Protoni accelerati come sonda dei beni culturali: l’emissione di Raggi X indotta da protoni (PIXE)

La diagnostica e la conservazione dei beni culturali richiedono spesso come primo step dell’analisi un rapido studio del volume del manufatto che sia in grado di identificare se vi sono elementi chimici degni di uno studio aggiuntivo. In tal caso, questi saranno condotti con maggiore risoluzione spaziale; al contrario, se la superficie risulterà pulita, l’analisi continuerà in un’altra zona del manufatto. 

In passato nel blog abbiamo già parlato di diverse spettroscopie di superficie capaci di fornire informazioni chimiche sul campione, ad esempio la spettroscopia di Fotoluminescenza di raggi X (XRF), la spettroscopia di Fotoemissione o la Raman . 

Oggi parleremo di tecniche più sofisticate e costose, basate sulla fisica nucleare come l’Emissione di Raggi X o Gamma indotta da Protoni (PIXE e PIGE). In questo caso, particelle pesanti come i protoni sono impiegate per creare delle vacanze nei livelli elettronici più interni degli atomi del campione. I raggi X e Gamma, generati dalla diseccitazione delle vacanze, sono misurati rispetto alla propria energia, la quale dipenderà dalla chimica degli elementi presenti nel sistema analizzato. Il vantaggio della PIXE, rispetto alla XRF, verte sulla possibilità di focalizzare e guidare i protoni su percorsi più lunghi senza perdita di intensità, favorendo fluenze sul campione molto più elevate. Tuttavia, questi studi richiederebbero acceleratori di particelle in laboratori dedicati e particolari condizioni, come il controllo della temperatura o la stabilizzazione dell’ultra-alto vuoto. 

Il fascio di particelle incidenti, formato da protoni con energia media di 1-5MeV, è classicamente prodotto in compatti ciclotroni. Ma quali sono i principi alla base di questo acceleratore? Una particella carica q e velocità v, sottoposta a un campo magnetico B, risente della forza di Lorentz F, la cui intensità è data da: F=qvB e la direzione è tale da indurre la carica a muoversi lungo un’orbita circolare. Nel ciclotrone, quindi, gli ioni sono immersi in un campo magnetico e seguono traiettorie circolari in due camere di metallo semicircolari chiamate D. Quando gli ioni sono all’interno dei D sentono solo il campo magnetico e la loro traiettoria è circolare. Nel gap tra i due D gli ioni vengono accelerati da un campo elettrico. Ad ogni semigiro il campo elettrico tra i D viene invertito, acquistando velocità. 

Esempio schematizzato del funzionamento di un ciclotrone

La spettroscopia PIXE condotta in laboratori tradizionali richiede lunghi tempi di acquisizione, con conseguente maggiore probabilità di danneggiamento del campione. Inoltre, si tratta di metodi diagnostici difficilmente adattabili e tunabili: cambiare l’energia delle particelle accelerate può richiedere almeno decine di minuti. Per tale ragione, Barberio et al. nel loro studio hanno condotto misure PIXE con protoni accelerati mediante l’utilizzo di radiazione laser. Si tratta di un fascio di impulsi di 700 fs con lunghezza d’onda di 1054 nm che sono focalizzati su un target solido in grado di generare protoni accelerati grazie al meccanismo TNSA (per gli interessati: http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/IPAC2014/papers/tupme033.pdf). 

La tecnica è stata quindi impiegata per analizzare bronzo, argento e oro puro, marmo di Carrara e una ceramica antica: i risultati sono in accordo con le misure XRF. Inoltre, questo assetto sperimentale presenta alcuni vantaggi, che risultano importanti per campioni appartenenti ai beni culturali: (i) consente di variare la fluenza incidente accumulando l’effetto di un treno di impulsi, (ii) essendo il tempo tra due impulsi successivi sufficientemente lungo, le elevate temperature indotte hanno il tempo di abbassarsi, riducendo eventuali effetti di danneggiamento, (iii) è possibile cambiare l’energia delle particelle. 

Alessandra 

Bibliografia:
M. Barberio, S. Veltri, M. Scisciò & P. Antici, Laser-Accelerated Proton Beams as Diagnostics for Cultural Heritage, Scientific Reports volume 7, Article number: 40415 (2017)
C. Mencuccini, V. Silvestrini, Fisica 2. Elettromagnetismo-ottica, Liguori Editori