CC BY
27
РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ АНАЛИЗ, КАК МЕТОД ЧТЕНИЯ ДРЕВНИХ ПЕРГАМЕНТОВ
12 1 © Гурьева П.В. , Конов К.И. , Боловин А.А.
Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», г. Москва
Был проведен рентгенофлуоресцентный анализ фрагмента текста красного цвета и получена картина распределения элементов по области сканирования. Доказана возможность визуализации и чтения фрагментов текста с помощью синхротронного излучения.
Ключевые слова: синхротронное излучение; рентгенофлуоресцентный анализ, пергамент, чтение текста, распределение элементов.
Большой исторический интерес вызывает возможность чтения древних угасших рукописей, а также рукописей, подвергшихся стиранию и переписыванию [1]. Поскольку чернила проникают в пергамент достаточно глубоко и в своем составе содержат такие тяжелые элементы как: железо, ртуть, свинец, то при использовании высокоинтенсивного синхротронного излучения, вызывающего рентгеновскую флуоресценцию этих элементов, сигнал от которой может быть зарегистрирован современным полупроводниковым детектором, открывается уникальная возможность неразрушающего анализа элементного состава древних чернил [2-4], а также рентгеновской цифровой визуализации скрытого или угасшего исторического текста [5]. Благодаря чрезвычайно высокой интенсивности синхротронного излучения возможно регистрировать ничтожно малые концентрации элементов. В Стэнфордской лаборатории синхротронного излучения (США) была проведена масштабная работа по сканированию и последующей реконструкции текста древней рукописи Архимеда, скрытого под написанным значительно позднее текстом молитвенника. Благодаря рентгеновскому синхротронному излучению удалось расшифровать ранее нерасшифрованные страницы рукописи [6, 7].
Метод рентгенофлуоресцентного элементного анализа (РФА) [8] основан на том, что элементы с атомным номером от 11 (натрий) и больше после ионизации их рентгеновским излучением, электронным или ионными пучками способны излучать в рентгеновской области Er > 1 keV так называемое характеристическое излучение, имеющее линейчатый спектр. Для идентификации и определения концентрации элементов используются наиболее интенсивные линии характеристического излучения Ka1,2, La12, Lß12 реже Kß1, Ly1.
1 Бакалавр.
2 Студент.
Возбуждение спектров РФА обычно производится с помощью рентгеновских трубок, радиоактивных изотопов, источников электронных пучков с энергией до 50 кэВ и протонных с энергией до 2-5 МэВ. Использование каждого из перечисленных источников накладывает свои ограничения на чувствительность, пространственное разрешение и глубину анализа пробы, а так же на количество анализируемых элементов.
Процессы возбуждения спектра РФА с помощью рентгеновского излучения и заряженных частиц имеют принципиально различную зависимость сечения ионизации К (Ц) оболочек от энергии возбуждения. Количественное рассмотрение величин сечения ионизации и фоновых процессов в образце приводит к выводу, что использование заряженных частиц (предпочтительно тяжелых - протонов, ионов) оправдано лишь для РФА на легкие элементы; электронов - при необходимости очень высокой локальности анализа (< 1-10 мкм2).
РФА с возбуждением электронным пучком практически применяется, в основном, в электронно-зондовых микроанализаторах (ЭМА). При этом полупроводниковый детектор (ППД) устанавливают на сканирующий электронный микроскоп и РФА спектр является дополнительной информацией к получаемому изображению микрообъекта. Относительная чувствительность ЭМА невелика и даже для удобной для этого метода группы легких элементов Са - Т не превышает 10-4 г/г. Фон тормозного излучения при электронном возбуждении определяет предел относительной чувствительности ЭМА. Быстрый рост тормозного фона ограничивает допустимую энергию электронного пучка Е0 значениями 30-50 кэВ. При этом возможно эффективное возбуждение К-серий лишь легких элементов (2 < 18-25).
Сравнение экспериментальных результатов по протонному и рентгеновскому возбуждению с использованием изотопов и трубок показывает примерно равную предельную чувствительность этих методов (> 10-6 г/ г в легких матрицах). При этом протонное возбуждение К-серий эффективно лишь для легких элементов (ЕК > 6-8 кэВ). Для большинства более тяжелых элементов предпочтительнее возбуждение рентгеновским излучением. Преимуществом ЭМА является возможность острой фокусировки возбуждающего пучка. При размере пучка 1 мкм2 характерное значение плотности потока электронов составляет «1012 мкм-2 сек-1. Яркость характеристического излучения с поверхности образца «105 фот-сек-1 мкм-2 стерад-1 при 100 % концентрации элемента. При эффективном (с учетом рассеяния электронов в образце) объеме анализа 102 мкм3 абсолютная чувствительность ЭМА весьма велика и составляет 10-13 - 10-14 г.
Возбуждение спектра РФА пучками протонов и тяжелых ионов, сохраняя возможность фокусировки пучка на образце вплоть до 3 мкм2, позволяет увеличить чувствительность анализа в 100-1000 раз по сравнению с ЭМА за счет снижения фона тормозного излучения.
158 УПРАВЛЕНИЕ ИННОВАЦИЯМИ: ТЕОРИЯ, МЕТОДОЛОГИЯ, ПРАКТИКА
Использование рентгеновской компоненты СИ в качестве источника возбуждения для РФА позволяет радикально улучшить по сравнению с возбуждением рентгеновской трубкой или изотопами такие характеристики метода, как: отношение сигнал / шум, минимальное количество анализируемого вещества, диапазон и плавность перестройки энергии.
СИ обладает рядом важных для процесса РФА особенностей.
1. Малая угловая расходимость пучка Дф s 1/у. Это свойство позволяет монохроматизировать и фокусировать пучок СИ кристаллом мо-нохроматором с небольшими потерями.
2. Естественная высокая степень поляризации СИ позволяет снизить фон когерентного и комптоновского рассеяния первичного излучения на образце.
3. Высокая интенсивность и непрерывный спектр СИ позволяют реализовать плавно перестраиваемое в широком диапазоне энергий рентгеновское монохроматическое возбуждение со спектральной плотностью освещенности образца в фокусе до 1015 фот/с-мм2 кэВ.
Образец, древней пергаментной рукописи представляет собой фрагмент пергамента с текстом красного цвета.
Исследование пергамента осуществлялось методом рентгенофлуорес-центного анализа. Рентгенофлуоресцентный элементный анализ проводится в традиционном варианте, где изучение наличия элементов в образце осуществляется на основе детектирования и последующего анализа энергетического спектра рентгеновского флуоресцентного излучения, измеренного с помощью полупроводникового детектора.
Сканирование текста осуществлялось белым пучком синхротронного излучения. Для максимального выхода рентгеновской флуоресценции поглотители не использовались, в связи с этим перед сканированием исторического пергамента был проведен ряд экспериментальных тестов по тепловому воздействию белого пучка синхротронного излучения на специально подготовленные для такого тестирования образцы пергамента. В ходе эксперимента повреждения тестовых образцов не было обнаружено, что позволило нам не использовать поглотители.
Для определения возможности получения рентгеновского изображения текста, была выбрана область с визуально читаемыми буквами красного цвета, размер области составлял 13x1 9 мм, размер щели 0,5 мм.
На рисунке 1 приведен экспериментальный спектр синхротронного рен-тгенофлуоресцентного излучения от пергамента с красными чернилами. Присутствие интенсивных линий свинца, в основном элементном составе используемых чернил красного цвета позволяет с большой степень вероятности заключить, что основным типом чернил, которым был написан текст, являлся свинцовый сурик с небольшими добавками киновари.
На рисунке 2(а) приведена оптическая фотография в видимом свете фрагмента текста, а на рисунке 2(б) цифровое рентгеновское изображение этого же фрагмента на спектральной линии свинца. Следует отметить достаточно хорошее соответствие оптического и рентгеновского изображений, что демонстрирует возможность рентгеновской цифровой визуализации текста на древних пергаментах с помощью синхротронного излучения.
1в1, ал. Спектр пергамента с текстом красного цвета
Л ВГ РЬц , д
Са 1 1 л / И>:1
* Ре=.[ Ь. и А / V | / и У \
ЛГ 4 ¥
'.--КйШР
-
О 2000 4000 5000 3000 10000 12000 14000 16000
Е,еУ
Рис. 1. Экспериментальный спектр синхротронного рентгенофлуоресцентного излучения от пергамента с красными чернилами
(а) (б)
Рис. 2. Отсканированная область в видимом и рентгеновском диапазонах длин волн
Было проведено элементное картирование фрагмента текста написанного чернилами красного цвета на древнем пергаменте. Определен элементный состав чернил красного цвета, на основе которого сделано заключение, что основным типом чернил, которым был написан текст, являлся свинцовый сурик с небольшими добавками киновари. Показано полное соответствие фрагмента текста, написанного красными чернилами с его изображением в рентгеновском диапазоне длин волн, и доказана возможность с помощью синхротронного излучения чтения текстов с поверхности пергаментов.
160 УПРАВЛЕНИЕ ИННОВАЦИЯМИ: ТЕОРИЯ, МЕТОДОЛОГИЯ, ПРАКТИКА
Список литературы:
1. Proceedings of the «Conference on Natural Sciences and Technology in Manuscript Analysis» at the University of Hamburg, Centre for the Study of Manuscript Cultures, 4-6 December 2013.
2. Hahn O., Malzer W., Kannegiesser B. et al. Characterization of iron-gall inks in historical manuscripts and music compositions using X-ray fluorescence spectrometry. // X-Ray Spectrometry, 33 (2004) 234-239.
3. E. Brun, M. Cotte, J. Wright, et al. Revealing metallic ink in Herculaneum papyri. // PNAS, 21 March 2016. DOI: 10.1073/pnas.1519958113.
4. Tack P., Cotte M., Bauters S. et al. Tracking ink composition on Herculaneum papyrus scrolls: quantification and speciation of lead by X-ray based techniques and Monte Carlo simulations // Scientific Reports, 08 February 2016. DOI: 10.1038/srep20763
5. Glaser L., Deckers D. The basics for fast-scanning XRF element mapping for Iron- gall ink palimpsests // Proceedings of the «Conference on Natural Sciences and Technology in Manuscript Analysis». University of Hamburg, Centre for the Study of Manuscript Cultures. Hamburg, 2013, Pages 104-112. ISSN 1867-9617.
6. Placed under X-ray gaze, Archimedes manuscript yields secrets lost to time // Stanford Report, May 19, 2005.
7. Bergmann U. Synchrotron rapid-scan X-ray fluorescence imaging of ancient documents // Proceedings of the «Symposium on digital imaging of ancient textual heritage: technological challenges and solutions». 28-29 October, 2010, Helsinki, Finland. Pages 39-50.
8. Artemiev A.N., Artemiev N., Dyatlov A., Kirillov B., Kvardakov V, Ma-evskiy A., Nayda O. and Zabelin, A. «Station for investigation with high spatial resolution on Kurchatov SR source», Nuclear Instruments & Meth. A 575 (2007) 228-230.
МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ОБУЧЕНИЯ ПЕРСОНАЛА ОРГАНИЗАЦИИ И ИХ СТАТУС В СИСТЕМЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
© Ламзин Р.М.1, Якимчук Г.Д.2
Волгоградский государственный социально-педагогический университет,
г. Волгоград
В статье рассматриваются основные разновидности методических материалов, которые могут использоваться для подготовки и перепод-
1 Старший преподаватель кафедры Управления персоналом.
2 Студент 2 курса факультета Экономики и управления.
