Caratterizzazione e ottimizzazione di un apparato XRF per analisi in situ su oggetti d’interesse storico e artistico. ​

X-ray fluorescence, generally called XRF (X-Ray Fluorescence), is an analysis technique that allows to perform qualitative and quantitative investigations of the chemical elements included in an inorganic material. The interaction of the primary X-ray beam with the atoms constituting the sample produces the emission of secondary X-rays, characteristic of the atomic species included in the material. The identification of the peaks included in the X emission spectrum thus obtained allows to identify the elements contained in the irradiated section of the sample. XRF represents one of the most widely used techniques in the field of diagnostics for cultural heritage, as, in addition to being non-invasive, it does not require preliminary preparation of the samples and can be performed in the air, making it suitable for the development of a portable and transportable device for in situ analyses. For this purpose, an XRF scanner for in situ analysis was developed within the INFN-CHNet (Cultural Heritage Network), the network of competence for cultural heritage of the National Institute of Nuclear Physics (INFN), that allows to create elemental maps of the analysed sample. As part of the NEXTO project (NEw X-Ray diagnostic TOols for cultural heritage), a new prototype of this instrument is currently under development, which will be configured as an upgrade of the device in use, allowing better counting efficiency and the integration of a detector which allows to perform radiographies and tomographies using the same instrument. The thesis work focused on the characterization of the devices that makes up the new XRF scanner prototype and on the application to a case study of some ceramic samples from funeral sites of the late Yayoi period in Japan, in the context of the "BeArchaeo" project that involves, among the various partners, the University of Turin and the Japanese prefectures of Okayama and Shimane. The paper starts with an introduction concerning the physics of X-rays, the phenomenon of X-ray fluorescence and a description of the experimental apparatus used. The characterization of the radiogenic source of the apparatus is then dealt with, carried out to understand which area of the sample is probed during a punctual measurement. The operation of the digitizer is then described and the optimal configuration of the acquisition parameters of the XRF spectra is obtained. Finally, the analyses carried out on the ceramic samples to test the device are presented. ​

La fluorescenza a raggi X, generalmente chiamata XRF (X-Ray Fluorescence), è una tecnica di analisi che permette di eseguire indagini qualitative e quantitative degli elementi chimici presenti in un materiale inorganico. L'interazione del fascio di raggi X primario con gli atomi costituenti il campione produce l'emissione di raggi X secondari, caratteristici delle specie atomiche presenti nel materiale. L'identificazione dei picchi presenti nello spettro di emissione X così ottenuto permette di identificare gli elementi contenuti nella sezione irraggiata del campione. L'XRF rappresenta una delle tecniche maggiormente utilizzate nel campo della diagnostica per i beni culturali, in quanto, oltre ad essere non invasiva, non necessita di una preparazione preliminare dei campioni e può essere eseguita in aria, risultando quindi adatta allo sviluppo di una strumentazione portatile e trasportabile per effettuare analisi in situ. A tale scopo, all'interno della rete INFN-CHNet (Cultural Heritage Network), la rete di competenza per i beni culturali dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) è stato sviluppato uno scanner XRF per analisi in situ che permette di costruire delle mappe elementali del campione analizzato. Nell’ambito del progetto NEXTO (NEw X-Ray diagnostic TOols for cultural heritage) è attualmente in corso di realizzazione un nuovo prototipo di tale strumento, che si andrà a configurare come un upgrade dell'apparato in uso, permettendo una migliore efficienza di conteggio e l'integrazione di un rivelatore che rende possibile l'esecuzione di radiografie e tomografie utilizzando il medesimo strumento. Il lavoro di tesi si è focalizzato sulla caratterizzazione della strumentazione che compone il nuovo prototipo di scanner XRF e sull'applicazione a un caso studio di alcuni campioni ceramici provenienti da siti funebri del tardo periodo Yayoi in Giappone, nel contesto del progetto "BeArchaeo" che coinvolge, tra i vari partner, l'Università di Torino e le prefetture Giapponesi di Okayama e Shimane. L'elaborato si apre con un'introduzione riguardante la fisica dei raggi X, il fenomeno della fluorescenza a raggi X e con una descrizione dell'apparato sperimentale impiegato. Viene in seguito trattata la caratterizzazione della sorgente radiogena dell'apparato, effettuata per comprendere quale sia l'area del campione sondata durante una misura puntuale. Viene poi descritto il funzionamento del digitalizzatore e viene ricavata la configurazione ottimale dei parametri di acquisizione degli spettri XRF. Vengono infine presentate le analisi effettuate sui campioni ceramici per testare la strumentazione.