Energeticky citlivá rentgenová radiografie pro účely nedestruktivního průzkumu historických maleb

AbstraktAbstract

Malířská výtvarná díla patří z pohledu technické výstavby i skladby materiálů k nejkomplikovanějším – také proto jsou popis a zobrazení jejich vnitřní struktury nedestruktivním způsobem v současnosti velkou výzvou. Již několik desetiletí jsou k tomuto účelu s výhodou používány neinvazivní zobrazovací i analytické metody založené na interakci svazků ionizujícího záření s hmotou zkoumaného objektu. Tyto metody se dají rozdělit do dvou hlavních směrů. Známější jsou metody transmisní (např. klasický rentgenový snímek), méně běžné jsou metody emisní (např. rentgenová fluorescenční analýza). Konečná kvalita získaného výsledku je však silně závislá na vlastnostech použitého zobrazovače. Obraz v současnosti běžně používaných detektorů (CCD kamer a CMOS snímačů), které jej vytvářejí analogově integrací detekovaného náboje, je znehodnocován přítomností šumu. Moderní pixelové detektory rodiny Medipix, založené na digitální registraci jednotlivých částic, však šumem netrpí a navíc nabízejí v principu neomezený kontrast v získaném obraze. Prostorové rozlišení dosažitelné s těmito detektory se pohybuje v řádu stovek nanometrů. Další výhodou těchto detektorů je jejich schopnost měřit přímo energii částic, což umožňuje provádění energeticky citlivé rentgenové radiografie, tedy získávání multikanálových obrazů. Druhou možností využívající citlivosti detektorů na energii jsou rentgenová fluorescenční měření mapující prvkové složení na povrchu objektu. V rámci předložené práce byly v pražské laboratoři ALMA vytvořeny modelové vzorky barevných vrstev s použitím různých pigmentů. Výsledky popsaných metod aplikovaných na testovací vzorky jsou shrnuty v tomto článku. Smyslem daných měření je v první fázi tvorba ucelené metodiky pro aplikaci těchto postupů v laboratoři, ve druhé fázi budou získané poznatky aplikovány na tvorbu mobilní sestavy umožňující měření výtvarných děl přímo na místě, bez potřeby jejich převozu.

The technical composition of painted artworks is usually very complex and they belong to the most sophisticated cultural heritage artefacts. In the field of their inspection there is a rising demand for the non-destructive imaging and analytical methods which are able to reveal the inner composition of investigated objects. Several non-invasive methods based on the interaction of ionizing radiation with the matter have been successfully utilized during the last decades. These methods can be divided into two main groups. The better known are transmission methods (e.g. classical X-ray radiography) the less-used are emission methods (e.g. X-ray fluorescence imaging). The quality of the obtained image is highly dependent on the imaging characteristics of the used detector. The presently used ones (CCD cameras and CMOS sensors) create the image from analogue signal by the charge integration. This image is usually degraded by the presence of noise. This complication is exceeded by novel pixel detectors of Medipix family based on single particle digital counting. Furthermore these devices offer very high contrast (in principle unlimited) in the obtained image. The image can be acquired with spatial resolution better than one micrometer. Another advantage of these detectors is their ability to directly measure the energy of incident particles. This feature can be used for energy sensitive X-ray radiography (i.e. multi-channel images) and X-ray fluorescence mapping of the surface elemental composition. For the purposes of this work the laboratory ALMA in Prague prepared several multilayer samples of paints using different pigments. The results of mentioned methods applied on the test samples are summarized in this article. We had two goals: to build a comprehensive methodology for the application of these procedures in the laboratory and to use obtained knowledge for the construction of the mobile measuring system for the analysis of painted artworks in situ.