Ottimizzazione e utilizzo di un apparato per radiografia e tomografia applicato alle analisi sui Beni Culturali

pagina 1 
Introduzione: il progetto “neu#ART” _
Introduzione: il progenull o “neu_ART”

 		 




 	     	
     			   	 	  !
			 " 
#"$
"#"%!&	'		(		
#)	*	*	+,

				-		!			
	..		/	.	
			0*	,)	.	
	-  		   	   .	 
		!,
 1	 	  		 

    1		

	

.	. 
2, .3
				,
			
		 			   	  .   3 
	**($/4/4	%		
   35, *  	 .  1	
	 '   	  	  	  
 .  6/6 ,   		   
	     .  	  *	 
*  	  + 
2
,
,    	  	.  		 
	3		,
		
		3	6
247+	**($/4/4	%,

 
2
(	.	(		,8"**+
pagina 2 
Introduzione: il progetto “neu#ART” _
			/9	
..  .   	 		
!		 	,   	   : 	 
		,
6, 		;<!
 	, + 		  .   3 	  
	))(
	

$		6
=%,
>, )	  .			'  !	  .   	.
 		 		 	   !	 			 
	  	 	', 
.		  	 -  	 
	3.		
   	  	  
  .
. 	 		  1 			 		
.   
	
, )  1  .  
	13,

1		!	

	

    		 			  		 	  		 
		.	.0*	,
"				-
	 	  	 	. 			  !	 	  		 
		-	..,

 		 

   1	 	 - 	 		
					
	  	    .       
				,
pagina 3 
Premessa 
Premessa
Preme ssa 
Il lavoro svolto per la produzione di questo elaborato si è articolato in più 
fasi,  con  il  fine  ultimo  di  vedere  l’applicazione  pratica  delle  tecniche 
radiografiche su opere di valore storico – artistico.  
La prima fase ha preso avvio grazie al lavoro preliminare della Dott.ssa 
Iudica,  che  prima  di me  si  era occupata  della  messa  in  opera dell’apparato 
radiografico.  Da  qui  si  è  proceduto  con  la  caratterizzazione  del  sistema  di 
movimentazione del detector, con l’ausilio di un interferometro.  
Stabilite le caratteristiche del movimento del rivelatore lungo gli assi XY, 
si è proseguito con l’analisi del comportamento del sistema sorgente – detector. 
Si sono quindi ricercati i due parametri utili alla definizione dell’apparato: il 
numero  di  livelli  di  grigio  effettivamente  utilizzati  per  la  rappresentazione 
dell’immagine radiografica e la risoluzione spaziale, ovverossia la dimensione 
del minimo dettaglio identificabile nella radiografia.  
Dal  momento  che  entrambi  i  parametri  dimostravano  un  ottimo 
comportamento del sistema, si sono testate le potenzialità della strumentazione 
attraverso dei provini. Questi ultimi sono stati fatti fare in modo da poter avere 
una panoramica sulla maggior parte dei materiali utilizzati dagli artisti per le 
proprie  rappresentazioni  artistiche.  Si  sono  quindi  analizzati  dei  provini  di 
differenti specie lignee, delle tavole lignee dipinte alla maniera antica, una tela, 
dipinta sia a modo tradizionale sia moderno, delle leghe metalliche e un vaso 
moderno al cui interno erano stati nascosti degli oggetti. Tutte le analisi hanno 
dimostrato  un  ottimo  comportamento  dell’apparato  su  tutti  i  provini,  pur 
considerando  la  tensione  massima  sostenibile  dal  detector  più  usato  per  le 
analisi.  
L’ultima fase ha permesso di vedere applicate entrambe le tecniche su 
diverse  opere  di  valore  culturale.  Sono  pertanto  stati  analizzati  dei  reperti 
pagina 4 
Premessa 
archeologici  e  dei  manufatti  del  Museo  di  Antropologia  ed  Etnografia 
dell’Università  di  Torino.  Sui  primi,  di  natura  metallica,  è  stata  effettuata 
un’indagine  radiografica  al  fine  di  studiarne  lo  stato  di  conservazione  e  la 
presenza di decorazioni nascoste dalle incrostazioni e dalla terra che li ricopre. 
Per  due  dei  reperti  del  Museo  di  Antropologia  è  stato  possibile  effettuare 
l’analisi  radiografica,  al  fine  di  conoscerne  le  tecniche  costruttive.  Sul  terzo 
reperto, invece, ci si è avvalsi della tecnica di tomografia computerizzata, che ha 
permesso  l’individuazione  di  punti  critici  per  lo  stato  di  conservazione  del 
reperto stesso e la conoscenza del materiale costitutivo dei sonagli nel suo 
interno. 
In considerazione delle fasi sperimentali sopra descritte, la presente Tesi 
si articola in cinque Capitoli. Il primo, di natura prettamente teorica, espone una 
breve panoramica circa le tecniche radiografiche, gli usi, i limiti e le potenzialità. 
Il secondo presenta la strumentazione utilizzata per la Tesi, mentre il terzo 
espone  tutte  le  analisi  di  caratterizzazione  dell’apparato  stesso.  Il  quarto 
capitolo riporta l’elaborazione dei dati ottenuti dalle analisi sui provini. Il quinto 
capitolo espone infine i risultati ottenuti tramite l’applicazione delle tecniche 
radiografiche su Beni Culturali.  
 
  
capitolo 1
1.1_I raggi X
1.2_La radiografia
1.2.1_La strumentazione
1.2.2_Le proprietà
1.3_La tomografia computerizzata
pagina 5 
Le tecniche radiografiche applicate ai Beni Culturali 
Le tecniche radiografiche applicate ai Beni Culturali
Le tecniche radiografiche applicate ai Beni Culturali 
La  sistematica  applicazione  dei  metodi  scientifici  al  mondo  dell’arte, 
dell’archeologia e dei beni culturali in senso lato, in Europa inizia a svilupparsi 
solamente a partire dalla fine del XVIII sec. 
���
. Negli anni successivi si radica la 
profonda consapevolezza che la scienza può dare un apporto sostanziale agli 
studi  umanistici:  si  adattano  all’ambito  diagnostico  tecnologie  nate  in  altri 
settori e se ne sviluppano di nuove. Nasce quindi la cosiddetta  conservation 
science, che vede tutti gli ambiti scientifici al servizio della conoscenza, della 
diagnostica, del restauro dei beni culturali.  
I metodi fisici trovano, in quest’ottica, numerose applicazioni di rilievo, 
perché permettono di ottenere informazioni non solo sui materiali componenti 
l’oggetto in sé, ma anche sulle tecniche costruttive, sul periodo di produzione, 
sulle alterazioni in atto, sugli interventi di restauro già effettuati e sulle migliori 
condizioni di conservazione. Nel novero di tecniche disponibili, si privilegiano 
quelle che riescono a fornire notizie circa l’oggetto artistico senza che questo 
subisca modifiche di carattere estetico o strutturale. 
Il desiderio di conoscere in modo più approfondito le opere d’arte, anche 
nelle parti non visibili, la ricerca di strategie sempre più adeguate in termini di 
conservazione  e  restauro  degli  oggetti  artistici,  la  necessità  intellettuale  di 
trovare risposte a domande mai poste prima, hanno trovato nelle tecniche di 
diagnostica non invasiva la soluzione scientificamente più sicura, attendibile e 
rispettosa. 
Attualmente,  per  svolgere  questo  compito,  la  tecnologia  mette  a 
disposizione  tre  principali  tipologie  di  sorgenti:  le  onde  sonore,  i  fasci  di 
particelle (cariche o neutre) e le radiazioni elettromagnetiche. In questa ultima 
tipologia rientrano le sorgenti maggiormente utilizzate: i raggi X e i raggi γ. 
 
pagina 6 
Le tecniche radiografiche applicate ai Beni Culturali 
1.1. I raggi X 
La scoperta dei raggi X è avvenuta l’8 novembre 1895, quando il fisico 
tedesco  Wilhelm  C.  Roentgen, 
lavorando  con  un  tubo  a  raggi 
catodici,  si  rese  conto  che  i  raggi 
provenienti  dal  tubo  riuscivano  a 
penetrare nei materiali opachi e a 
impressionare  le  pellicole 
fotografiche. Roentgen ebbe modo 
di  osservare  che  la  capacità  di 
penetrazione  diminuiva 
all’aumentare  della  densità  degli 
oggetti  attraversati.  Questa 
caratteristica, unita all’impossibilità 
di deviare il fascio con un campo 
magnetico (capacità propria delle particelle cariche) e di osservare figure di 
interferenza e di diffrazione (tipiche delle onde), acuì la curiosità dello scienziato 
che diede ai raggi il nome di raggi X, mutuando dal linguaggio convenzionale 
matematico il senso di mistero di un’incognita 
���
. 
Gli studi successivi, da Haga e Wind (1899), a Laue (1912) e a Bragg 
(1912), per citare solo i più famosi, permisero di provare la compresenza del 
comportamento  corpuscolare  e  ondulatorio  dei  raggi  X.  Gli  studi  che 
succedettero a queste prime fasi consentono oggi di affermare che i raggi X 
sono onde facenti parte dello spettro elettromagnetico, costituite da fotoni di 
energia compresa tra qualche decina di KeV e qualche MeV, con lunghezze 
d’onda comprese tra 10
��
 e 10
���
 m 
���
.  
Figura 1: Fotografia di Wilhelm Roentgen. 
pagina 7 
Le tecniche radiografiche applicate ai Beni Culturali 
    
Figura 2: Lo spettro elettromagnetico, da: www.fmboschetto.it. 
Così come sostenuto da Lang e Middleton, i raggi γ e i raggi X presentano 
alcune caratteristiche fondamentali:  
1. non sono suscettibili dell’azione di campi elettrici o magnetici;  
2. viaggiano in linea retta alla velocità della luce;  
3. penetrano  nei  materiali  venendo  attenuati  in  funzione  della  densità 
dell’oggetto attraversato e del suo spessore;  
4. impressionano  pellicole  fotografiche  causando,  in  alcuni  materiali, 
fluorescenza;  
5. non sono visibili all’occhio umano; 
6. sono pericolosi per i tessuti umani perché danneggiano irreparabilmente 
le cellule 
���
.  
 
I raggi X possono essere generati attraverso due differenti procedimenti: 
1. Nel  momento  in  cui  un  fascio  di  elettroni  subisce  una  variazione  di 
velocità  si  provoca  l’emissione  di  fotoni  noti  come  radiazione  di 
frenamento o bremsstrahlung. Questa radiazione è caratterizzata da uno 
spettro continuo per tutte le lunghezze d’onda e quindi per tutte le 
energie.  
pagina 8 
Le tecniche radiografiche applicate ai Beni Culturali 
2. Quando un elettrone dei livelli più interni di un atomo viene rimosso 
dall’orbitale, un altro elettrone dagli strati più esterni va a colmare la 
lacuna  creatasi.  In  questo  salto  quantico,  si  ha  un’emissione  di 
radiazione  elettromagnetica  con  un’energia  pari  alla  differenza  tra  le 
energie dei due livelli interessati; tale differenza ricade nell’intervallo 
energetico dei raggi X ed è caratteristica dell’elemento che ha emesso i 
fotoni.  In  questo  secondo  caso,  quindi,  non  si  ottiene  uno  spettro 
continuo  di  energie,  ma  uno  spettro  denominato  a  righe,  perché  si 
hanno picchi solo in corrispondenza delle energie caratteristiche di ogni 
atomo. 
              
           Figura 3: Rappresentazione schematica del processo di produzione dei raggi X, da:     
www.scienzagiovane.unibo.it/favole/tac/raggiX. 
 
È possibile ottenere raggi X dall’unione dei due procedimenti sopra descritti: in 
questo  caso,  si  otterrà  uno  spettro  dovuto  alla  sovrapposizione  dei  due 
fenomeni, con una banda continua, dovuta alla radiazione di frenamento, e i 
picchi relativi alle energie caratteristiche dell’elemento.  
pagina 9 
Le tecniche radiografiche applicate ai Beni Culturali 
 
Figura 4: Esempio di uno spettro continuo e spettro caratteristico, da: 
www.scienzagiovane.unibo.it/favole/tac/raggiX. 
 
Quando un fascio di raggi X colpisce la materia, in parte viene assorbito 
all’interno del materiale attraversato e in parte viene diffuso. L’intensità del 
raggio trasmesso sarà data dalla legge di Lambert‐Beer:  
���
�
��
���
 
dove: 
 �
�
 = intensità del raggio incidente 
 �  = coefficiente di attenuazione lineare o di assorbimento 
�  = spessore del materiale attraversato 
Il coefficiente di attenuazione lineare �, espresso in ��
��
, indica lo spessore di 
materiale necessario per attenuare il fascio di una quantità pari a 1/e, e dipende 
da  un  lato  dall’energia  dei  raggi  usati,  dall’altro  dalla  densità  dell’oggetto. 
L’assorbimento  è  infatti  dovuto  all’insieme  delle  differenti  interazioni  che  i 
fotoni  possono  avere  con  la  materia:  effetto  fotoelettrico,  effetto  Rayleigh, 
effetto Compton, produzione di coppie 
���
.  
L’effetto fotoelettrico, scoperto da Hertz nel 1887 e studiato anche da Einstein 
nel 1905
2
, è un fenomeno tale per cui, in seguito all’esposizione a radiazioni 
elettromagnetiche,  si  ha  la  liberazione  di  cariche  elettriche  da  parte  del 
materiale  esposto.  Quando  un  fotone  colpisce  un  atomo  cedendo 
                                                             
2
 Per questo studio, nel 1905 vinse il Nobel. 
pagina 10 
Le tecniche radiografiche applicate ai Beni Culturali 
completamente la sua energia a 
un  elettrone  delle  shell  più 
interne,  questo  viene  espulso 
dall’orbitale.  Il  fotoelettrone 
generato  acquisisce  un’energia 
cinetica  pari  alla  differenza  tra 
l’energia del fotone incidente e il 
lavoro di estrazione; tale energia 
cinetica permette alla particella 
carica di muoversi nel materiale 
e di scalzare altri elettroni dai propri orbitali. La vacanza creatasi in seguito 
all’espulsione dell’elettrone viene colmata tramite un elettrone degli strati più 
esterni che ricade in quelli più interni emettendo raggi X, oppure tramite un 
elettrone  Auger
3
.  La  sezione  d’urto  relativa  all’effetto  fotoelettrico,  cioè  la 
probabilità che tale fenomeno avvenga, è direttamente proporzionale a  �
�
�
�
⁄  
(con 4<m<5 e 1<n<3,5). 
L’effetto Rayleigh è lo scattering o diffusione elastica della radiazione incidente: 
vi è solamente una debole interazione tra i raggi X incidenti e gli elettroni degli 
strati  più esterni, tanto  che 
l’energia  del  fascio  dopo 
l’urto  è  invariata  rispetto  a 
quella prima dell’urto. 
L’effetto  Compton,  o 
scattering  anelastico,  è  un 
fenomeno fisico che prevede 
l’interazione anelastica tra il 
fotone  incidente  e  un 
                                                             
3
 Al crescere della massa atomica, la vacanza tende a essere colmata maggiormente con l’emissione di 
elettroni Auger piuttosto che tramite emissione di raggi X.  
Figura 6: L'effetto Compton, da: Fosbinder et al, 2002.
Figura 5: L'effetto fotoelettrico, da: Fosbinder et al, 2002