Makro fluorescencja rentgenowska – Makro XRF

Dysponent: Uniwersytet Mikołaja Kopernika; Akademia Sztuk Pięknych w Krakowie

Kontakt: prof. dr hab. Piotr Targowski koperta (UMK); dr Małorzata Walczak koperta (ASP)

Opis metody

Metoda makroXRF jest odmianą znanej metody określania składu pierwiastkowego obiektu (pigmentu, materiału) za pomocą pomiaru energii emitowanego wtórnie charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego. Podstawowa różnica polega na umieszczeniu głowicy pomiarowej na szynach umożliwiających przemieszczanie w kierunkach X i Y , w płaszczyźnie równoległej do powierzchni badanej i uzyskanie danych o składzie pierwiastkowym odrębnie w każdym punkcie tej powierzchni. Dane te zazwyczaj prezentowane są w postaci map, na których natężenie koloru  wdanym puncie odpowiada koncentracji danego pierwiastka.

Zastosowanie

W dziedzinie badania obiektów zabytkowych metoda znajduje zastosowanie przede wszystkim do badania:

  • rozkładu pierwiastków wchodzących w skład pigmentów i warstw metalicznych (np. złoceń) tworzących warstwę malarską obrazów sztalugowych i ściennych
  • ujawniania przemalowań i innych ingerencji konserwatorskich
  • składu pierwiastkowego atramentów zawierających komponenty nieorganiczne (szczególnie żelazowo-galusowych), komponentów inicjałów i innych zdobień rękopisów
  • komponentów szkła zabytkowego (szczególnie witrażowego) oraz farb szkliwionych
  • komponentów, szczególnie szkliwa, obiektów ceramicznych
  • pierwiastków wchodzących w skład obiektów archeologicznych

Instrument

W badaniach wykorzystywany jest instrument M6 JetStream produkcji Bruker Nano GmbH w Belinie wraz z oprogramowaniem fabrycznym o następujących podstawowych danych technicznych:

  • źródło promieniowania rentgenowskiego: lampa z anodą rodową (Rh) chłodzona powietrzem, U=50 kV, 600 μA, z soczewka polikapilarną
  • detektor: SDD (Silicon Drift Detektor) 30 mm2 z oknem cyrkonowym (Zr), zdolność rozdzielcza: 150 eV
  • maksymalny obszar skanowania: 60 x 78 cm2
  • minimalny rozmiar plamki promieniowania (zdolność rozdzielcza): 50 μm
  • maksymalna szybkość skanowania 100 mm/s
  • czas pomiaru w jednym pikselu: regulowany, zazwyczaj 10 – 50 ms
  • ustawiany rozmiar piksela: 50 μm, 100 μm, 250 μm, 400 μm, 650 μm
  • Maksymalna ilość pikseli w skanie: ok 1 200 000

Przykładowe maksymalne rozmiary obszaru skanowania wraz z czasem badania:

ustawiony rozmiar plamki [μm] maksymalna powierzchnia skanowania [cm2] przykładowy obszar skano-wania [cm2] ilość pixeli czas badania [hh:mm]
10 ms w pixelu 20 ms w pixelu 40 ms w pixelu
650 4680 60 x 78* 1 107 692 6:10 10:10 18:10
400 1936 44 x 44 1 210 000 5:52 10:14 18:58
250 784 28 x 28 1 254 400 5:53 10:05 19:08
100 121 11 x 11 1 210 000 4:51 9:13 17:58
50 30,25 5,5 x 5,5 1 210 000 4:41 9:03 17:48

* obszar maksymalny

  • Wykrywane pierwiastki: od siarki (S16), pomiar wyłącznie w powietrzu, detekcja linii Ag-Lα (2.983 keV) niemożliwa z uwagi na obecność linii Ar-Kα (2,958 keV)

Warunki badania

Aktualnie nie przewiduje się transportu spektrografu do obiektu. Obiekty mogą być badane zarówno w położeniu pionowym, jak i poziomym (Rys. 1). w tym drugim przypadku obiekt musi zmieścić się pomiędzy podporami – rozpiętość: 110 cm. Instrument zasadniczo przeznaczony jest do badania rozkładu na powierzchni płaskiej ponieważ głowica pozostaje podczas badania w jednej płaszczyźnie. Niewielkie odchylenia będą skutkować pogorszeniem zdolności rozdzielczej w płaszczyźnie obiektu. Instrument zasadniczo nie pozwala na określenie rozkładu pierwiastków w głąb obiektu. Należy również uwzględnić przenikalność promieni przez obiekt i obecność sygnałów niepożądanych (np. od  odwrotnej strony karty rękopisu).

makroXRF1

Rys. 1. Sposób pomiaru Instrumentem M6 makro XRF

Format wyników

Wyniki dostarczane są w postaci map koncentracji pierwiastków wraz fotografią za której oznaczony jest dokładny obszar badania oraz z widmem zbiorczym dla całego obszaru. W uzasadnionych przypadkach możliwe jest uzyskanie widm emisji wybranych obszarów o dowolnym kształcie wraz z orientacyjną koncentracją (wagowa i atomową) występujących w nich pierwiastków.  Poprawne określenie wzajemnych koncentracji pierwiastków należy uznać za zazwyczaj niemożliwe, chociaż względne tego samego pierwiastka w obszarach o podobnej budowie (szczególnie jeżeli warstwa z pierwiastkiem leży bezpośrednio na powierzchni obiektu) można uznać za wiarygodne.

makroXRF2

Rys. 2. Przykład mapy rozmieszczenia pierwiastków

Przykładowe wyniki (bibliografia):

  1. strona producenta: https://www.bruker.com/products/x-ray-diffraction-and-elemental-analysis/micro-xrf-and-txrf/m6-jetstream/technical-details.html
  2. Alfeld, M., Vaz Pedrozo, J., van Eikema Hommes, M., Van der Snickt, G., Tauber, G., Blaas, J., Haschke, M., Erler, K., Dik, J. & Janssens, A mobile instrument for in situ scanning macro-XRF investigation of historical paintings. Anal. At. Spectrom, 28: 760-767, (2013).
  3. Targowski, M. Pronobis-Gajdzis, A. Surmak, M. Iwanicka, E.A. Kaszewska, M. Sylwestrzak, „The application of macro-X-ray fluorescence and optical coherence tomography for examination of parchment manuscripts”, Studies in Conservation, 60(S1) S167-S177, doi: 10.1179/0039363015Z.000000000221, (2015)