveis danos (marcas) no quadro

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Tons de azul

Pb-Lβ

Ar

Fe-Kα

Pb-M

Ca

Ti

Pb-Lα

Fe-Kβ

Zn-Kα

569 azul claro558 azul escuro 563 azul morro

24

Tons de marrom

Pb-Lβ

Ar

Cu-Kα

Fe-Kα

Zn-Kβ

Pb-M

CaPb-Lα

Fe-KβZn-Kα

Ti Cr

558 marrom claro562 interm. 563 escuro

25

565 S/ tinta562 marrom570 azul

Pb-Lβ

Ar

Cu

Fe-Kα

Zn-Kβ

Si

Ca

Pb-M

S

Ba

Pb-Lα

Fe-Kβ

Zn-Kα

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A cultura Mochica• Viveu no Vale Mocha, junto aos Andes, norte do Peru, 1 AC e 7 DC.

• Sociedade com grande desenvolvimento tecnológico, artístico e uma complexa organização.

• Inovaram na tecnologia e metalurgia, com extensivo uso de cobre para ornamentos, armas e ferramentas.

• Desenvolveram uma sofisticada técnica para douração do cobre por uma camada de ouro extremamente fina e homogênea.

Explorando um artefato arqueológico pré-Inca – SIPÁN

Manfredo H. Tabacniks e Erich Saettone

Ricardo M. O. GalvãoJosé F. D. Chubaci

Walter Alva (Museu Brüning, Peru)

1987 - descoberta da Tumba Real de Sipán(Sipán = Templo da Lua)

27

Câmara funerária

28

Chocalhos

peça para análise

29

Análise PIXE da mancha dourada

Análise PIXE da matriz negra

30

Espectro RBS da mancha dourada e sua simulação teóricafeixe de H+, 2,4 MeV (alcance ~20 µm)

Au

AgCu

31

Composição relativa da “mancha dourada”

relative concentration

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 1 2 3depth (µm)

goldsilvercopper

32

10 20 30 40 50 60 70 80 900

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

ooo

ooo

o

Difracción de Rayos-X(Muestra N° 7)

oo

oooo

ooo

ooo

oo

ooo

ooo

oo

oo

o

o

oooo

oo

oo

ooo

oo

oooo

oooooooooo

Cu2OAuAg2OAgSiO2FeOCaO2Cu9S8Cu39S28Cu46Cl24(OH)68.(H2O)4

Inte

nsid

ad (u

.a.)

2θ°

Dra. Márcia de A. Fantini, Laboratório de Cristalografia, IFUSP

Laboratório Louvre

ResearchResearch laboratory of the museums of France laboratory of the museums of France (LRMF)(LRMF)Diagnósticos, pequenos estudos em trabalhos

artísticos

aquisição (autenticação), restauração, exibição

Pesquisa

–Arqueometria

–Ciência da conservação

–Conservação preventiva Louvre

Estudos de Procedência usando análise PIXE Estudos de Procedência usando análise PIXE de elementos traçode elementos traço

Conteúdo de elementos traço usado como impressão digital em arqueologiaComparação com materiais geologicos Análise de dados estatisticamente Campos de Aplicação– Pedras– Pedras preciosas– Cerâmicas

LouvreResearch laboratory of the museums of France (LRMF)Research laboratory of the museums of France (LRMF)

Estatueta de Ishtar e Colar de Rubi

Proveniência da estatueta e dos rubis

X-ray energy (keV)

coun

ts

1

10

100

1000

10000

1e5

0 5 10 15 20 25

high energy X-ray detector spectrum

low energy X-ray detector spectrum

OK

Al K

Ti K V K CrK Fe K

Ga K

Iron(ppm)

Chr

omiu

m (p

pm) T T TTT

TT

TT

TT

T

TTT

V

V

VV

V

VV

V

V

VV

KKKK

KK

MM

MM

MM

MM

MM

MM

MM

MM

M M

MM

B BB

B B

B

B

B

B BBBB

B

B

B

B

B

B

B

B

BB

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B BB

B

B

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BB

B

B BB

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B

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BBB

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BBB B

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BBB

BBB

BBB BBB

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BB B BBB

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B

B

BB B

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B BB

B

BB

B

BB B

BBBB

B

B

BBBBB

BB

B

B

B

B

BBBB BBB

BB B

BB B

BBBB

BB

BBBB B B

BBBBBB

BBBBB B

BB

B

B BB BB

BBBB

BB

B

BBBBB BB BB BBB

B

B

B

B B

B

B

B

B

BB

A

A

AA

A

A AA

AAA

A AAB

BB

TT

TC CCVVV

SS

S

MMM

II

II

II

I

II

III

BB

BBB

B

B

B

BB

B

B

BB

B

B

B

X XX

XB

XX

XX

SSSSSS

SS

SS

SS

S

S

SSS

S

SS

SS

SSS

SS

S SS

S

S

S SS

S

SS S

SS

SS

S

SSS

S

S

S

S

SS

S

SSS

S

S

S

S

SS

B

T

10

100

1000

10000

10 100 1000 10000

Statuette of Ishtar

group IBurmaVietnam A

group IIAfghanistanSriLankaVietnam B

group IIIThailandCambodiaKenyaMadagascarIndia

Louvre

Conclusão

O uso dos aceleradores com técnicas nucleares analíticas para análises de materias no campo de Artes é muito útil principalmente devido as características não destrutivas destas técnicas.

O uso de feixe externo permite a análise de diferentes tipos de obras de arte.A combinação das técnicas PIXE-PIGE-RBS são frequentementes utilizadas.

A identificação de elementos traçosProcesso de confecçãoProcedência / Autenticação

•Otimizações do arranjo experimental •Competências específicas em cada área•Compatibilizar a linguagem

Colaboração com diferentes grupos de pesquisa.

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Obrigado !!!!