10.6092/issn.1973-9494/2322
Conservation of Cultural Heritage is extremely important not only from a cultural point of view, but also from a practical one. It is our duty to pass on to future generations the cultural heritage left tous by our ancestors. Wood is one of the most common materials used to generate works of art which are in a state of constant change and/or deterioration. In order to optimize the knowledge of artworks together with their conservation, it is necessary to use the most advanced scientific and technological tools. In the following paper, we will show the results which can be achieved by application of complementary techniques based on the combined use of X-rays and neutrons as structural probes.
application/pdf
1973-9494
2322
en
Andreas Paulke
Conservation Science in Cultural Heritage
wood materials
Combined Application of X-Ray and Neutron Imaging Techniques to Wood Materials
Text.Serial.Journal
https://conservation-science.unibo.it/
10
Articles
2010-12-31
2011-10-05
2010-12-30
2015-11-02
143-158
CSCH
Andreas Paulke
2010/12/31
10.6092/issn.1973-9494/2322
143
1973-9494
wood materials
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158
Combined Application of X-Ray and Neutron Imaging Techniques to Wood Materials
https://conservation-science.unibo.it/article/download/2322/1709
10
C    OMBINED APPLICATION OF X-RAY AND NEUTRON IMAGING
     TECHNIQUES TO WOOD MATERIALS


Roberto Triolo ·, Graziella Giambona, Fabrizio Lo Celso, Irene Ruffo
Dipartimento di Chimica Fisica “Filippo Accascina”
Università di Palermo
Nicolay Kardjilov, André Hilger, Ingo Manke, Andreas Paulke
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
Berlin (Germany)



Keywords: X-ray, neutron imaging techniques, wood materials




1. Introduction

     X ray and Neutron Imaging [1-6] techniques are very important in dealing with the
non-destructive investigation and conservation of Cultural Heritage finds. For example,
finds from shipwrecks, including parts of the ship itself [7, 8]. Objects made from a vari-
ety of different materials might be hidden by thick heavy layers of calcareous concretions,
to the point that it is impossible to gain the necessary information without seriously dam-




                                                                                                Conservation Science in Cultural Heritage, 10/2010
aging the find. As a matter of fact, in the vast majority of cases, X-rays and Neutrons may
give complementary information. This is certainly the case of wood samples (for exam-
ple parts of sunken ships). In what follows, we shall highlight how X-ray and Neutron
based techniques may be used in a complementary way to investigate the macroscopic
structure of woods and to help conserve them. For example, the use of neutrons, a com-
bination of Neutron Radiography (NR) and/or of Neutron Tomography (NT) enables the
investigation of the macroscopic structure of degraded woods before and after any con-
solidation and/or restoration work. In addition, neutrons are particularly sensitive to
hydrogen, and therefore are well suited to investigate the presence of organic matter and
its distribution in archaeological finds. On the other hand neutrons are highly penetrating
probes and so are suitable for the investigation of large artworks. Compared to neutrons,
X-rays have lower penetration depth in metals and rocks, but small samples or fragments


·   Corresponding author: e-mail triolo@unipa.it

                                                                                              143
                                                                                     of artefacts can be imaged by X-ray photons with the additional advantage, as we shall
                                                                                     see, of higher spatial resolution. In examining degraded woods, later in the paper, we
                                                                                     shall discuss these complementary features. Clearly, the combined use of Neutron based
                                                                                     and X-ray based techniques, seems to be well suited for use in the field of cultural-her-
                                                                                     itage investigations.

                                                                                     2. X ray and Neutron Imaging Experiment

                                                                                        Over the last decade X-ray and neutron imaging methods have significantly gained
                                                                                     importance. One of the reasons is the rapidly developing field of digital image recording
                                                                                     and processing, which enables the computation of tomographic reconstructions from
                                                                                     high-resolution images on a reasonable timescale. The development of new detectors
                                                                                     with better signal-to-noise characteristics and faster read-out electronics have allowed
                                                                                     some of the limits of conventional radiography and tomography concerning spatial and
R. Triolo et al. - Combined application of X-ray and neutron imaging techniques...




                                                                                     time resolution to be overcome.
                                                                                        The imaging methods are based on the detection of transmitted radiation through a
                                                                                     defined medium (sample) by using position sensitive detectors. The radiation beam is
                                                                                     attenuated differently by the composition elements of the sample, giving contrasting vari-
                                                                                     ations in the recorded radiography image. For high resolution radiography purposes two
                                                                                     kinds of radiation can be used: X-rays and neutrons. The charge-free neutron interacts
                                                                                     with the core of the atoms, while in contrast X-rays interact with the charge distribution of
                                                                                     the electron shells. Therefore the X-ray attenuation coefficients increase with the atomic
                                                                                     number of the elements, i.e. with the number of electrons. The interaction probability of
                                                                                     neutrons with the atomic core depends on the coherent scattering length acoh, which
                                                                                     does not show a systematic correlation with the atomic number of the element. As a con-
                                                                                     sequence, the attenuation properties of the elements for neutrons show a non systemat-
                                                                                     ic correlation with the atomic number as shown in Figure 1. It should be pointed out that
                                                                                     neutrons are very sensitive to some light elements like H, Li, B, for which X-rays do not
                                                                                     provide a good contrast (low and similar atomic numbers). Additionally, neutrons easily
                                                                                     penetrate thick layers of metals like Pb, Fe and Cu where standard X-ray imaging even
                                                                                     with energies of several hundred keV would fail.
                                                                                        In this context the two radiations appear to be complementary in the case of the non-
                                                                                     destructive radiography investigations.
                                                                                        In the case of tomography investigations, the sample is rotated around a defined axis
                                                                                     and 2D projections are recorded under different rotation angles. The mathematical recon-
                                                                                     struction of the matrix of the attenuation coefficients in the sample volume can be made

                                144
Figure 1. Mass attenuation
coefficients for thermal neu-
trons and X-rays (100 keV)
as a function of the atomic
number.


using the collected set of projections [9, 10]. As an example, Figure 2 (see colour Figure
2, p. 231) shows the neutron tomography image of a small object recovered from a find
whose picture is shown on the left of the tomography reconstruction. It is clear that the
information has been obtained without damaging the find thanks to the high penetrability
of the neutrons. In this case it would have been more difficult to obtain the information
using X-rays as a probe, due to the thickness of the calcareous concretion.
   All the Imaging experiments reported in this paper were performed at the Helmholtz-
Zentrum Berlin für Materialien und Energie (Berlin, DE). For neutron based techniques
we used the cold neutron imaging instrument CONRAD [11]. The beam provides neutrons
with wavelengths between 0.2 nm and 1.2 nm with a maximum at 0.35 nm. The point                Conservation Science in Cultural Heritage
source beam geometry is determined by pinholes placed at a distance of 5 m in front of
the sample. The detector system was based on a CCD camera integrated in a light tide
box with a scintillator screen (20320 cm2) and a mirror projecting the image from the
scintillator via a lens system on the CCD chip. The 16 bit CCD camera used (Andor DW-
436N-BV), had a Peltier cooled chip with 204832048 pixels. The beam size of 10310
cm2 allowed the investigation, when necessary, of more than one sample at a time. The
number of the radiographic projections was 300 over 180 degrees. The achieved spatial
resolution varied, depending on the sample size from 60 µm to 100 µm. Exposure times
between 2 hours and 5 hours were used per tomography experiment. For the X-ray based
technique we used an X-ray CT scanner based on a micro-focus tube (Hamamatsu,

                                                                                             145
                                                                                     L8121-03) at 60 kV, 166  µA in small spot mode (focus: 7 µm). The images were record-
                                                                                     ed by flat panel sensor (Hamamatsu, C7942SK-05) with a pixel size of 50 µm where dif-
                                                                                     ferent magnification ratios (distances between source, sample and detector) were used
                                                                                     providing a spatial resolution between 10      µm and 50 µm in the reconstructed tomo-
                                                                                     graphic data. The exposure time per X-ray tomography experiment varied between 2 and
                                                                                     4 hours depending on the sample size and applied magnification. The volumetric recon-
                                                                                     struction was made using Octopus software [9] and the visualisation and data analysis by
                                                                                     VGStudioMax software [10]. The tomography slices were reconstructed in absolute atten-
                                                                                     uation coefficients so that a comparison could be made of the experiments carried out on
                                                                                     different samples and at different times.

                                                                                     3. Materials

                                                                                        Four samples of Pinus Silvestris, indicated as PB, PD, PE and PF, artificially degrad-
R. Triolo et al. - Combined application of X-ray and neutron imaging techniques...




                                                                                     ed by Brown rot, were consolidated by means of different treatments. Samples PB and
                                                                                     PE were consolidated at 45°C by immersion in a 7% (w/w) solution of Klucell in acetone
                                                                                     and in ethanol, respectively. Samples PD and PF were consolidated at 22°C by immer-
                                                                                     sion in a 30% (w/w) solution of Colophony in acetone and ethanol, respectively. Samples
                                                                                     were impregnated for 8 days. During this time the impregnating solutions were replaced
                                                                                     three times with fresh ones. At the end of the impregnation, the samples were dried in a
                                                                                     stove for about 20 days at 45°C [8].

                                                                                     4. Results

                                                                                        As pointed out earlier, in examining items of archaeological interest X-ray and Neutron
                                                                                     based techniques may give interesting complementary information, in particular when
                                                                                     dealing with wood samples. As an example, in Figure 3 (see colour Figure 3, p. 231) we
                                                                                     show the images of an internal slice of an artificially degraded sample of Pine wood
                                                                                     (Figure 3a), and of samples of the same wood consolidated by treatment with a 30% w/w
                                                                                     solution of Colophony in ethanol (Figure 3b) or with a 7% solution of Klucell in ethanol
                                                                                     (Figure 3c). X-ray tomography (XT, Figure 3a-3c) and Neutron tomography (NT, Figure
                                                                                     3d-3f) images were obtained on the very same samples. The degradation performed by
                                                                                     the brown rot is clearly visible in the black portion of the slices.
                                                                                        X ray images (a, b) show a small portion of the slice where wood powder resulting
                                                                                     from the degradation has been accumulating. The same regions are barely visible in the
                                                                                     corresponding Neutron images (d, e). Both XT and NT images show the layered structure
                                                                                     of the wood with the distinct region of the early wood (higher attenuation coefficient, light

                                 146
color) and of the late wood (lower attenuation coefficient, dark color), respectively. Natural
voids are also clearly visible in the X-ray image. It can be noticed that the XT images
show higher space resolution, when compared with NT. On the other hand, the NT
images are more sensitive to the presence of the consolidating medium (Colophony or
Klucell) with the result that the image is less sharp, but contains more information as far
as the distribution of the consolidating medium is concerned [7, 12]. This is clearly shown
in the histograms (g, h) of the images (c, f) shown next to the images. The complex struc-
ture of the NT histograms is a clear indication of the variety of effects which are detected
by the NT image. We may expect that, in the simplest case, one would need three
Gaussians to fit the histograms: one Gaussian at very low values of the attenuation coef-
ficient, corresponding to the voids (macro and micro voids, in general), another one
describing the regions dominated by the early wood and a third one corresponding to the
late wood. Eventually one more Gaussian might describe the region in between the early
and the late wood. This is exactly the situation found in the case of XT. If we now con-
sider the NT histogram, we still find a Gaussian at low attenuation coefficient describing
the contribution of the voids. The remaining portion of the histogram cannot be repro-
duced with only three Gaussians due to the fact that neutrons are quite sensitive to hydro-
gen and therefore the histograms are sensitive to the distribution of the consolidating
medium inside the wood. Evidently X-rays can clearly differentiate between the main
components, but are not able to distinguish equally well the differences in the attenuation
factor induced by the consolidating medium, made of light chemical elements. On the
other hand NT images are richer in details and describe the difference in the attenuation
coefficients induced by the consolidating medium; in doing so, there is less information
regarding the contrast between the different regions. To further support this deduction,
histograms for XT and NT were generated for different portions of the whole slice. Of              Conservation Science in Cultural Heritage
course the choice of the different portions was made in an attempt to attribute the single
Gaussians to well defined portions of the wood slice. In particular histograms have been
generated for the late-wood areas and for the early-wood areas in different portions of the
slice: far from the side surface and close to the side surface (where the consolidating
medium should reach higher concentrations). Partial histograms are drawn in Figure 4.
As far as the XT results are concerned, the two Gaussians identifying the late-wood con-
tribution near the center of the slice (Figure 4b) and near the surface, are almost identi-
cal, while the corresponding early-wood contributions show a minor change in the peak
position (Figure 4a).The situation is quite different for the NT data: in this case the con-
tributions far from the surface and near the surface are significantly different (Figure 4c

                                                                                                 147
R. Triolo et al. - Combined application of X-ray and neutron imaging techniques...




                                                                                     Figure 4. Histograms generated in different portions of the XT and NT slices. See text for
                                                                                     details.


                                                                                     and Figure 4d). As expected, both for early- and for late wood, the peak positions of the
                                                                                     contributions for histograms which refer to portions close to the surface, correspond to
                                                                                     higher attenuation coefficients.
                                                                                        The results so far obtained for Pinus Silvestris were also found for other woods (Fir,
                                                                                     Chestnut) [7, 12]. In all cases we found that, while for XT the histograms of the same
                                                                                     material in different regions of the slice change only slightly, it is not so for the NT meas-
                                                                                     urements. In these, the histograms from the early wood near the centre of the slice, dif-
                                                                                     fer from the histograms of the same wood near the edge of the slices. The same is true
                                                                                     for late wood. This is of course due to the fact that neutrons are quite sensitive to hydro-
                                                                                     gen and hence may distinguish between the two zones. This means that the combined
                                                                                     use of XT and NT is important when attempting to assess how well the consolidating
                                                                                     material penetrates into the wood, a key point in selecting the proper consolidation medi-
                                                                                     um. To further highlight the importance of the synergic use of XT and NT, in Figure 5 we
                                                                                     show more results obtained for the samples discussed so far. We generated histograms

                                 148
Figure 5. Dependence of the Gaussian peak positions from the distance from the surface
for XT and for NT. Different symbols refer to smaller, intermediate and higher attenuation
coefficient, respectively. Results refer to samples PB and PD. See text for more details.


for a series of slices with about 0.75 mm distance between each other, but excluded in
the operation, the portion of the slices close to the surface (ca. 4 mm) and the region
where the wood powder accumulated. The reason for not considering, in this compari-              Conservation Science in Cultural Heritage
son, the area close to the surface is that this area is the one which is more affected by
the accumulation of the consolidating medium, and therefore the one to which neutrons
are more sensitive. By not considering this area in obtaining the histograms, the fit should
essentially reflect the basic structural features of the wood itself, even if some changes
are produced by the diffusion of the consolidating medium. To fit each histogram we then
used three Gaussians (corresponding to the early- and to the late wood, i.e. the domi-
nating contributions, and to the intermediate region). In Figure 5 we report the peak posi-
tions obtained from the histograms obtained from the XT data for sample PB (insert a)
and PD (insert b). Inserts c) and d) report the peak positions obtained from the his-
tograms obtained from the NT data for the same samples.

                                                                                               149
R. Triolo et al. - Combined application of X-ray and neutron imaging techniques...




                                                                                     Figure 6. Dependence of the Gaussian peak positions from the distance from the surface
                                                                                     for XT and for NT of samples PE and PF. Different symbols refer to smaller, intermediate
                                                                                     and higher attenuation coefficient, respectively. See text for more details.


                                                                                        As expected, the trend shown for each peak does not seem to be heavily dependent
                                                                                     on the probe (X- ray or Neutron), as we did not use the portion more affected by the con-
                                                                                     solidating medium, although some differences can be observed. In addition, Figure 5
                                                                                     clearly shows that the portion of wood which is more sensitive to the diffusion of the con-
                                                                                     solidating medium, is the one corresponding to the early wood with larger pores and a
                                                                                     less compact structure, features which make the early wood more penetrable. The situa-
                                                                                     tion is expected to be different if greatly degraded samples are compared. This is the
                                                                                     case for samples PE and PF, whose histograms for different sections are shown in Figure
                                                                                     6. Again inserts a) and b) show histograms obtained from the XT data (sample PE (insert
                                                                                     a) and PF (insert b), respectively). The corresponding histograms obtained from the NT
                                                                                     data for the same samples, are shown in inserts c) and d), respectively. Trends for XT
                                                                                     and NT histograms are not quite as similar as those shown in Figure 5, and, as expect-
                                                                                     ed, the neutrons show a more systematic variation with the distance from the surface.

                                     150
5. Conclusion

   The role of different probes (X-rays and Neutrons) in investigating the structure of
items of archaeological interest has been highlighted by showing results obtained for
wood, a rather common material in items of archaeological interest. The fundamental role
of neutrons in investigating the distribution of the consolidating medium inside the wood
sample together with the good spatial resolution shown by X-rays (even in heavily con-
solidated samples where the Neutron image is not equally sharp), suggest that, whenev-
er possible, both techniques should be used. This would mean benefiting from their com-
plementary features when used in the field of cultural heritage.

Acknowledgements

   This research project has been supported by the Framework Agreement between
HZB, Technische Universität Berlin and Università di Palermo, by Fondi Ateneo of the
Università degli Studi di Palermo and by the European Commission through the
‘Research Infrastructures’ action of the ‘Capacities’ Programme. Contract n.: CP-
CSA_INFRA-2008-1.1.1 number 226507-NMI3.

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                                                                                     [10] http://www.volumegraphics.com/products/vgstudio/
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                                                                                          ment CONRAD at HMI Berlin, Physica B 385-386, 1235-1215. More recently the
                                                                                          resolution has been improved by a factor 4 with respect to the values reported in the
                                                                                          paper.
                                                                                     [12] R. TRIOLO et al., in preparation.



                                                                                                            Applicazione combinata a materiali lignei di tecniche di
                                                                                                            Imaging mediante raggi X e mediante Neutroni


                                                                                                            Parole chiave: raggi X, tecniche neutroniche di immagine, materiali lignei



                                                                                                            1. Introduzione
R. Triolo et al. - Combined application of X-ray and neutron imaging techniques...




                                                                                                                 Le tecniche di Imaging basate su raggi X e neutroni [1-6] sono molto impor-
                                                                                                            tanti quando si richiedono tecniche di indagine e di conservazione non distrut-
                                                                                                            tive di beni culturali. Un tipico esempio è quello di navi affondate, e di reperti da
                                                                                                            esse recuperati [7-8]. Oggetti di composizione estremamente variabile posso-
                                                                                                            no essere mascherati da spessi strati di concrezioni calcaree, al punto che non
                                                                                                            sarebbe possibile avere informazione sull’oggetto nascosto, senza danneggia-
                                                                                                            re in maniera non accettabile il reperto.
                                                                                                                 Nella maggior parte dei casi raggi X e neutroni forniscono informazione
                                                                                                            complementare. Questo è particolarmente vero per i materiali lignei (per esem-
                                                                                                            pio parti di navi affondate). Nel seguito mostreremo come tecniche basate sul-
                                                                                                            l’uso di raggi X e di neutroni possono essere usate in maniera complementare
                                                                                                            al fine di investigare la struttura macroscopica dei legni e di aiutarne la conser-
                                                                                                            vazione. Per esempio, usando i neutroni, una combinazione di Radiografia
                                                                                                            Neutronica (NR) e/o Tomografia Neutronica (NT) consente di investigare la
                                                                                                            struttura macroscopica del legno degradato prima e dopo il trattamento di con-
                                                                                                            solidamento e/o restauro. Inoltre i neutroni sono particolarmente sensibili all’
                                                                                                            Idrogeno, e quindi sono ideali nella ricerca di materiali organici e nello studio
                                                                                                            della loro distribuzione in reperti archeologici. D’altro canto i neutroni sono
                                                                                                            molto penetranti e quindi ideali per investigare reperti di dimensioni relativa-
                                                                                                            mente grosse. A confronto con i neutroni, i raggi X sono molto meno penetran-
                                                                                                            ti in materiali lapidei e metallici, anche se piccoli campioni di frammenti di opere
                                                                                                            d’arte possono essere studiati con tecniche di Imaging con fotoni X, con il van-
                                                                                                            taggio addizionale, di una maggiore risoluzione spaziale. Nell’esaminare legni
                                                                                                            degradati, nel seguito, discuteremo queste caratteristiche complementari.
                                                                                                            Ovviamente, quando possibile, l’uso combinato di tecniche basate su raggi X e
                                                                                                            neutroni è particolarmente utile nel campo dei Beni Culturali.
                                                                                                            2. Sperimentazione con tecniche di Imaging mediante raggi X e neutroni
                                                                                                                I metodi di Imaging sono basati sul rivelamento della radiazione trasmessa
                                                                                                            attraverso un dato mezzo (il campione) mediante “position sensitive detectors”.
                                                                                                            Il fascio di radiazione è attenuato differentemente dalle diverse parti del cam-
                                                                                                            pione, fornendo zone di contrasto diverse nell’immagine radiografica registrata.
                                                                                                            Per radiografie ad elevata risoluzione possono essere usati raggi X e Neutroni.
                                                                                                            I neutroni, interagiscono con il nucleo degli atomi, mentre i fotoni X interagi-
                                                                                                            scono con la distribuzione elettronica degli atomi. Ne consegue che i coefficienti
                                                                                                            di attenuazione dei raggi X aumentano con l’aumentare del numero di elettroni
                                                                                                            in un dato atomo, e quindi sono una funzione regolare del numero atomico. La


                                           152
probabilità di interazione neutrone-nucleo dipende dalla lunghezza di scattering
coerente acoh, che non è correlata in maniera regolare al numero atomico degli
elementi. Conseguentemente le proprietà di attenuazione dei vari elementi nei
confronti dei neutroni, mostrano una variazione non regolare con il numero ato-
mico, come mostrato in Figura 1. È importante puntualizzare che i neutroni oltre
che all’idrogeno, sono particolarmente sensibili ad alcuni atomi leggeri quali Li
e B, per i quali i raggi X non hanno un buon contrasto. Inoltre i neutroni posso-
no penetrare spessi strati di metalli com Pb, Fe e Cu, in condizioni nelle quali
anche raggi X di qualche centinaio di keV non consentirebbero standard espe-
rimenti di X ray Imaging. In questo contesto le due radiazioni appaiono com-
plementary nel caso di investigazioni radiografiche non distruttive.
    Nel caso di indagini tomografiche, il campione è ruotato intorno ad un asse
e proiezioni 2D vengono registrate ai differenti angoli. La ricostruzione mate-
matica della matrice dei coefficienti di attenuazione nel volume di campione illu-
minato dal fascio incidente può essere effettuata usando il set di proiezioni regi-
strate [9, 10]. A titolo di esempio la Figura 2 (vedere Figura 2 a colori, p. 231)
mostra una immagine tomografica neutronica di un piccolo oggetto ricavato da
un reperto. A sinistra è mostrata la foto del reperto, al centro una immagine
tomografica e a destra la ricostruzione dell’oggetto contenuto all’interno del
reperto. È chiaro che la ricostruzione dell’immagine è stata effettuata senza
danneggiare il reperto ed è stata possibile grazie alla grande penetrabilità dei
neutroni. In questo caso sarebbe stato molto difficile ottenere la stessa infor-
mazione usando i raggi X, a causa dello spessore dello strato di concrezione
calcarea.
    Tutti gli esperimenti riportati in questo lavoro sono stati effettuati presso il
centro Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie di Berlino (DE).
Per gli esperimenti che hanno usato neutroni si è fatto uso dello strumento
CONRAD [11]. Il fascio incidente è formato da neutroni con lunghezza d’onda
fra 0,2 e 1,2 nm. Il picco della distribuzione è a 0,35 nm. Il fascio è collimato
mediante fenditure poste a 5 m dal campione. Il detector è costituito da una
camera CCD con schermo a scintillazione di 20320 cm2. Il rivelatore CCD era
una camera (Andor DW-436N-BV) con chip raffreddato mediante peltier con
risoluzione 204832048 pixels. Il fascio, di 10310 cm2, consente l’investigazio-
ne di più di un campione alla volta. Il numero di proiezioni radiografiche era di
300 nell’arco di una rotazione di 180 gradi. La risoluzione spaziale ottenuta,
variava, in funzione delle dimensioni del campione studiato, fra 60 µm e 100
µm. Per gli esperimenti di tomografia i tempi di esposizione dei campioni varia-
va fra 2 e 5 ore. Per misure effettuate con fotoni X abbiamo fatto uso di uno
strumento XCT [9] basato su una sorgente a micro focus (Hamamatsu, L8121-
03) a 60 kV e 166 µA con dimensione focale di 7 µm. Le immagini erano regi-
                                                                                         Conservation Science in Cultural Heritage
strate mediante un pannello piatto (Hamamatsu, C7942SK-05) con pixel size di
50 µm. Valori del rapporto di amplificazione variabile, ottenuti variando le
distanze fra sorgente, campione e detector, hanno consentito una risoluzione
spaziale fra 10 µm e 50 µm nelle ricostruzioni dei dati tomografici. Il tempo di
esposizione variava fra 2 e 4 ore in dipendenza delle dimensioni del campione
e della amplificazione programmata. La ricostruzione volumetrica è stata effet-
tuata mediante software Octopus [9] e la visualizzazione ed analisi dei dati
mediante il software VGStudioMax [10]. La ricostruzione delle sezioni tomogra-
fiche veniva riportata in coefficienti di attenuazione su scala assoluta al fine di
consentire un confronto fra esperimenti effettuati su campioni differenti e in
tempi diversi.
3. Materiali
   Quattro campioni di Pinus Silvestris, degradati artificialmente mediante
Carie Bruna, sono stati consolidati con trattamenti diversi. I campioni PB e PE
sono stati consolidati a 45°C per immersione rispettivamente in una soluzione
al 7% in peso di Klucel in acetone e in etanolo. I campioni PD e PF sono stati
consolidati per immersione a 22 °C rispettivamente in una soluzione al 30% in
peso di Colofonia in acetone e in etanolo. I campioni sono stati impregnati per


                                                                                       153
                                                                                     8 giorni. Durante questo tempo le soluzioni sono state sostituite tre volte con
                                                                                     soluzioni fresche. Alla fine del trattamento i campioni sono stati seccati in stufa
                                                                                     per circa 20 giorni a 45°C [8].
                                                                                     4. Risultati sperimentali
                                                                                         Come esposto in precedenza, nell’esame di campioni di interesse archeolo-
                                                                                     gico, i raggi X ed i neutroni possono fornire interessante informazione comple-
                                                                                     mentare, in particolare con i campioni lignei (per esempio parti di relitti di nave).
                                                                                     A titolo di esempio, in Figura 3 (vedere Figura 3 a colori a pag. 231) sono ripor-
                                                                                     tate le immagini di tomografia X di una sezione interna di un campione di Pino
                                                                                     degradato artificialmente (Figura 3a) e quindi trattato con una soluzione in eta-
                                                                                     nolo di Colofonia al 30% in peso (Figura 3b) o con una soluzione di Klucel in
                                                                                     etanolo al 7% in peso (Figura 3c). Nelle Figure 3d, 3e e 3f sono riportate le
                                                                                     immagini delle stesse sezioni e degli stessi campioni, ricavate mediante tomo-
                                                                                     grafia neutronica. L’effetto della degradazione effettuata da Carie Bruna è chia-
                                                                                     ramente visibile (porzioni nere delle immagini). Nelle immagini XT 3a e 3b sono
                                                                                     chiaramente visibili le zone nelle quali si è accumulata la polvere di legno for-
                                                                                     matasi a seguito dell’attacco della Carie Bruna. Le stesse regioni sono appena
                                                                                     visibili nel caso delle immagini ricavate con NT. Sia le immagini XT che quelle
                                                                                     NT mostrano la struttura del legno con le distinte regioni del legno primaticcio
                                                                                     (colore più chiaro) e del legno tardivo (colore più scuro).
                                                                                         I vuoti naturali (canali della struttura legnosa) sono chiaramente visibili nel-
R. Triolo et al. - Combined application of X-ray and neutron imaging techniques...




                                                                                     l’immagine XT. È facile notare che le immagini XT, se raffrontate a quelle NT,
                                                                                     mostrano una più elevata risoluzione spaziale. D’altro canto le immagini NT
                                                                                     sono più sensibili alla presenza del mezzo consolidante (Colofonia e Klucel),
                                                                                     per cui le immagini sono meno nette, ma contengono più informazione sulla dis-
                                                                                     tribuzione del mezzo consolidante [7, 12]. Questo si nota in maniera particola-
                                                                                     re negli istogrammi delle immagini 3c e 3f mostrate accanto alle immagini stes-
                                                                                     se. La struttura complessa degli istogrammi NT è una chiara indicazione della
                                                                                     varietà di effetti evidenziati dai neutroni. Nel caso più semplice ci si attende-
                                                                                     rebbe che gli istogrammi possano essere riprodotti con tre gaussiane: una a
                                                                                     bassi valori del coefficiente di attenuazione, corrispondente ai vuoti (in genera-
                                                                                     le micro e macro vuoti), un’altra che descrive le regioni dominate dal legno pri-
                                                                                     maticcio ed una terza che descrive le regioni dominate dal legno tardivo.
                                                                                     Eventualmente una gaussiana ulteriore potrebbe rendersi necessaria per
                                                                                     descrivere la zona intermedia. Questa è la situazione che si trova nel caso della
                                                                                     tomografia X. Se si considera l’istogramma NT, si trova ancora una gaussiana
                                                                                     che descrive la distribuzione di vuoti a valori bassi del coefficiente di attenua-
                                                                                     zione. La rimanente porzione dell’istogramma non può essere riprodotta solo
                                                                                     con tre gaussiane, in quanto i neutroni sono particolarmente sensibili all’idro-
                                                                                     geno e quindi gli istogrammi sono sensibili alla distribuzione del mezzo conso-
                                                                                     lidante all’interno del campione ligneo. Evidentemente i raggi X possono chia-
                                                                                     ramente differenziare le regioni dominate dai componenti principali, ma non
                                                                                     sono altrettanto sensibili alle variazioni del coefficiente di attenuazione indotte
                                                                                     dal mezzo consolidante, formato da elementi leggeri. D’altro canto le immagini
                                                                                     NT sono più ricche di dettagli e descrivono le variazioni dei coefficienti di atte-
                                                                                     nuazione indotte dal mezzo consolidante, e nel fare ciò, in un certo senso paga-
                                                                                     no un prezzo, in termini di perdita di informazione sul contrasto fra le varie
                                                                                     regioni. Per dimostrare la correttezza di queste affermazioni abbiamo generato
                                                                                     istogrammi da porzioni diverse della stessa immagine. Naturalmente lo scopo
                                                                                     era anche quello di attribuire un preciso significato alla posizione delle gaus-
                                                                                     siane usate nel fit degli istogrammi. Abbiamo iniziato con il calcolare istogram-
                                                                                     mi corrispondenti solo al legno primaticcio e al legno tardivo in zone diverse del
                                                                                     campione, in particolare lontano dalla superficie (vicino al centro del campione)
                                                                                     e vicino alla superficie (dove il mezzo consolidante si trova a concentrazioni più
                                                                                     elevate). I corrispondenti istogrammi parziali sono mostrati in Figura 4. Negli
                                                                                     istogrammi ricavati da misure XT, le due gaussiane che identificano il legno tar-
                                                                                     divo vicino al centro e vicino alla superficie sono praticamente coincidenti
                                                                                     (Figura 4b), mentre i dati corrispondenti al legno primaticcio mostrano una lieve


                                       154
differenza (Figura 4a). Alquanto diversa è la situazione dei dati NT: in questo
caso gli istogrammi lontani dalla superficie e vicino alla superficie sono signifi-
cantemente diversi (Figura 4c e 4d).
     Come ci si potrebbe aspettare, inoltre, sia nel caso del legno primaticcio che
in quello del legno tardivo, la posizione dei picchi negli istogrammi ottenuti nella
porzione vicina alla superficie corrisponde a valori del coefficiente di attenua-
zione maggiore.
     Risultati analoghi a quelli trovati nel caso del Pinus Silvestris sono stati tro-
vati anche per altri legni (Abete, Castagno) [7, 12]. In tutti i casi abbiamo potu-
to costatare che gli istogrammi XT, per un dato materiale, non dipendono in
maniera sostanziale dalla regione presa nel calcolare l’istogramma; comporta-
menti diverso si nota nel caso NT, in cui, per esempio, istogrammi della porzio-
ne di legno primaticcio nelle vicinanze del centro del campione, differiscono
sostanzialmente da quelli ottenuti nelle vicinanze della superficie. Naturalmente
lo stesso risultato si è trovato per il legno tardivo. Ovviamente la causa di que-
sto comportamento è la sensibilità dei neutroni all’idrogeno e la loro conse-
guente abilità a distinguere le due zone. Una conseguenza di quanto detto sino
ad ora è che l’uso combinato di XT e NT è importante quando lo scopo delle
misure è quello di stabilire l’abilità del mezzo consolidante a penetrare nel cam-
pione ligneo, un punto chiave per valutare l’efficacia del processo di consolida-
mento e la scelta del mezzo consolidante. Al fine di evidenziare ulteriormente
l’importanza dell’uso sinergico di XT e NT, in Figura 5 si riportano altri risultati
ottenuti con i campioni sino ad ora descritti. Abbiamo generato istogrammi per
una serie di sezioni distanti l’una dall’altra 0,75 mm, escludendo però la por-
zione vicina alla superficie (circa 4 mm) e le regioni di accumulo di polvere di
legno. Il motivo per avere escluso, in questo confronto, la parte vicina alla
superficie, è che questa zona è particolarmente sensibile all’accumulo del
mezzo consolidante. Escludendo questa porzione nell’ottenere gli istogrammi,
il risultato del fit dovrebbe riflettere essenzialmente le caratteristiche strutturali
del legno, anche se cambiamenti indotti dalla migrazione del mezzo consoli-
dante sono da attendersi. Per il fit degli istogrammi si è fatto uso di tre gaus-
siane (corrispondenti ai contributi dominanti del legno primaticcio e di quello tar-
divo ed alla regione intermedia). In Figura F sono riportati gli istogrammi otte-
nuti da dati XT per il campione PB (inserto a) e PD (inserto b). Gli inserti c) e
d) riportano istogrammi ottenuti, per gli stessi campioni, mediante misure NT.
     Come ci si poteva attendere, nonostante qualche differenza, la variazione
mostrata dai vari picchi non sembra essere fortemente dipendente dalla sonda
(raggi X o neutroni), dal momento che la porzione più ricca di materiale conso-
lidante non è stata usata nel generare gli istogrammi. Inoltre la Figura 5 mostra
chiaramente che la porzione di legno più sensibile alla migrazione del mezzo
                                                                                           Conservation Science in Cultural Heritage
consolidante è quella corrispondente al legno primaticcio, che ha una struttura
meno compatta e con pori di maggior dimensione, caratteristiche che la rendo-
no più penetrabile del legno tardivo. Naturalmente differenze maggiori sono da
attendersi per campioni degradati in maniera più consistente. Questo è il caso
dei campioni PE e PF, i cui istogrammi per le differenti sezioni sono mostrati in
Figura 6. Anche in questo caso gli inserti a) (campione PE) e b) (campione PF)
mostrano istogrammi ottenuti dai dati XT. I corrispondenti istogrammi ottenuti
da dati NT sono mostrati rispettivamente negli inserti c) e d). Gli andamenti
degli istogrammi XT e NT non sono così simili come visto in Figura 5, e come
ci si aspetterebbe, i neutroni mostrano una più marcata variazione con la dis-
tannza dalla superficie.
5. Conclusioni
    Il ruolo di sonde differenti (raggi X e neutroni) nell’esame strutturale di ogget-
ti di interesse archeologico è stato messo in evidenza mostrando risultati otte-
nuti per campioni di legno, un materiale comune in reperti di interesse archeo-
logico. Il ruolo fondamentale dei neutroni nell’esame della distribuzione del
mezzo consolidante all’interno del campione e la buona risoluzione spaziale
mostrata dai raggi X, anche in campioni fortemente consolidati, la cui immagi-


                                                                                         155
                                                                                     ne neutronica non è altrettanto netta, suggerisce, quando sia possibile, l’uso combinato delle due tecniche,
                                                                                     al fine di trarre vantaggio della loro complementarietà.
                                                                                     Rringraziamenti
                                                                                        Il progetto di ricerca che ha generato questo lavoro, ha ricevuto supporto economico attraverso il
                                                                                     Framework Agreement fra HZB, Technische Universität Berlin e Università di Palermo, i Fondi di Ateneo
                                                                                     dell’Università di Palermo e dalla Commissione Europea attraverso la ‘Research Infrastructures’ action of
                                                                                     the ‘Capacities’ Programme. Contract n.: CP-CSA_INFRA-2008-1.1.1 number 226507-NMI3.




                                                                                     Summary
                                                                                     Conservation of Cultural Heritage is extremely important not only from a cultural point of view, but
                                                                                     also from a practical one. It is our duty to pass on to future generations the cultural heritage left to
                                                                                     us by our ancestors. Wood is one of the most common materials used to generate works of art which
                                                                                     are in a state of constant change and/or deterioration. In order to optimize the knowledge of artworks
                                                                                     together with their conservation, it is necessary to use the most advanced scientific and technolog-
                                                                                     ical tools. In the following paper, we will show the results which can be achieved by application of
                                                                                     complementary techniques based on the combined use of X-rays and neutrons as structural probes.
R. Triolo et al. - Combined application of X-ray and neutron imaging techniques...




                                                                                     Riassunto
                                                                                     La Conservazione di Beni Culturali è di grande importanza non solo dal punto di vista culturale ma
                                                                                     anche da un punto di vista pratico. Dobbiamo sentire il compito di trasmettere ai nostri discendenti
                                                                                     il retaggio culturale che ci è stato trasmesso dai nostri avi. Il legno, uno dei materiali più comuni
                                                                                     usato per opere d’arte, è sottoposto ad un costante processo che ne comporta variazioni e/o dete-
                                                                                     rioramento. Al fine di ottimizzare la conoscenza di reperti storico-artistici e renderne possibile la loro
                                                                                     conservazione è imperativo l’uso di tecniche scientifiche e tecnologiche di avanguardia. Nel segui-
                                                                                     to mostreremo alcuni dei risultati che possono essere ottenuti mediante l’applicazione di tecniche
                                                                                     complementari basate sull’uso combinato di raggi X e di neutroni come sonde strutturali.


                                                                                     Résumé
                                                                                     La Conservation de biens culturels est de grande importance non seulement du point de vue cultu-
                                                                                     rel mais aussi du point de vue pratique. Nous devons ressentir la tâche de transmettre à nos des-
                                                                                     cendants l’héritage culturel qui nous a été transmis par nos ancêtres. Le bois, un des matériaux les
                                                                                     plus communs utilisés pour les œuvres d’art, est soumis à un constant procès qui en comporte varia-
                                                                                     tions et/ou détérioration. Afin d’optimiser la connaissance de pièces historico-artistiques et en rend-
                                                                                     re possible la conservation, il est impératif d’utiliser les techniques scientifiques et technologiques
                                                                                     d’avant-garde. Par la suite, nous montrerons certains des résultats qui peuvent être obtenus moyen-
                                                                                     nant l’application de techniques complémentaires basées sur l’utilisation combinée de rayons X et
                                                                                     de neutrons comme des sondes structurelles.


                                                                                     Zusammenfassung
                                                                                     Die Konservierung von Kulturgütern ist von großer Bedeutung nicht nur in kultureller Hinsicht, son-
                                                                                     dern auch unter praktischen Gesichtspunkten. Wir müssen uns der Aufgabe stellen, unseren
                                                                                     Nachfahren das kulturelle Netz weiterzugeben, das uns von unseren Ahnen überliefert wurde. Das
                                                                                     Holz, eines der gebräuchlichsten Materialien für Kunstwerke, ist einem ständigen Prozess unter-
                                                                                     worfen, der zu Veränderungen und/oder seinem Zerfall führt. Um die Kenntnis von historisch-künst-
                                                                                     lerischen Fundstücken zu optimieren und ihre Konservierung zu ermöglichen, ist die Anwendung
                                                                                     wissenschaftlicher Techniken und Technologien der Avantgarde unerlässlich. Im Folgenden zeigen


                                        156
wir einige der Ergebnisse, die durch Anwendung komplementärer Techniken erzielt werden können,
die auf der kombinierten Verwendung von Röntgenstrahlen und Neutronen als Struktursonden beru-
hen.


Resumen
La Conservación de los Bienes Culturales es de gran importancia no sólo desde el punto de vista
cultural, sino también desde un punto de vista práctico. Tenemos que sentir el deber de transmitir a
nuestros descendientes el patrimonio cultural que nos han legado nuestros antepasados. La made-
ra, uno de los materiales más comunes utilizados para obras de arte, está sometido constantemente
a un proceso que comporta variaciones y/o deterioro. A fin de optimizar el conocimiento de las pie-
zas histórico-artísticas y hacer posible su conservación, es imperativo utilizar técnicas científicas y
tecnológicas de vanguardia. A continuación mostraremos algunos de los resultados que pueden
obtenerse mediante la aplicación de técnicas complementarias basadas en el uso combinado de
rayos X y neutrones como sondas estructurales.


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                                                                                                            Conservation Science in Cultural Heritage




                                                                                                          157
