Nuclear techniques for the analysis and dating of cultural heritage with the tandetron accelerator at the CEDAD

Abstract

Summary

The Accelerator Mass Spectrometry technique for measuring carbon isotopes and dating artifacts, together with nuclear techniques of ion beam analysis are widely used in the field of cultural heritage owing to the great advantage of their being non-destructive. In Italy, CEDAD - CEntro Di DAtazione e Diagnostica of the University of Salento, with its tandetron accelerator of 3MV, has played a major role for over ten years, in studying materials of cultural assets requiring the determination of their elemental composition and determination of absolute chronology using radiocarbon. This study describes the Accelerator Mass Spectrometry technique used with the accelerator at CEDAD to determine age by means of radiocarbon and PIXE-PIGE techniques, and to determine elements, even in traces, present in materials. Some case studies carried out at CEDAD are reported, including those on the Riace Bronzes and Capitoline Wolf. The latter has been definitively dated to the Middle Ages, 17 centuries later than the previously attributed dating by historians. In addition, an important technical innovation is described, achieved within the framework of the IT@CHA Project enabling organic materials to be dated using only 10 μg of carbon.

Riassunto

La tecnica della Spettrometria di Massa con Acceleratore per la misura degli isotopi del carbonio e per la datazione dei beni culturali e le tecniche nucleari di analisi con fasci di ioni trovano largo impiego nel campo dei beni culturali per il grande vantaggio di essere non distruttive. In Italia, il CEDAD – CEntro di DAtazione e Diagnostica dell’Università del Salento, con il suo acceleratore Tandetron da 3 MV, svolge da oltre 10 anni un ruolo fondamentale per gli studi sui materiali di interesse culturale che richiedono la determinazione della composizione elementale dei manufatti e la determinazione della cronologia assoluta con il radiocarbonio.
In questo lavoro viene descritta la tecnica della spettrometria di massa con acceleratore utilizzata al CEDAD per la determinazione dell’età con il radiocarbonio e le tecniche PIXE-PIGE per la determinazione degli elementi, anche in tracce, presenti nei materiali. Vengono illustrati alcuni studi effettuati al CEDAD tra cui quelli sui Bronzi di Riace e la Lupa Capitolina. È descritta, inoltre, una importante innovazione tecnologica realizzata nell’ambito del progetto IT@CHA che consente di datare materiali organici con soli 10 μg di carbonio.

Résumé

La technique de la spectrométrie de masse avec accélérateur est largement utilisée pour la mesure des isotopes du carbone et pour la datation des biens culturels, car elle a le grand avantage de ne pas être destructrice. Il en est de même pour les analyses par faisceaux d’ions. En Italie, depuis plus d’une décennie, le Centre de datation et de diagnostic de l’Università del Salento (CEDAD – CEntro di DAtazione e Diagnostica dell’Università del Salento), avec son accélérateur Tandetron de 3 mV, joue un rôle fondamental dans le domaine des études des biens culturels pour lesquels il est important de connaître la composition élémentaire des pièces et d’établir leur chronologie absolue par la méthode du radiocarbone. Sont ici décrits la technique de la spectrométrie de masse avec accélérateur que nous utilisons au CEDAD pour la datation avec la méthode du radiocarbone, ainsi que les techniques PIXE-PIGE pour la détermination des éléments présents dans les matériaux, également en traces. Sont également présentées des études réalisées au CEDAD, dont celle sur les Bronzes de Riace et sur la Louve du Capitole. Celle-ci a été définitivement datée au Moyen Âge, et est donc plus récente de dix-sept siècles par rapport à sa datation traditionnelle dans l’histoire de l’art. Il est également présenté une nouveauté technologique importante, réalisée dans le cadre du projet IT@CHA, qui permet de dater les matières organiques avec 10 μg de carbone seulement.

Zusammenfassung

Die Technik der Beschleuniger-Massenspektrometrie zur Messung der Kohlenstoffisotope und zur Datierung von Kulturgütern, sowie die atomaren Analysemethoden mittels Ionenstrahlen finden breiten Einsatz bei Kulturgütern, weil sie den großen Vorteil haben, dass sie nicht destruktiv sind. In Italien spielt das CEDAD – CEntro di DAtazione e Diagnostica (Datierungs- und Diagnosezentrum) der Università del Salento mit seinem 3MV Tandetron-Beschleuniger seit über 10 Jahren eine wesentliche Rolle bei der Analyse von Materialien aus Kulturgütern, die eine Bestimmung der elementaren Zusammensetzung der Manufakte sowie die absolute Radiokarbondatierung erfordern. In diesem Werk wird die Technik der von CEDAD zur Altersbestimmung mittels Radiokarbondatierung angewandten Beschleuniger-Massenspektrometrie, sowie die PIXE-PIGE-Methode zur Bestimmung der auch nur spurenweise in den Materialien vorhandenen Elemente beschrieben. Es werden einige Studien erläutert, die bei CEDAD durchgeführt wurden. Dazu gehören diejenigen der Bronzestatuen von Riace und die der Kapitolinischen Wölfin. Letztere wurde endgültig auf das Mittelalter datiert, d. h. sie ist 17 Jahrhunderte jünger, als ihr bisher von der Kunstgeschichte zugeschrieben wurde. Darüber hinaus wird eine bedeutende technische Innovation beschrieben, die im Rahmen des Projekts IT@CHA realisiert wurde und es gestattet, organische Materialien mit nur 10 μg Kohlenstoff zu datieren.

Resumen

La técnica de la espectrometría de masas con acelerador para medir los isótopos del carbono y datar bienes culturales, y las técnicas nucleares de análisis por haces de iones gozan de una amplia aplicación en el ámbito del patrimonio cultural, pues ofrecen la gran ventaja de no ser técnicas destructivas. En Italia, el CEDAD (centro de datación y diagnóstico perteneciente a la universidad del Salento), con su acelerador Tandetron de 3 MV, desempeña desde hace más de diez años un papel fundamental en los estudios sobre materiales de interés para el patrimonio cultural. Esta clase de estudios requieren que se determine la composición elemental de los objetos y una cronología absoluta mediante radiocarbono. En este trabajo se describe la técnica de espectometría de masas con acelerador empleada en el CEDAD para establecer la datación por radiocarbono y las técnicas PIXE-PIGE para determinar los elementos contenidos en los materiales, aun cuando se trate de meras trazas. Se ilustran algunos estudios efectuados por el CEDAD, entre ellos, los correspondientes a los Bronces de Riace y la Loba Capitolina. Esta última ha sido datada definitivamente en la Edad Media, es decir, diecisiete siglos antes de lo que la Historia del Arte había señalado hasta ahora. Además, se describe una importante innovación tecnológica aplicada en el marco del proyecto IT@CHA que permite datar material orgánico empleando solo 10 μg de carbono.

简介

凭借无损检测的优势，用于测量碳的同位素、推测文物年代的加速器质谱检测技术
和核离子束技术分析法在文物研究领域发挥了巨大的作用。在意大利， Salento大学–
CEDAD年代分析和诊断中心，凭借着3 MV 的Tandetron加速器，十多年来，在确定制
成品成分和放射性碳测定方面绝对年份方面，即文物材料研究领域，起到非常重要的
作用。
这份研究中描述了CEDAD使用加速器质谱检测器，以放射性碳年代测定法确定年
代，以及使用PIXE-PIGE技术确定材料中的元素，包括微量存在元素。其中选择了一
下有CEDAD进行的研究进行说明，包括对Riace(里亚切)青铜像和罗马母狼铜像的研
究。后者年代最终被确定在中世纪，这要比迄今为止艺术史中提及的年代晚了17个世
纪。此外，研究中还包括了一份非常重要的在IT@CHA合作领域内的科技创新发明，
凭借这个发明仅使用10μg碳 即可确定一份材料组织的年代。

Резюме

Метод масс-спектрометрии с использованием ускорителя для измерения изо-топов углерода и датировки культурных памятников, а также ядерные методы ионно-пучкового анализа материалов широко применяются при работе с предме-тами культурного наследия, так как они являются неразрушающими методами. В Италии Центр датировки и диагностики CEDAD при университете Саленто, осна-щенный ускорителем Tandetron на 3 МВ, уже 10 лет играет первостепенную роль в изучении материалов, связанных с предметами культурного наследия, когда нужно определить поэлементный состав объектов, а также определить их абсо-лютный возраст методом радиоуглеродного датирования. В этой работе описан метод масс-спектрометрии с использованием ускорите-ля, который применяется центром CEDAD для радиоуглеродного датирования, а также описаны методы анализа PIXE-PIGE для определения элементов, при-сутствующих даже в остаточных количествах в материалах. Кроме того, в работе представлены некоторые исследования, выполненные CEDAD, в том числе на статуях Воинов из Риаче и на Капитолийской волчице. Последний монумент был окончательно датирован Средними веками, то есть, он оказался на 17 веков мо-ложе, чем предполагали до сих пор искусствоведы. Кроме того, в работе описано важное нововведение, выполненное в рамках проекта IT@CHA, позволяющее датировать органические материалы при помощи всего лишь 10 мкг углерода.