I dimostratori per le diagnostiche

I dimostratori per le diagnostiche
A. Palucci
Responsabile Laboratorio Diagnostiche e Metrologia ENEA FSN‐TECFIS‐DIM CR Frascati
WORKSHOP PROGETTO COBRA
TECNOLOGIE ENEA PER I BENI CULTURALI MATURE PER IL TRASFERIMENTO TECNOLOGICO: DISPONIBILITÀ E PROSPETTIVE 26 gennaio 2016
Via Giulio Romano n. 41 – Roma
Sommario
Presentazione • Tecnologie a supporto delle indagini per I Beni Culturali
• 4 tecnologie laser e rispettivi dimostratori low cost
• Dimostratore PIXE basato su acceleratore di protoni
• Supporto analisi dati e sovrapposizione di immagini iperspettrali e strutturate
• Sala dedicata alla pulitura ed indagine laser per operatori esterni
Il Laboratorio Diagnostiche e Metrologia
Il Laboratorio DIM da oltre 20 anni ha sviluppato
tecnologie e brevettato sistemi diagnostici innovativi ad
alto potenziale di applicazione nella filiera dei Beni
Culturali, al fine di migliorare la conoscenza, la
conservazione e la fruizione delle opere d’arte.
2D LIF large area Laser scanning
3D Laser scanning RGB‐ITR
Apparato LIBS sottomarino
Sistema laser scanning 3D sottomarino
Sviluppato in collaborazione Univ. Malaga
Apparato LIBS da laboratorio
5.1.1. La tecnologia RGB‐ITR – il prototipo basato su brevetto ENEA
Il sistema RGB‐ITR è stato sviluppato per ottenere modelli 3D a colori di ampie superfici, tipicamente volte e grandi pareti dipinte di edifici monumentali. E' stato comunque usato con successo anche su vari substrati anche fragili (icone, tessuti) e con dettagli in rilievo (basso rilievi, altorilievi, statue)
Vista 3D a colori RGB-ITR
dell’icona di Santa Caterina di
Antonio Vivarini (XV secolo).
Progetto bilaterale Italia (ENEA)
Serbia (CIK)
Modello 3D a colori «Giudizio universale di Lorenzo and Bartolomeo Torresani (Oratorio di San Pietro Martire, Rieti)
5.1.1. La tecnologia RGB‐ITR
Giorno
Il Sistema opera senza essere influenzato dalla luce ambiente
Notte
Giorno
Notte
Notte
Giorno
Notte
Loggia di Amore e Psyche, Villa Farnesina (Roma) Raffaello Sanzio (20m‐long x 7.5m‐large x 10m high). Giorno
5.1.1. La tecnologia RGB‐ITR
Digitalizzazione parziale 3D a colori dei Bronzi di Riace ottenuta con il Sistema RGB‐ITR.
A destra la statua del Giovane mentre a sinistra quella denominate il Vecchio.
Confronto tra pre e post‐processing dei modelli 3D ottenuti
I modelli 3D ottenuti possono essere visualizzati con software commerciale disponibile anche su dispositivi mobili
5.1.1. Dimostratore per l’acquisizione di modelli 3D in luce strutturata –
Il dimostratore «low cost»
Sistema a basso costo COBRAKIN per il monitoraggio
di interni (ad es. spazi museali) in grado di fornire
una vista 3D a 360° dell’ambiente che circonda il
sensore per ogni singolo shot.
Il sistema sarà composto da 4 unità basate su luce
strutturata (griglia di punti emessa nel vicino IR) e
una fotocamera nel visibile in grado di restituire una
nuvola di punti colorata. I 4 sensori saranno connessi
ad un miniPC (due qualora le prestazioni dovessero
degradare in modo significativo) con elevate
prestazioni grafiche in grado di fornire in real‐time
l’immagine anche su dispositivi mobile.
L’innovazione di COBRAKIN consiste nello sviluppo di
un software dedicato in grado di monitorare in 3D a
360° l’interno di una stanza museale e di restituire in
live streaming su piattaforma mobile le immagini
acquisite
5.1.2 Sensore a scansione per imaging di fluorescenza indotta da laser (LIF) – prototipo ENEA brevettato Il sistema LIF (Laser Induced Fluorescence) Scanning a scansione di linea è uno strumento portatile che permette la diagnostica di superfici mediante lo studio dell’emissione di fluorescenza indotta dalla radiazione laser. Chiesa Santa Caterina della Rosa dei Funari
Le immagini 2D in fluorescenza e la ricostruzione di immagini in falsi colori, ottenute dall’elaborazione dei dati, permettono l’individuazione di aree sottoposte a processi di degrado o a precedenti interventi di restauro.
Chiesa SS. Trinità Hrastovlje (Slovenia) 5.1.2 Sensore a scansione basato su fluorescenza indotta da laser (LIF)
Tecnica di indagine rapida, non invasiva, operante a distanza (circa 20 m), e per tali caratteristiche
particolarmente vantaggiosa in applicazioni nel campo dei beni
culturali.
Battistero di Padova
Confronto tra immagini convenzionali e composite relative alla fluorescenza emessa a 293nm, corrispondente a MOVILITH/PRIMAL AC33. Destra
la composizione della cupola, mentre in alto una
parte del tamburo. La scala dei grigi corrisponde
alla concentrazione del consolidante.
5.1.2 Sensore a scansione basato su fluorescenza indotta da laser (LIF)
Grazie a componentistica di ultima
generazione è in corso la miniaturizzazione
del sistema LIF a scansione di punto. Il
sistema, low cost, consentirà l’analisi dalla
distanza di due metri di un metro quadrato
con risoluzione di circa 5 mm in meno di 10
minuti.
Un micro embedded pc permetterà di gestire
le varie periferiche, grazie ad elettronica e
software appositamente sviluppati.
E’ previsto, inoltre, lo sviluppo di un
applicazione per piattaforme Android che
consenta di gestire la misura da smartphone
e tablet
Scheda elettronica di controllo del dispositivo
Il dimostratore «low cost»
20 cm x 20 cm x 30 cm
5.2 Due dimostratori laser spettroscopici in situ operanti a distanza inferiore al metro: uno per il LIBS (microdistruttivo, con possibilità di stratigrafia) e uno per Raman (non distruttivo, con possibilità di imaging)
ILS un prototipo ENEA per utilizzo remoto da campo
Sistema integrato per misure a distanza LIBS ecc = 1064 nm), Raman
(ecc = 266 nm) e LIF (ecc = 266/355 nm).
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Test LIBS su campioni in mare
In collaborazione Univ. Malaga
Analisi LIBS su campioni di interesse culturale: frammenti di ceramica
periodo Teotihuacan, 150 ac ‐350 dc (collaborazione con Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico, Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), México DF.
Concentration with respect to the bulk
Campioni ferro a - 30 m
Distanza tipica : 10.5 m (range 8 ‐ 30 m)
Due videocamere a colori: visione intera e di dettaglio (foto)
Movimentazione fine
Apparato controllabile tramite Wi‐Fi remota
Spettro LIBS 200‐850 nm in singolo colpo
Possibilità di effettuare profilazione
Composizione atomica ricavata da red pigment
spettro LIBS
white pigment
2.6
2.4
brown coating
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
Si Fe Mg Ca Al CN Mn Sr K Na Ti Ba
5.2 Due dimostratori laser spettroscopici in situ operanti a distanza inferiore al metro: uno per il LIBS (microdistruttivo, con possibilità di stratigrafia) e uno per Raman (non distruttivo, con possibilità di imaging)
Il dimostratore «low cost»
Schema a blocchi del doppio sensore LIBS – Raman
Nell’ambito del progetto COBRA sarà
realizzato un dimostratore LIBS-Raman per
misure locali combinate, anche in situ. Il
sistema combinato potrà essere utilizzato
con una sorgente laser operante a 532 nm
con impulsi della durata di 8 ns.
Il dimostratore sarà indirizzato al riconoscimento di pigmenti e leganti su opere d’arte.
Per quanto riguarda le analisi LIBS, nell’intervallo individuato si trovano molte righe di
emissione elettroniche degli elementi costituenti i pigmenti inorganici (Cu, Al, Ti, Mg,
Mn, Ni, Pb, Ag, V, …).
5.3 Dimostratore THz imaging
Caratteristiche del dimostratore:
‐ apparato sperimentale basato su tecnica TDS (time‐domain spectroscopy)
‐ adatto per imaging spettroscopico di campioni con superficie di diversi cm2
‐ emissione al THz prodotta con sorgente laser al femtosecondo (TECFIS C.R. Casaccia)
‐ intervallo spettrale  0.1‐3.5 THz
Imaging al THz:
rivelazione di strutture e dettagli nascosti o ricoperti in materiali vari
individuando finestre di trasparenza nell’intervallo spettrale
Spettroscopia al THz:
identificazione di specie chimiche attive nell’intervallo spettrale presenti nel campione
rif. : [email protected]
Possibili sviluppi:
‐ misure in riflessione
‐ portabilità (con componentistica e laser miniaturizzati)
5.6 Dimostratore di PIXE basato su acceleratore di protoni con fascio impulsato
Proton Induced X‐ray Emission
 analisi di superficie (profondità decine di micron)
 analisi multi‐elementale, rapida, quantitativa, alta sensibilità (ppm)  analisi simultanea ad altre tecniche Ion Beam Analysis che forniscono informazioni complementari  misure totalmente non invasive e non distruttive
FACILITY D’IRRAGGIAMENTO A BASSA ENERGIA (Iniettore TOP‐IMPLART)
 Energia: 3 – 7 MeV
 Corrente: nA scale
 Regime Impulsato (durata: 10 sec; frequenza ripetizione: fino a 50Hz)
 Movimentazione campione
 Rivelatore RX: Silicon Drift Detector (Amptek SDD) TEST CON FASCIO AD ALTA ENERGIA (Acceleratore TOP‐IMPLART)
 Energia: fino a 35 MeV
 Corrente: nA scale
 Regime Impulsato (durata 4 msec; freq.ripetizione fino a 15Hz)
 Collaborazione con INFN Laboratorio di Tecniche Nucleari per i Beni Culturali (LABEC, Firenze), confronto PIXE (non distruttiva) con LIBS (microdistruttiva)
Laboratorio FSN‐TECFIS‐APAM Dr. Luigi Picardi
5.4 Sistema di algoritmi per estrazione automatizzata di caratteristiche importanti per il restauro Foto della Cartapesta del Sansovino con evidenziata l’area di cui sono presentate le analisi
Immagine RGB in falsi colori (a destra)
da immagini in fluorescenza a 446
(carta), 380 (bianco zinco) e 300
(Paraloid) nm rispettivamente (a
sinistra).
Merging fra dati di fluorescenza e di riflettanza
Analisi PCA ‐ sono state individuate 2 bande significative a 300
nm e 446 nm e 2 bande di minore intensità a 380 nm e 580
nm (come si nota dalla figura nel grafico riportato a destra).
6000
4000
2000
0
-2000
-4000
-6000
-8000
300
400
500
600
700
800
5.4 Sistema di algoritmi per estrazione automatizzata di caratteristiche importanti per il restauro Merging fra dati di fluorescenza e strutturali RGB‐ITR
Immagine 3D a colori acquisita con RGB‐ITR a cui sono stati sovrapposti i dati a falsi colori acquisiti con LIF scanner
Cartapesta del Sansovino
Disponibilità dei sistemi pronti e dei nuovi prototipi
presso il CR Frascati Prototipi già disponibili
• Sistema a scansione LIF • Di punto • Di linea • Grande area • Sistema RGB‐ITR
• Sistema LIBS
• Sistema Raman da portatile
Sala allestita per pulitura laser
I dimostratori saranno realizzati e pronti prima dell’estate sia per misure presso il nostro Centro di Frascati e per campagne nel Lazio.
Si invitano gli end user a portare campioni di riferimento su cui eseguire test preliminari alle attività in campagna e/o reperti da caratterizzare.
Si invitano altresì le PMI interessate all'allestimento dei dimostratori low cost per task specifici a segnalare questa loro esigenza in modo da valutare la possibilità di collaborare in tal senso nell'ambito del progetto. Potranno seguire le attività localmente, dalla sala utenti che stiamo attrezzando, o comodamente in remoto per interventi nella sala allestita o nei laboratori dedicati e collegati in rete.