Archeometria - tesina

2.1. IL SISTEMA AMS DEL CEDAD

CEDAD

Il (CEntro di DAtazione e Diagnostica) è un centro di ricerca e

servizi del dipartimento di Ingegneria dell’Innovazione dell’Università del

Salento, che dispone di tecnologie nucleari ed ottiche per applicazioni in

svariati campi di ricerca, dalla fisica all’ingegneria, dall’archeologia alla

biologia, alla medicina legale, all’ambiente e molti altri ancora. Esso è

anche il primo centro italiano (e uno dei pochi in Europa) a disporre di un

TANDETRON

acceleratore di particelle di tipo (Fig. 2.1) per le datazioni

al radiocarbonio mediante la tecnica AMS e per le analisi dei materiali

mediante fasci di particelle.

Figura 2.1 – Il Tandetron del CEDAD

(nel rettangolo in rosso la linea AMS).

Il nome Tandetron deriva dal fatto che esso è un acceleratore di tipo

TANDEM, ovvero un doppio acceleratore lineare, dove le particelle vengo

accelerate 2 volte. Prodotto in Olanda, è un acceleratore ad Alta Tensione,

arriva a lavorare, infatti, a una tensione pari a 3 MeV (Mega Volt, 3 milioni

di Volt), accelerando le particelle sino ad una velocità di milioni di metri al

secondo. 25

All’acceleratore Tandetron sono connesse quindi 5 linee di fascio, ognuna

delle quali determina un tipo di analisi differente, e sono rispettivamente:

Accelerator Mass Spectrometry (AMS).

Ion Implantation.

Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) / Channeling.

Particle Induced X-ray Emission (PIXE) / Particle Induced

Gamma-ray Emission (PIGE).

µ-probe.

Nuclear

Per le finalità interessate dal nostro studio, si analizzerà nel dettaglio

esclusivamente la linea AMS.

2.1.1. I TRATTEMENTI DEL CLAMS

Come anche esposto nel capitolo precedente, un campione, prima di

arrivare sul tavolo del laboratorio per essere analizzato e quindi datato,

deve subire una serie di trattamenti tesi a eliminare eventuali

contaminazioni che possano falsare il risultato finale. In particolare, poi,

nel momento in cui si decide di effettuare una datazione mediante AMS, il

campione deve necessariamente trovarsi allo stato solido, o meglio

grafitizzato.

Le contaminazioni di un campione che possono portare ad un alterazione

della datazione finale, possono essere suddivise sostanzialmente in 2 tipi:

Contaminazioni in SITU,

1) ovvero legate all’esposizione

all’ambiente di provenienza del campione, al suo degrado naturale

e alle trasformazioni diageniche (come ad esempio crescita

fungale, intrusioni di radichette, assorbimento acidi umici,

inclusioni successive di carbonati tramite acque freatiche etc.).

26

Contaminazioni esterne o ESOGENE,

2) in altre parole quelle che

avvengono durante il campionamento, la raccolta e la

conservazione del campione (ad esempio la cenere di sigaretta,

frammenti di cibo, carta ovattata etc.), quelle che avvengono

durante la fase di combustione, di grafitizzazione, di pressione o

persino durante le fasi della misura stessa con l’acceleratore.

CLAMS

Ed è per tutti questi motivi che il CEDAD dispone anche del

(Chemical Laboaratories for Accelerator Mass Spectrometry), dei

laboratori che sottopongo il campione da datare a pretrattamenti di natura

sia fisica che chimica:

PRETTRATAMENTI FISICI, è applicato a tutti i tipi di campione

di materiale organico ed inorganico:

- Il campione è inizialmente osservato al microscopio ottico.

- Vi è la rimozione delle contaminazioni più evidenti (radichette,

inclusioni di sedimento, incrostazioni, minerali etc.).

- Separazione di frazioni di campione non coevi o di diversa

natura, per la datazione di confronto.

- Riduzione del campione in frammenti di ridotte dimensioni per

aumentare la superficie sottoposta ai successivi trattamenti

chimici.

PRETRATTAMENTI CHIMICI, si differenziano in base alla natura,

quantità e grado di contaminazione del campione da analizzare:

- Per i campioni di natura organica (ossa, carboni, sedimenti etc.)

viene utilizzato il sistema AAA (alcalino, acido, alcalino).

- Per i campioni di natura inorganica (carbonati, conchiglie etc.)

viene utilizzato l’HCl (acido cloridrico).

27

- Sono tutti trattamenti più aggressivi di quelli fisici, con rimozione

di contaminanti fortemente assorbiti dal “BULK” (corpo) del

campione (ad esempio materiali utilizzati per le fasi di restauro o

consolidamento dei reperti come colle, cere o resine).

Inoltre il trattamento chimico acido, condotto prevalentemente con HCl,

di origine estrinseca, vale a dire

permette al campione di liberarsi della CO

2

di quella presente all’esterno del campione quando esso non è ancora stato

ripulito dai fattori di contaminazione di origine esterna.

Come detto, il campione, prima di essere analizzato nell’acceleratore, deve

essere portato allo stato solido e trasformato quindi in grafite. Ed è proprio

per questo che, una volta trattato ed eliminato dagli eventuali agenti

contaminanti, il campione è convertito in CO ; la conversione può avvenire

2

in 2 modi differenti: COMBUSTIONE.

- Per i campioni organici, la CO è prodotta per

2 ACIDIFICAZIONE.

è prodotta per

- Per i campioni inorganici, la CO

2

Ottenuta la CO , per riportarla allo stato solido e convertirla in grafite, essa

2

è fatta reagire a 600°C con dell’Idrogeno (H) “puro”, ovvero un’H trattato

ed eliminato da qualsiasi presenza di Carbonio che altrimenti potrebbe

contaminare e falsare al datazione finale, e con 2mg di Ferro (Fe); per lo

stesso motivo viene anche eliminata l’H O di formazione. La reazione che

2

si genera è detta Riduzione Catalitica su polvere di Ferro, o:

REAZIONE DI BOSCH

Fe (2mg)

CO + 2H C + 2H O

2(g) 2(g) (s) 2 (s)

600°C L’acqua è solida perché portata

g = gassoso Il Carbonio ad una temperatura inferiore ai

s = solido convertito in grafite 0° e quindi congela.

28

Figura 2.2 – Sistema di grafitizzazione del CLAMS.

Il CLAMS è dotato di un sistema automatizzato per la preparazione dei

campioni da datare tramite AMS, che consente di grafitizzare, mediante

riduzione catalitica su polvere di ferro a 600°, fino a 8 campioni

contemporaneamente per una durata totale di circa 4 ore (Fig. 2.2 e 2.3).

CELLA DI

GRAFITIZZAZIONE Trasduttore

di pressione Cella di raccolta H O

2

di reazione (-10/-20°C) Alloggiamento

Ampolla di Trasporto

CELLA DI GRAFITIZZAZZIONE, raccoglie la grafite

prodotta; riesce ad immagazzinare fino a 200 millibar; qui

vengono inseriti i 2mg di polvere di Fe ultra puro (senza C).

La cella viene a sua volta inserita in un fermo a 600°C per

ottenere la reazione e quindi la grafite.

Figura 2.3 – Rappresentazione schematica del sistema di grafitizzazione.

29

2.2. LA MISURA CON AMS

Figura 2.4 – Rappresentazione schematica della linea di

Spettrometria di Massa con Acceleratore Tandem.

Dopo il trattamento e la conversione in grafite, il campione può finalmente

essere introdotto all’interno del sistema AMS per essere misurato e quindi

datato.

Lo scopo principale della misurazione è di identificare e contare gli ioni di

14 C rispetto alle altre specie atomiche e molecolari di massa simile,

andando quindi a eliminare le eventuali contaminazioni prodotte dalle altre

molecole che, nonostante possano essere presenti solo in traccia nel

campione (ovvero in “ppm”, in parti per milione), sono comunque

14

numericamente molto più abbondanti rispetto al C. La loro eliminazione

avviene attraverso un’analisi dispersiva, effettuata tramite l’uso

dell’acceleratore di particelle e di campi elettrici e magnetici che deviano le

traiettorie delle particelle cariche, in funzione della loro massa e della loro

carica. Non bisogna mai dimenticare poi, che il sistema AMS lavora in

condizioni di vuoto e a pressioni elevatissime.

30

2.2.1. LA SORGENTE IONICA

La sorgente è innanzitutto il luogo dove alloggiano i campioni; vi è, infatti,

una camera porta campioni costituita da un disco capace di ospitare fino a

un massimo di 58 campioni di grafite per volta, ognuno dei quali è

rispettivamente inserito in minuscole celle (dell’ordine di 2 mm).

Attraverso un sistema automatizzato, lo strumento estrae un singolo

campione per volta che va quindi ad essere inserito nella zona preposta

-

.

della sorgente ionica ad estrarre il fascio di C

TARGET

Il selezionato (ovvero il mio campione grafitizzato), viene

SPUTTERING ioni

quindi bombardato per da particelle pesanti quali

+ -

Cesio (Cs ), che portano all’estrazione del fascio di ioni negativi C ,

12 - 13 - 14 -

ovvero di C , C , C ed altre particelle che verranno in seguito

eliminate (Fig. 2.5). IONIZATTORE di

Tungsteno caldo

TARGET 100 °C

+

Cs -

C

+

Cs 12 -

Ovvero: C

13 - 14 -

C C

Figura 2.5 – Rappresentazione schematica della Sorgente Ionica.

31

Nella Sorgente Ionica la misura viene effettuata su 27 punti diversi, ciò

vuol dire che il campione viene bombardato dal fascio di ioni Cs per ben 27

volte; questa operazione è ripetuta per 7 – 8 volte (7x27) per cercare di

rendere la misura quanto più accurata e precisa possibile.

-

Terminata questa fase, il fascio di C prosegue la sua corsa sparato

all’interno dell’acceleratore.

2.2.2. L’ANALIZZATORE ELETTROSTATICO A 54°

-

Il fascio di C , prima di passare nell’acceleratore, deve attraversare quelli

che potrebbero definirsi come 2 veri e propri filtri, i quali permettono un

ulteriore scrematura degli atomi non interessati dalla misura (una prima

selezione avviene già con la reazione che determina la creazione del

fascio). Il primo è il cosiddetto Selettore (o Analizzatore) Elettrostatico a

54° che, in base al rapporto Energia/Carica (E/q), determina la separazione

dal fascio solo ad una prestabilita categoria di particelle, decisa in prima

analisi dall’operatore nel momento in cui è stabilita la tipologia di misura

da effettuare.

In funzione del rapporto E/q, con l’ausilio di un campo elettrico, gli ioni

sono deflessi lungo una traiettoria circolare di raggio R, che si esprime con

la formula: ∆V

R = 2 E d / q

Dove:

R = raggio di curvatura

E = energia

d = distanza tra gli elettrodi (o armature)

q = carica

∆V = differenza di potenziale (= 7890 Volt)

32

2.2.3. IL BOUNCER_INIEZIONE SEQUENZIALE

Il secondo “filtro” segue pressappoco i principi di funzionalità del selettore

a 54°, ed è il cosiddetto BOUNCER. Esso è costituito da un magnete che

attraverso la produzio