XRF-анализаторы в археологии и подтверждении подлинности предметов искусства



Исследование при помощи рентгеновских лучей антиквариата и предметов искусства проводится фактически с самого начала применения данной технологии. Когда Вильгельм Конрад Рентген (Wilhelm Conrad Röntgen) в 1895 году открыл рентгеновские лучи (Х-лучи), одним из первых полученных им изображений стал снимок левой кисти его жены, Берты, на котором можно было отчетливо разглядеть силуэт обручального кольца.

С течением времени рентгеновские технологии претерпели значительные изменения, и сегодня наряду с рентгенологическим исследованием различных органов и систем человеческого организма, мы имеем возможность проводить всесторонние качественные и количественные исследования исторически значимых объектов.

 

Однако, еще десять-пятнадцать лет назад оценку подлинности ювелирных изделий, химсостава глины древней керамики и многое другое можно было провести только в условиях лаборатории с помощью стационарных рентгеновских аппаратов, что отнимало значительное время и силы на транспортировку предметов искусства в лабораторию и обратно.

С появлением портативных (ручных) рентгенофлуоресцентных анализаторов (XRF) задача существенно упростилась. В настоящее время, портативные XRF-анализаторы DELTA позволяют ученым проводить исследования химсостава археологических находок, предметов искусства и других культурных ценностей непосредственно на месте их обнаружения, в полевых условиях, что значительно экономит время и устраняет риски, связанные с перевозки предметов в лабораторию и обратно.

Портативные XRF-анализаторы серии DELTA (Дельта) от компании Olympus Innov-X – это компактные и легкие спектрометры пистолетного типа, вес которых не превышает 1,5 кг. В зависимости от задачи, анализатор может быть укомплектован следующими пакетами программ:  Сплавы Плюс, Геохимия, Горный, Горный плюс, Почвы, Драгоценные металлы и другие.



Изначально, портативные XRF анализаторы-«пистолеты» использовались для быстрого, высокоточного определения металлов в пробах горных пород, руд, почв, а также для экспресс-анализа металлов и сплавов на соответствие маркам, ГОСТам. Теперь они с успехом применяются также в качестве мощного аналитического инструмента для мгновенного подтверждения подлинности предметов искусства, при проведении реставрационных работ и в археологии.

Портативный XRF анализатор DELTA сегодня – это высокоточный неразрушающий анализ химсостава материалов, позволяющий сократить время исследования до нескольких минут!

Примеров успешного использования рентгенофлуоресцентных (XRF) анализаторов в археологических исследованиях, реставрационных работах, а также оценке антиквариата – достаточно много. Для данной работы мы постарались выбрать самые интересные из них.

Археометаллургия

Портативные XRF анализаторы – незаменимые помощники в археометаллургии. Они позволяют прояснить некоторые технологические аспекты производства металлического изделия, а также определить его химический состав.

Легендарная подлодка «Ханли»

С помощью XRF-анализатора можно проводить  исследования от небольших по размеру предметов (украшения и  др.), до достаточно крупных объектов, как, например, знаменитая подводная лодка «Ханли» (H. L. Hunley), которая считается первой в истории подлодкой, потопившей вражеский корабль в ходе боевых действий.

Построенная в 1863 году во время гражданской войны в США и принадлежащая Конфедеративным Штатам Америки, «Ханли» в своей первой и последней атаке смогла потопить 12-пушечный винтовой шлюп ВМС США «Хаусатоник», продемонстрировав тем самым возможность ведения подводной войны.

 Однако сама «Ханли» также затонула и погибла вскоре после успешной атаки. Долгое время место гибели легендарной подлодки оставалось неизвестным. Лишь в конце 20-го века ее местонахождение было установлено и в августе 2000 года «Ханли» была поднята со дна гавани Чарльстона.

Работы по сохранению и реставрации исторического судна продолжаются и сегодня. Критическим моментом является необходимость точной идентификации сплавов, применявшихся для литья различных частей и деталей субмарины.

Для решения данной задачи был выбран портативный XRF-анализатор от компании Olympus Innov-X (Олимпас Инновэкс), который продемонстрировал низкие пределы обнаружения, высокую точность и повторяемость результатов – качества, необходимые для быстрой и достоверной оценки исторических находок и других культурных ценностей.

Современные XRF-анализаторы от компании Olympus Innov-X – анализаторы серии DELTA (Дельта) – это универсальные ручные спектрометры, способные мгновенно определять большое количество химических элементов, имеющие современное программное обеспечение, обширную библиотеку сплавов (марочник), библиотеку примесей, а также возможность добавлять и редактировать существующие марки сплавов.



У всех анализаторов Дельта есть уникальная возможность показа «номинальной химии», когда в случае определения марки сплава, программное обеспечение прибора может отображать на экране даже те химические элементы, которые не могут быть определены портативным XRF-анализатором (например, углерод).

Кроме того, некоторые анализаторы серии DELTA с высокой точностью могут определять легкие элементы (магний, алюминий, кремний, сера и фосфор) в любых типах сплавов. Это анализаторы DELTA Professional и DELTA Premium, а также анализаторы X-5000 и GoldXpert (SDD).

Есть также возможность создавать индивидуальные подрежимы для решения сложных задач, таких как анализ ферросплавов, лигатур, спецсплавов и др.

Анализатор DELTA может быть оснащен встроенной фотокамерой с коллиматором, что позволит уменьшить размер области анализа до 2 мм2. Данная опция очень удобна для анализа сварных швов, а также небольших объектов и слоистых металлических материалов (например, сталь + медь и др.).

 

XRF-анализ ножей Боуи из частной коллекции

Нож Боуи, легендарный нож Дикого Запада, носящий имя своего создателя – Джеймса Боуи (1796-1836), по праву может считаться одним из символов Америки.

Это крупный нож, отличающийся характерной формой клинка, на обухе которого у острия выполнен скос (сlip-point, или «клип-пойнт»). Длина клинка достигает 23 см (от 14 до 23), толщина обуха – от 2,5 до 5 мм.  Нож Боуи имеет удобную рукоятку с развитой гардой, что обеспечивает надежный крепкий захват; он превосходно как режет, так и колет, а уникальная форма, конструкция и баланс делают его идеальным ножом для метания.

В настоящее время ножи Боуи используются не только, как  охотничьи, боевые ножи и ножи для выживания. Искусно сделанный нож Боуи – отличное украшение любой коллекции холодного оружия!

Технология производства ножей остается по сути неизменной на протяжении вот уже 200 лет. Однако современные достижения в области металлургии способствовали увеличению прочности стального клинка, его износостойкости и стойкости к коррозии.

Известно, что сталь – это сплав железа с углеродом, в котором углерода содержится не более 2,14%. Именно содержание углерода в стали определяет прочность и твердость клинка. Добавки  других химических элементов способны придавать стали определенные специфические свойства. Так, например, молибден повышает жаропрочность и коррозионную стойкость стали, ванадий повышает износостойкость и улучшает прочность, а вольфрам, помимо положительно влияния на твёрдость и износостойкость, существенно повышает устойчивости стали к высоким температурам. Также в состав стали могут входить хром, титан, никель, кобальт, марганец и другие химические элементы.

Подробное исследование химического состава нескольких ножей Боуи из частной коллекции, было проведено с помощью рентгенофлуоресцентного метода (XRF, РФА).

Рентгеновская флуоресценция – это полностью неразрушающий метод анализа, который не оставляет следов, не повреждает поверхность исследуемого объекта и таким образом может применяться для анализа химсостава археологических находок, антиквариата и других предметов, представляющих историческую и культурную ценность.

XRF-анализ позволяет с высокой точностью провести качественное и количественное определение содержания химических элементов, а также установить марку стали и сплава.

Полученная информация поможет выяснить некоторые аспекты технологии производства, определить подлинность и ценность металлического изделия. Кроме того, материаловедческий анализ стали необходим при проведении работ по сохранению и реставрации предметов искусства.

Сегодня, наряду с громоздкими лабораторным рентгеновским спектрометрам, имеются портативные (ручные) XRF анализаторы – компактные, легкие  и удобные.

В данном исследовании был использован портативный XRF анализатор, оснащенный рентгеновской трубкой с танталовым (Ta) анодом мощностью 4 Вт  и кремниевым дрейфовым детектором (SDD). Также использовалась специальная программа для сплавов с охватом максимального диапазона химических элементов – от магния (Mg) до урана (U) – на различным уровне концентраций (от нескольких грамм на тонну до 100 %).

Какой-либо специальной подготовки ножей Боуи перед исследованием не требовалось. Отдельно исследовались: лезвие, крестовина (гарда), рукоять и оголовье рукояти (тыльник). Время одного исследования составляло 20 секунд, каждый тест выполнялся дважды.

Результаты исследования двух ножей Боуи из коллекции представлены ниже.

 



Первый нож Боуи, участвующий в исследовании, был изготовлен в Мексике. На клинке выгравировано имя (возможно, создателя ножа) – «P. Tirrez». Вес ножа составляет 340 гр (0.75 lbs).

Анализ сплава лезвия, выполненный при помощи XRF анализатора металлов, показал, что клинок изготовлен из углеродистой стали (carbon steel). Более подробные результаты химического анализа отдельных частей ножа Боуи представлены в таблице 1.

 

Таблица 1
Химический анализ отдельных частей ножа Боуи № 1

Химический элемент

Лезвие

Крестовина

Рукоятка

Тыльник

Fe

99.5

15.83

5.69

96.55

Cr

0.09

-

-

-

Mn

0.41

0.27

0.29

0.23

Ni

-

1.37

1.31

-

Cu

-

55.17

60.25

-

Sn

-

6.92

8.72

-

Pb

-

4.26

5.68

-

Zr

-

-

-

0.29

Zn

-

16.17

17.94

2.58

Mo

-

-

-

0.35

 



Второй нож Боуи, предоставленный для исследования, был сделан в Пакистане. Он имеет гарду прямоугольной формы и заостренный тыльник рукояти, выполненный из пластика. Вес ножа составляет 364 гр (13/16 lb).

В результате исследования химсостава ножа с помощью XRF анализатора металлов выяснилось, что сплав клинка, крестовины и больстера соответствует маркам нержавеющие стали: 410/416/420 соответственно.  Более подробные результаты химического анализа отдельных частей данного ножа, представлены в таблице 2.

 

Таблица 2
Химический анализ отдельных частей ножа Боуи № 2

Химический элемент

Лезвие

Крестовина

Больстер  

Тыльник

Fe

87.42

85.98

88.5

0.29

Cr

11.84

12.99

11.57

-

Mn

0.51

0.64

0.38

-

Ni

0.23

0.25

-

67.27

Cu

-

0.11

-

25.54

Sn

-

-

-

0.58

Pb

-

-

-

0.57

Zr

-

-

-

-

Co

-

-

-

-

Zn

-

-

-

3.62

Mo

-

0.02

-

-

 

Портативный XRF-анализатор быстро и легко справился с поставленной задачей, с высокой точностью выполнил анализ химсостава сплава, наряду с определением концентраций химических элементов в разных частях каждого из ножей Боуи в коллекции.

XRF-анализаторы DELTA сегодня – это скорость и точность анализа, мощность и надежность в эксплуатации, а также простота в обращении и интуитивно понятный интерфейс

Благодаря технологии XRF-анализа, портативные анализаторы серии DELTA идеально подходят для быстрого и, что немаловажно, неразрушающего анализа. При данном методе не происходит повреждения поверхности анализируемых объектов, что делает его незаменимым при исследовании предметов антиквариата, слитков драгоценных металлов и других ценных предметов коллекции.

 

Бронзовый век. Анализ сплавов на медной основе



Метод рентгеновской флуоресценции, как один из широко распространенных методов спектрального анализа, не только позволяет определять химический элементный состав металлических изделий, сравнительно недавно изготовленных руками человека (как, например, в случае с «Ханли» и ножами Боуи). С помощью XRF-анализа, мы также можем провести детальный химический анализ сплавов, которые использовались в более раннее время, например, в бронзовом веке.

Портативный рентгеновский анализатор (спектрометр) DELTA идеально подходит для анализа сплавов на медной основе, демонстрируя высокую точность и низкие пределы обнаружения (LOD) – от 0,01 до 0,5% (в зависимости от концентрации химического элемента и основы).

Некоторые бронзовые артефакты по макросоставу – простые двухкомпонентные (медь + олово, медь + мышьяк и др.). Однако часто встречаются многокомпонентные сплавы, и они могут содержать цинк, свинец, сурьму, висмут и другие химические элементы в разных концентрациях.

Точное определение содержания химических элементов, а также их концентрации поможет исследователям выяснить характер сплава, наличие и количество присутствующих в нем примесей.

Кроме того, помимо выявления некоторых аспектов технологии производства металлоизделий, у исследователей появляется возможность определить происхождение и подлинность объекта.

Древние металлические изделия из медных сплавов (бронзы, латунь) кроме меди чаще всего содержат 1-15% олова, 1-15% свинца и до 28% цинка. Следовые «примеси» других химических элементов (например, сурьмы, никеля, кобальта, стронция, серебра, золота, платины и др.) скорее всего, попавшие в сплав из руды в процессе плавки,  могут дать ценнейшую информацию о месторождении руды и возможном месте производства бронзовых изделий.

Обнаружение цинка в количествах значительно выше, чем 28% или же полное отсутствие примесей может свидетельствовать о том, что данное изделие относится не к бронзовому веку, а к более позднему временному периоду.

 

Древний Рим. Изучение дренажной системы с помощью XRF-анализа



Портативный XRF анализатор был также использован для химического анализа водопроводных и дренажных свинцовых труб, которые были обнаружены во время проведения археологических раскопок возле города Орвието (Италия), и датировались между 1-м веком до н.э. и 1-м веком нашей эры.

Результаты проведенных исследований подтвердили теорию о том, что трубы, используемые в Древнем Риме, часто были продуктами переплавки, рециклинга свинцового сырья.

Обнаружено, что содержание олова (Sn) было сравнительно постоянно, в то время, как содержание железа (Fe) и свинца (Pb) варьировало  обратно пропорционально друг другу на всем протяжении каждого исследуемого сегмента (отрезка) трубы (см. таблицу 3).

 

 

Таблица 3
Содержание химических элементов в отдельных сегментах труб, обнаруженных возле города Орвието (Италия) и датированных между 1-м веком до н.э. и 1-м веком нашей эры

Отрезок трубы,

Железо (Fe)

Олово (Sn)

Свинец (Pb)

 

Значение

STDev

95%Cl

Значение

STDev

95%Cl

Значение

STDev

95%Cl

 A - 2

7.0785

2.6990

0.8262

2.5090

0.4262

0.1305

90.3071

2.7892

0.8538

A - 26

1.0806

0.7050

0.2336

1.7954

0.3712

0.1230

97.0597

0.9164

0.3036

B - 2

7.2453

2.8590

0.9610

2.1497

0.4435

0.1491

90.4597

3.2362

1.0878

B - 26

1.4571

0.7046

0/3013

1.5757

0.2853

0.1220

96.9657

0.7935

0.3919

C - 2

6.9594

2.9226

0.9824

2.2091

0.5967

0.2006

90.7324

2.9560

0.9936

D - 20

6.7886

2.4562

0.8940

2.3221

0.4090

0.1489

90.8462

2.4684

0.8984

Примечание: STDev (Standard Deviation) – стандартное отклонение, 95%Cl (95% Confidence Intervals) – доверительный интервал

Портативный рентгенофлуоресцентный анализатор DELTA – ценный инструмент для полевого археологического исследования, дающий возможность мгновенной оценки химсостава находок, объектов и пр. Кроме того, неразрушающий анализ, производимый в течение нескольких минут, может помочь оценить однородность археологического материала, определить принадлежность отдельных фрагментов одному памятнику и многое другое.

Немаловажно и то, что с помощью портативных анализаторов серии DELTA исследователи теперь имеют возможность получать результаты анализа химического состава практически сразу, на месте. Больше нет необходимости отсылать образцы в лабораторию, что позволяет существенно сэкономить силы и время.

Картины и арт-объекты.
XRF-анализ для подтверждения подлинности предметов искусства



Доверяй, но проверяй – гласит народная мудрость. Верна она и в случае с антиквариатом.

Когда имеются сомнения в подлинности картины или любого другого арт-объекта на помощь может прийти рентгенофлуоресцентный анализ (XRF, РФА).

С помощью XRF-анализатора (спектрометра) проводят химический анализ материалов (грунты, пигменты и др.) для подтверждения подлинности полотна и других предметов искусства

Известно, что краски и другие художественные материалы значительно варьируют в зависимости от региона, времени написания картины, а также художника. Невозможно создать произведение шестнадцатого века, пользуясь красками, впервые полученными в веке девятнадцатом!

Рентгенофлуоресцентный анализ химического состава пигментов и грунтов достаточно точно позволяет определить хронологические рамки написания каждой картины, и помочь ответить на вопросы: когда, где и кем были изготовлены данные художественные материалы.

В случае с металлическими, керамическими и другими изделиями, химический элементный анализ также может оказаться решающим. Кроме того, информация, полученная с помощью XRF анализа, помогает специалистам восстановить химический состав пигментов и других материалов, что впоследствии с успехом используется при проведении реставрационных работ.

С помощью современных портативных XRF анализаторов серии DELTA определить химический состав пигментов и других художественных материалов очень легко. Эти  «ручные» экспресс-анализаторы в течение нескольких минут позволяют провести одновременный анализ более 29-и химических элементов (в т. ч. «легких» элементов:  магний, алюминий, сера, кремний и тд.), неизменно демонстрируя высокую точность анализа и низкие пределы обнаружения (от 0,01 до 0,1 мг/см2, в зависимости от концентрации химического элемента и основы).

Очень полезной опцией для анализа предметов искусства является также встроенная фотокамера с коллиматором, при помощи которого можно уменьшить размер анализируемой области до 2 мм2, что крайне полезно для наведения на небольшие участки на картине, скульптуре и др.  Встроенная фотокамера с коллиматором может быть установлена в любой анализатор серии DELTA, кроме DELTA Element (Дельта Элемент). Использование данной камеры с коллиматором дает исследователям возможность под контролем зрения осуществлять анализ выбранных отдельных красок, мелких элементов декора, швов, спаек и пр.

Заключение

Современные портативные рентгенофлуоресцентные анализаторы (XRF) позволяют проводить исследования химического состава археологических находок, антиквариата и других культурных ценностей непосредственно на месте (в полевых условиях, в выставочном зале, запаснике и др.).

Информация, собранная в результате данных исследований, используется для определения возраста находок,  их подлинности, а также позволяет изучить некоторые технологические аспекты их производства. Кроме того, подробное изучение химического состава имеет решающее значение при проведении работ по сохранению и реставрации предметов искусства.

И хотя исследуемые материалы весьма разнообразны – металлы, бронзовые и другие сплавы, керамика,  пигменты и др. – высокая точность, неразрушающий метод исследования и низкие пределы обнаружения делают портативный XRF анализатор химсостава идеальным инструментом для решения многих уникальных задач.

Разработанные компанией Olympus Innov-X (Олимпас Инновэкс) портативные анализаторы серии DELTA являются на сегодняшний день одними из лучших экспресс-анализаторов для определения химического состава археологических находок, антиквариата, арт-объектов и других ценных предметов.

 Оптимальными приборами для работы в области археологии и подтверждении подлинности произведений искусства являются следующие анализаторы серии DELTA:

DELTA Professional (Дельта Профессионал) – универсальный и мощный портативный XRF-анализатор. Лучшее на сегодняшний день решение по соотношению цена / возможности. Прибор обеспечивает высокоскоростной анализ с охватом максимального диапазона химических элементов – от магния (Mg) до урана (U), на различном уровне концентраций (от 0,0001 до 100%). Покупатели часто выбирают DELTA Professional, если им необходимо определять легкие элементы (магний, алюминий, серу, кремний и т.д.), но не хочется переплачивать за более дорогой DELTA Premium.

DELTA Premium (Дельта Премиум) – портативный XRF анализатор, предназначенный решения для самых сложных аналитических задач. Прибор имеет низкие пределы обнаружения по легким элементам, и поэтому он идеально подходит для экспресс-анализа Mg, Al, Si, S, P и др. в сплавах, почве, горных породах, а также там, где нужно определение низких концентраций этих элементов. Время получения результата анализа – несколько секунд!  

 

Читать далее:

DELTA Professional самый дешевый анализатор, который видит легкие элементы
Не все то золото, что блестит!
Портативные рентгенофлуоресцентные анализаторы DELTA для анализа металлов и сплавов

 

Сомневаетесь с выбором модели и комплектации анализатора – доверьте это профессионалам.  Наши сотрудники помогут вам подобрать анализатор под каждую конкретную задачу, какой бы сложной она не была! Тел.: +7(495)133-9879