Wykorzystanie technik termowizyjnych i radiacyjnych w badaniach i konserwacji dzieł sztuki.pdf

Wykorzystanie technik termowizyjnych i radiacyjnych w badaniach

i konserwacji dzieł sztuki

Dr in Ň . Jan Perkowski

Mi ħ dzyresortowy Instytut Techniki Radiacyjnej, Politechnika Łódzka, ul. Wróblewskiego 15,

93-590 Łód Ņ . tel: 042 6313181, fax: 042 6840043, e-email:japerepi@mitr.p.lodz.pl

Dr. hab. in Ň . Bogusław Wi ħ cek

Instytut Elektroniki, Politechnika Łódzka, 90-924 Łód Ņ , ul. Wólcza ı ska 211/215, email:

wiecek@p.lodz.pl

Rozwój cywilizacji to z jednej strony coraz wi ħ ksze zanieczyszczenie Ļ rodowiska

powoduj Ģ ce wiele zagro Ň e ı i zniszcze ı , z drugiej to rozwój nowoczesnych metod

przeciwdziałania oraz usuwania zaistniałych skutków. Te wła Ļ nie zagadnienia w pełnej skali

wyst ħ puj Ģ w problematyce przechowywania i konserwacji ró Ň norodnych dzieł sztuki.

Zwi Ģ zane jest ono przede wszystkim z profilaktyk Ģ , czyli stosowaniem wła Ļ ciwych

warunków przechowywania i wystawiennictwa dzieł sztuki oraz konieczno Ļ ci Ģ badania

obiektów aby w sposób obiektywny ustali ę stan zabytku oraz ewentualnie ustali ę czas i

metod ħ jego konserwacji.

Nowoczesne metody badania obiektów zabytkowych

Dawniej badania obiektów zabytkowych ograniczały si ħ do ogl Ģ du widocznych na

powierzchni zmian i subiektywnej ich oceny. Rozwój fizyki i chemii pozwolił na

opracowanie ró Ň nego typu metod analitycznych daj Ģ cych odpowiedz co do składu, struktury i

rozkładu przestrzennego materiałów z których jest on wykonany.

W obecnej chwili konserwator zabytków i badacz dzieł sztuki dysponuje całym arsenałem

tradycyjnych i nowoczesnych metod. S Ģ w Ļ ród nich analizy chemiczne, fizyczne i

fizykochemiczne. Od klasycznego chemicznego okre Ļ lania składu do wysoce

specjalistycznych analiz mikro Ļ ladowych wymagaj Ģ cych bardzo drogiej aparatury. Jednak

cały czas trwaj Ģ badania nad opracowaniem dokładnych i nieniszcz Ģ cych metod badania dzieł

sztuki. Chodzi o to by do analizy nie trzeba było pobiera ę jakichkolwiek próbek z badanego

obiektu lub by jej ilo Ļę była minimalna. Najwi ħ ksze nadzieje wi ĢŇ e si ħ z nieniszcz Ģ cymi

metodami bezstykowymi do których nale ŇĢ :

1. rentgenografia i tomografia komputerowa,

2. termowizja,

3. sonografia.

Dwie pierwsze w swym działaniu wykorzystuj Ģ fale elektromagnetyczne o ró Ň nej

długo Ļ ci natomiast trzecia fale d Ņ wi ħ kowe.

Metody rentgenowskie

Najwi ħ ksze osi Ģ gni ħ cia na obecna chwil ħ odnotowuje technika rentgenowska, a zwłaszcza

jej najnowsza modyfikacja tomografia komputerowa. Metoda ta pozwala bardzo dokładnie

wnikn Ģę w struktur ħ dzieła sztuki i zbada ę poszczególne jego warstwy. Trzeba pami ħ ta ę

jednak o jej wadach. Promieniowanie jonizuj Ģ ce (jakim jest promieniowanie rentgenowskie)

powoduje zmiany chemiczne i fizyczne w prze Ļ wietlanym materiale i cho ę w trakcie

pojedynczej analizy stosowane dawki promieniowania s Ģ niewielkie dzi ħ ki czemu zmiany s Ģ

praktycznie niezauwa Ň alne to jednak cz ħ ste stosowanie tej techniki lub długotrwałe analizy

mog Ģ doprowadzi ę do niekorzystnych zmian w materiale dzieła sztuki. Problemem jest tez

koszt aparatury i analizy oraz konieczno Ļę przestrzegania rygorystycznych zasad

bezpiecze ı stwa pracy.

Zastosowanie technik rentgenowskich w badaniu dzieł sztuki jest bardzo szerokie. Jednym

z najcz ħĻ ciej podawanych jest wykrywanie przemalowa ı obrazów [1]. Badania zaka Ň e ı

biologicznych s Ģ wzgl ħ dnie nowym zagadnieniem. W Polsce było ono wnikliwie badane i

opisane przez Krajewskiego i współpracowników [2]. W ramach tych bada ı wykonano po raz

pierwszy w naszym kraju zdj ħ cia rentgenowskie larw spuszczela pospolitego w drewnie sosny

o grubo Ļ ci 2 cm. Zdj ħ cia nie pozwoliły jednoznacznie stwierdzi ę ile i które larwy były Ň ywe.

Jako Ļę zdj ħę rentgenowskich drewna o du Ň ej grubo Ļ ci, silnie stoczonego przez owady nie

była zbyt dobra. Uzyskiwane obrazy były konsekwencj Ģ nakładania si ħ widoku

poszczególnych warstw drewna. G ħ sta sie ę chodników zawieraj Ģ cych zbit Ģ m Ģ czk ħ z drewna

mo Ň e utrudnia ę lub wr ħ cz uniemo Ň liwia ę rozró Ň nienie poszczególnych Ň erowisk.

Tomografia komputerowa jest metod Ģ cyfrowej obróbki sygnału, czyli jego

przetworzeniem w celu uzyskania obrazu badanego obiektu. W ramach tomografii wyst ħ puj Ģ :

rentgenowska tomografia komputerowa, tomografia komputerowa rezonansu magnetycznego

oraz tomografia komputerowa wykorzystuj Ģ ca fale d Ņ wi ħ kowe.

Rentgenowska tomografia komputerowa jest metoda badania radiologicznego

odznaczaj Ģ c Ģ si ħ bardzo du ŇĢ rozdzielczo Ļ ci Ģ . Pozwala uzyskiwa ę obrazy przekrojów

poprzecznych ciał o odmiennych wła Ļ ciwo Ļ ciach wyst ħ puj Ģ cych w badanym obiekcie.

W metodzie tej wi Ģ zka promieni rentgenowskich, których Ņ ródło obraca si ħ wokół

badanego obiektu przenika przeze ı . Promieniowanie, które nie zostało całkowicie pochłoni ħ te

zostaje zarejestrowane przez detektory znajduj Ģ ce si ħ na pier Ļ cieniu otaczaj Ģ cym obiekt.

Programy matematycznej obróbki zarejestrowanego sygnału pozwalaj Ģ stworzy ę obrazy

pochłaniania promieniowania X w wielu płaszczyznach. W ten sposób powstaj Ģ zdj ħ cia

warstwowe tzw. tomogramy daj Ģ ce obraz danego obiektu na wybranej gł ħ boko Ļ ci i

pozwalaj Ģ ce okre Ļ li ę dokładnie jego struktur ħ .

Rys.1 Obraz uzyskany metod Ģ tomografii komputerowej larwy spuszczela w drewnianej

deseczce (przekrój poprzeczny)

Pierwsze w kraju badania t Ģ technik Ģ i detekcja Ň ywych larw owadów zawartych w

drewnie zostały wykonane przy współpracy trzech jednostek Politechniki Łódzkiej, Centrum

Zdrowia Matki Polki w Łodzi oraz SGGW w Warszawie [3,4]. Uzyskano bardzo precyzyjne

zdj ħ cia larw Ň eruj Ģ cych w drewnie oraz ich chodników, w tym zarówno pełnych jak i

zapełnionych m Ģ czk Ģ drzewn Ģ i odchodami. Wykrywalno Ļę larw jest 100% oraz mo Ň na

okre Ļ li ę , które larwy s Ģ Ň ywe. Wykonuj Ģ c zdj ħ cia w poprzek włókien uwidaczniaj Ģ si ħ bardzo

dokładnie poszczególne przyrosty roczne z rozró Ň nieniem drewna wczesnego i pó Ņ nego.

Metody termowizyjne

Obecnie poszukuje si ħ nowych, nieinwazyjnych metod bada ı obiektów zabytkowych,

które s Ģ bezpieczne, zarówno dla badanych przedmiotów jak i dla otaczaj Ģ cego Ļ rodowiska, w

tym tak Ň e dla personelu obsługuj Ģ cego aparatur ħ badawcz Ģ . Do takich metod nale Ň y metoda

termowizyjna wykorzystuj Ģ ca promieniowanie podczerwone (nie powoduj Ģ ce jonizacji). Na

razie uzyskiwane efekty nie zapewniaj Ģ tak dobrych wyników jak techniki rentgenowskie.

Przy dalszym szybkim rozwoju mo Ň na liczy ę na szersze jej zastosowanie w badaniu obiektów

zabytkowych [5-22].

Termowizja to metoda pomiaru nat ħŇ enia promieniowana podczerwonego w zakresie 3-

5µm (SWIR – termowizja krótkofalowa) lub 8-12µm (LWIR – termowizja długofalowa), w

sposób bezstykowy i nieinwazyjny za pomoc Ģ kamery termowizyjnej. Promieniowanie

zale Ň y od temperatury badanego obiektu, co oznacza, Ň e w sposób po Ļ redni termowizja mo Ň e

by ę wykorzystywana do oceny stanu cieplnego badanej struktury, w tym do okre Ļ lenia

warto Ļ ci temperatury. Du Ň y wpływ na pomiar termowizyjny ma stan badanej powierzchni, w

tym głównie jej chropowato Ļę . W technikach termowizyjnych niezb ħ dna jest znajomo Ļę

emisyjno Ļ ci badanego obiektu, której warto Ļę zmienia si ħ w zakresie 0-1 i która okre Ļ la

zdolno Ļę badanej powierzchni do emisji promieniowania przy uwzgl ħ dnieniu stanu

powierzchni (chropowato Ļ ci), rodzaju materiału z jakiego jest wykonana, oraz długo Ļ ci fali

promieniowania w jakim działa aparatura termowizyjna. Im wi ħ ksza warto Ļę współczynnika

emisyjno Ļ ci, tym wi ħ cej energii emituje badany obiekt i tym bardziej kontrastowy jest obraz

termowizyjny. W konsekwencji do kamery dociera wi ħ cej informacji, która mo Ň e by ę

wykorzystana w badaniach konserwacyjnych. Czuło Ļę współczesnej kamery termowizyjnej

wynosi 0,1K, co oznacza, Ň e mo Ň na rozró Ň ni ę punkty obrazy, których temperatura ró Ň ni si ħ o

0,1K. Nie jest to równowa Ň ne z du ŇĢ dokładno Ļ ci Ģ sprz ħ tu termowizyjnego. Bł Ģ d pomiaru

temperatury za pomoc Ģ kamery termowizyjnej osi Ģ ga typowa warto Ļę 2%, co przy zakresie

pracy kamery, np. 20-100°C, oznacza bł Ģ d na poziomie 4°C. Na szcz ħĻ cie, w badaniach

obiektów zabytkowych bezwzgl ħ dna warto Ļę temperatury nie jest tak istotna. Bardziej

u Ň yteczna jest ró Ň nica temperatury mi ħ dzy wybranymi obszarami obrazu (regionami

zainteresowania), a ta wynika nie z dokładno Ļ ci aparatury, lecz z jej czuło Ļ ci.

Zastosowania termowizji w badaniach obiektów zabytkowych s Ģ coraz szersze, a

rozpocz ħ ły si ħ od bada ı obiektów architektonicznych [22]. Pierwsze udokumentowane

badania termowizyjne dotoczyły wykrywania przemurowa ı , identyfikacji w Ģ tku ceglanego

pod tynkiem oraz prób poszukiwa ı malowideł ukrytych pod zewn ħ trzn Ģ warstw Ģ tynku. Prace

prowadzono w Ko Ļ ciele NMP na Zamku Wy Ň szym w Malborku [22]. Zastosowano dwa

alternatywne podej Ļ cia badawcze, tzw. termowizji pasywnej i aktywnej. Metoda termowizji

pasywnej (statycznej) polega na pomiarze własnego promieniowania obiektu, które jest

zró Ň nicowane z powodu zarówno ró Ň nej warto Ļ ci temperatury jak i emisyjno Ļ ci badanej

powierzchni. Termografia aktywna, czasem zwana synchroniczn Ģ lub dynamiczn Ģ , polega na

dostarczeniu do badanego obiektu energii w postaci impulsów cieplnych (fali cieplnej), które

ogrzewaj Ģ struktur ħ na powierzchni i na niewielkiej gł ħ boko Ļ ci. Ciepło rozchodzi si ħ w

badanym obiekcie zale Ň nie od struktury materiałowej oraz wła Ļ ciwo Ļ ci termicznych. Metale

lepiej przewodz Ģ ciepło i fala cieplna wnika gł ħ biej, podczas gdy drewno lub cegła stanowi Ģ

przeszkod ħ dla przepływu energii. Efekty ró Ň nego przenoszenia energii cieplnej widoczne s Ģ

na powierzchni w postaci „wzoru” termicznego uzale Ň nionego od wewn ħ trznej struktury

badanego obiektu. Niewielka gł ħ boko Ļę wnikania ciepła w typowych obiektach

architektonicznych istotnie ogranicza mo Ň liwo Ļę penetracji cieplnej badanej struktury. Z

praktyki bada ı termowizyjnych z zastosowaniem metody fali cieplnej wynika, Ň e przy u Ň yciu

termowizji aktywnej mo Ň na bada ę warstwy przypowierzchniowe na gł ħ boko Ļ ci co najwy Ň ej

kilku mm. Wi ħ ksze mo Ň liwo Ļ ci aplikacyjne mo Ň e ta metoda znale Ņę przy badaniach obrazów

i malowideł z udziałem materiałów wykorzystuj Ģ cych metale. Cz ħ sto spotyka si ħ na obrazach

dodatkowe elementy, np. złote ozdoby przykryte zewn ħ trzn Ģ warstw Ģ malarsk Ģ . W cennych

malowidłach niektóre warstwy malarskie wykonane s Ģ za pomoc Ģ farb opartych na metalach,

np. ołowiu lub cynku. Takie warstwy mo Ň na identyfikowa ę za pomoc Ģ metody termografii

aktywnej.

Przykłady zastosowa ı termowizji pasywnej i aktywnej przedstawiono na przykładach

bada ı wykonanych w ramach projektu badawczego realizowanego przez Politechnik ħ Łódzk Ģ

i Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu [22], który dotyczył Zamku Wy Ň szego w

Malborku, w tym Ko Ļ cioła NMP i kapitularza, które usytuowane s Ģ w bliskim s Ģ siedztwie.

Na rys. 2 przedstawiono przemurowanie na jednej ze Ļ cian kapitularza, gdzie widoczny

obszar o wy Ň szej temperaturze jest fragmentem nowym, który posiada inne wła Ļ ciwo Ļ ci

termiczne i emisyjne w porównaniu z jego otoczeniem. Badanie wykonano stosuj Ģ c metod ħ

termografii pasywnej – statycznej.

Rys. 2. Przemurowanie z kapitularzu na zamku w Malborku

Rys. 3. Ko Ļ ciół NMP w Toruniu, fotografia w zakresie widzialnym i podczerwieni. Zaznaczono

miejsca odpowiadaj Ģ ce charakterystycznym obszarom widocznym na termogramie a niewidocznym w

Ļ wietle widzialnym

Termogramy dostarczaj Ģ dodatkowej informacji, która mo Ň e by ę wykorzystana przy

interpretacji dzieła zabytkowego. Charakterystyczne obszary „widziane” w podczerwieni

(rys.3) nios Ģ informacj ħ o innych wła Ļ ciwo Ļ ciach fizyko-chemicznych, w tym o składzie

chemicznym warstwy zewn ħ trznej. Ró Ň ny skład chemiczny powoduje, Ň e wła Ļ ciwo Ļ ci

termiczne materiału s Ģ ró Ň ne. Zmienia si ħ dyfuzyjno Ļę warstwy malarskiej lub tynku, co

mo Ň e by ę uwidocznione na termogramach. Cz ħ sto warstwy te maj Ģ ró Ň ne wła Ļ ciwo Ļ ci

promienne (emisyjno Ļę ), co jest konsekwencj Ģ innego stanu powierzchni i ró Ň nej

chropowato Ļ ci materiałów.

Rys. 4. Ko Ļ ciół NMP w Malborku, przemurowanie z okresu Ļ redniowiecza zarejestrowane

kamer Ģ termowizyjn Ģ

Kamera termowizyjna mo Ň e by ę zastosowana do datowania fragmentów zabytku. Na

rys.4. przedstawiono przemurowanie Ļ redniowieczne, które wyra Ņ nie odró Ň nia si ħ od

pozostałej cz ħĻ ci muru. Wykorzystano tu inne wła Ļ ciwo Ļ ci refleksyjne w zakresie

podczerwieni (8-12µm) cegieł wykonanych w ró Ň nym okresie.

Na rys. 5 przedstawiono w Ģ tek ceglany ukryty pod tynkiem i Ļ redniowiecznym

malowidłem. Grubo Ļę tynku wynosi kilka mm., a zastosowana metoda to termowizja

pasywna, całkowicie nieinwazyjna i bezdotykowa. Zobrazowanie tego typu mo Ň na wykona ę z

du Ň ej odległo Ļ ci, cz ħ sto w cz ħĻ ci obiektu, która jest niedost ħ pna. Badanie jest szybkie i

polega na komputerowej rejestracji kilku obrazów, które potem nale Ň y opracowa ę przy u Ň yciu

narz ħ dzi komputerowych.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: