La radiazione Terahertz applicata ai beni culturali

Le migliori azioni di conservazione del patrimonio culturale sono quelle basate sulle analisi dei materiali e delle tecniche artistiche. Col passare del tempo, le comuni tecniche di analisi sono state interessate dall’evolversi della strumentazione che è divenuta sempre più smart; in altri casi, se ne sono sviluppate di nuove (nate generalmente per altri settori). Nell’arco degli ultimi 10 anni, nella lista delle tecniche non distruttive e non invasive per lo studio dei beni culturali sono state inserite la Spettroscopia Terahertz e l’Imaging Terahertz grazie al contributo di progetti che ne hanno permesso l’applicazione, tra i quali THz-ARTE e TISCH (Terahertz Imaging and Spectroscopy for Cultural Heritage).

La radiazione Terahertz (THz) ha un range di frequenza di circa 300 – 10 000 GHz e lunghezza d’onda di 1 mm – 100 µm. Tale intervallo è compreso tra la regione dell’IR e quella delle microonde (figura 1): per questo motivo, le onde elettromagnetiche possiedono caratteristiche comuni ad entrambe le bande adiacenti.

Fig. 1 - Range di frequenza della radiazione Terahertz.

Il suo utilizzo risulta idoneo nel campo dei beni culturali, perché permette di indagare le opere multistrato caratterizzandone i materiali; mentre, mediante l’imaging sottosuperficiale, è possibile rilevare dipinti nascosti da altri strati, difetti e distacchi strutturali. La radiazione THz penetra nei materiali opachi otticamente non polari (non metallici) molto di più rispetto ad altre tecniche (figura 2).

Fig. 2 - Differenti profondità di penetrazione, in funzione della della radiazione utilizzata.

La dott.ssa Jackson del progetto TISCH ha esaminato le pareti di varie chiese europee in Inghilterra, Francia e Lettonia, dove i dipinti erano nascosti sotto strati di intonaco e vernice, mentre Paola Italia e i suoi colleghi del progetto THz-ARTE hanno potuto leggere cosa si celava al di sotto di antichi cartigli, che erano stati incollati a nuove pagine sovrapposte (operazione non insolita per alcuni autori, volta a modificare i testi precedentemente scritti) .

Altre due caratteristiche importanti della radiazione THz sono la sensibilità all'acqua (presente nell’opera) e l’essere non ionizzante, perché caratterizzata da bassa energia e potenza. Inoltre, durante un’esposizione moderata, la radiazione non provoca danni al campione.

Le sorgenti di THz sono di varia natura, la scelta della sorgente dipende dal tipo di applicazione e nel campo dei beni culturali sono ampiamente utilizzati i laser ad elettroni liberi (FEL): un fascio di elettroni liberi accelerato a velocità relativistiche che interagisce con una struttura magnetica detta ondulatore magnetico. Il fascio di elettroni, passando nell’ondulatore, oscilla su una traiettoria sinusoidale, producendo radiazione elettromagnetica. Variando l'energia del fascio di elettroni, si ottiene un’emissione laser a qualsiasi lunghezza d'onda.

Gli strumenti THz si possono suddividere in due tipi:

• quelli basati sul dominio nel tempo, i quali utilizzano impulsi di pochi picosecondi per creare una frequenza fino a 3 THz. Mediante il segnale registrato è possibile rivelare riflessioni dovute a discontinuità sub-superficiali sia che si lavori in riflessione che in trasmissione;

• quelli basati sul dominio della frequenza, i quali utilizzano un'onda continua o breve (millisecondi). I dati vengono presi un punto di frequenza alla volta e, per questo motivo, il tempo di misurazione è più lungo.

La principale limitazione dell’imaging THz è legata allo scattering della radiazione, che può limitare la profondità di penetrazione della radiazione; inoltre, il costo dei laser è ancora alto rispetto alle tecnologie tradizionali. Ciò nonostante le tecniche THz, affiancate a quelle comunemente utilizzate, permettono la conferma dei risultati e all’ampliamento delle informazioni ottenute dall’opera in esame.

Emanuele 

Bibliografia 

Cosentino A. (2016) Terahertz and Cultural Heritage Science: Examination of Art and Archaeology. Technologies 4, 6. 

Jackson J.B. (2016) TISCH - Terahertz Imaging and Spectroscopy in Cultural Heritage: applications in archaeology, architecture and art conservation science. Advanced Photonics 2016 (IPR, NOMA, Sensors, Networks, SPPCom, SOF).