LABORATORIO: CNR SCITEC
NOME STRUMENTO
HI 90 Bruker Mid-IR hyperspectral imager
INFORMAZIONI GENERALI
La spettroscopia FT-IR in riflessione è ampiamente utilizzata nel campo della scienza del patrimonio per la caratterizzazione e l’identificazione di materiali organici e inorganici. Essendo una tecnica spettroscopica molecolare vibrazionale, fornisce informazioni riguardanti i gruppi funzionali che costituiscono le molecole aiutando in definitiva l’identificazione molecolare di un numero illimitato di materiali in esame. L’intervallo del medio IR è particolarmente adatto per il riconoscimento di materiali inorganici (con alcune limitazioni per gli ossidi metallici) nonché di materiali organici sintetici e naturali. Questa tecnica può fornire informazioni riguardanti non solo i materiali e le tecniche pittoriche, ma anche eventuali contaminanti superficiali, alterazioni e prodotti/processi di degrado.
L’HI 90 di Bruker è un imager iperspettrale avanzato che opera nell’intervallo spettrale del medio infrarosso (mid-IR) (4000-800 cm-1), ed è in grado di fornire immagini composizionali di grande valore per la conoscenza e la conservazione delle opere d’arte. L’imaging iperspettrale in questo intervallo spettrale è altamente diagnostico e consente di andare oltre l’identificazione dei pigmenti e la loro distribuzione, e di svelare la natura e la distribuzione dei materiali organici e dei prodotti di degradazione.
DETTAGLI TECNICI
L’imager iperspettrale è costituito principalmente da un interferometro di Michelson e da un rilevatore Stirling Cooled Focal-Plane-Array (FPA) Strained Layer Superlattice (SLS). L’interferometro a specchio piano è attivamente allineato e il sistema è sigillato e raffreddato. La risoluzione spettrale massima è 1 cm-1, le misurazioni vengono generalmente effettuate a 4 cm-1 tipicamente in modalità riflessione esterna IR nell’intervallo spettrale 4000-800 cm-1. La dimensione totale del rilevatore FPA è 320 x 256 pixel, ogni pixel è 30×30 µm2. Il campo visivo di un singolo pixel è di ca. 0,52 mrad, che corrisponde a una risoluzione laterale migliore di 1 mm (0,7-0,8 mm) a una distanza di lavoro di 1 m. Per la modalità di preview, che funziona come una telecamera termografica, viene utilizzata l’intera dimensione del rilevatore. Per le misurazioni normali, l’area attiva del rilevatore FPA è di 176×176 pixel e l’area di misurazione è di ca. 11 x 11 cm2 a 1 m di distanza di lavoro. La differenza di temperatura equivalente al rumore (NETD) delle misurazioni con 16 co-addizioni, media di 3×3 pixel, nell’intervallo spettrale da 1050 cm-1 a 1150 cm-1 è di circa 90 mK.
Gli spettri di riflettanza vengono calcolati come il rapporto tra la riflessione del campione e quella registrata da un target in polvere di alluminio grigio utilizzato come sfondo.
Le immagini iperspettrali vengono elaborate utilizzando un filtro lineare con un kernel Gauß di 3×3 pixel con larghezza di 3 pixel. Per misurare in modalità riflessione, il campione viene illuminato da una sorgente di radiazione infrarossa costituita da una sorgente luminosa globar (SiC) e da uno specchio condensatore parabolico con un diametro di circa 30 cm. Il globar è installato su un attuatore motorizzato che viene utilizzato per regolare la distanza di lavoro della sorgente da 1 m fino all’infinito in posizione sfocata. Durante il tempo dedicato all’analisi dei dati dopo ogni misurazione, l’attuatore viene spostato automaticamente per sfocare la sorgente, oppure la sorgente può essere temporaneamente spenta per ridurre l’esposizione alle radiazioni del campione. La temperatura, e quindi lo spettro di radiazione e l’intensità della sorgente, possono essere regolati modificando la potenza elettrica in ingresso. L’intensità può anche essere attenuata da un’apertura regolabile manualmente. La temperatura della sorgente può essere misurata e monitorata da un pirometro installato al centro del condensatore. La temperatura massima della sorgente è 1000 °C.
Il tempo di acquisizione di un cubo di dati iperspettrale completo è di 8 minuti (con 70 μs di tempo di integrazione e 16 co-addizioni). In questo periodo, ca. 7 minuti sono necessari per acquisire l’intera dimensione dell’FPA scansionando 8 blocchi di 22 linee (22x176pixel) e l’ultimo minuto è necessario per il salvataggio dei dati e della FFT. Il controllo automatico della sorgente consente la sfocatura in quel momento. L’aumento di temperatura sulla superficie del dipinto con una temperatura della sorgente di 800 °C e 8 minuti di acquisizione è < 6 °C, misurato da un esposimetro (Elsec 775).
APPLICAZIONI
La tecnica è altamente efficace per l’identificazione e la caratterizzazione dei materiali inorganici e organici utilizzati nel campo del patrimonio culturale. Permette di raccogliere informazioni precise riguardanti contaminanti superficiali, materiali originali e non, alterazioni e prodotti di degrado nonché permette di monitorare le tecniche di pulitura e le attività di conservazione. I dati raccolti tramite tale tecnica possono essere utilizzati per aiutare ed assistere strategie di conservazione e restauro e pianificarle in modo adeguato e appropriato.
Referente:
Francesca Rosi francesca.rosi@cnr.it