Las técnicas nucleares en un enfoque no invasivo para el estudio arqueométrico de bienes culturales cubanos / Nuclear techniques in a non-invasive approach to the archeometric study of Cuban cultural heritage

RESUMEN A propósito del 500 Aniversario de la Habana, presentamos una experiencia singular desarrollada en la Oficina del Historiador de la Ciudad, donde físicos nucleares y radio-químicos en un ambiente multidisciplinario en el Centro Histórico de la Habana, estudian sistemáticamente bienes culturales desde el Laboratorio de Arqueometría del Gabinete de Conservación y Restauración. Se presenta una revisión sobre nuestros estudios en el campo de la Arqueometría, en las que prevalece un enfoque no invasivo desde los inicios de esta experiencia, que incluye las técnicas nucleares como protagonistas principales, y se caracteriza por la diversidad de bienes culturales examinados. Las investigaciones realizadas comprenden desarrollo de tecnologías, de metodologías específicas para la caracterización o identificación de diferentes materiales y tipos de bienes culturales y metodologías generales dedicadas a responder interrogantes de interés para la Historia del Arte y la Arqueología o relacionadas con la conservación y restauración, para finalmente realizar los estudios arqueométricos o tratamientos de conservación no invasivos de bienes culturales cubanos. Una mayor parte de estas investigaciones se han realizado in situ en los museos o lugares donde estos objetos se conservan. En la discusión se enfatizan los análisis cualitativos y los cuantitativos y las validaciones realizadas, según los requerimientos del caso de estudio. En este artículo se abordan también otras experiencias validas sobre el tema en el ámbito de colaboraciones nacionales e internacionales.

ABSTRACT On the occasion of the 500th Anniversary of Havana, we present a singular experience in the Havana City Historian's Office, where nuclear physicists and radiochemists in a multidisciplinary environment in the historic center of Havana, systematically study cultural heritage, from the Archaeometry Laboratory of the Cabinet of Conservation and Restoration. A review of our studies in the field of Archaeometry is presented, in which a non-invasive approach prevails from the beginning of this experience, which includes nuclear techniques, as main protagonists and is characterized by the diversity of cultural heritage examined. The research carried out includes the development of technologies, specific methodologies for the characterization or identification of different materials and types of cultural heritage, and general methodologies dedicated to answer questions of interest for the History of Art and Archeology or related to conservation and restoration, for eventually perform the Archaeometry studies and non-invasive conservation treatments of Cuban cultural assets. Most of these investigations have been carried out in situ, in the museums or places where these objects are conserved. In the discussion, the qualitative and quantitative analysis, and the validations are emphasized, according to the requirements of the case study. This article also addresses other valid experiences on the subject in the field of national and international collaborations.

Caracterización de materiales (pigmentos y cerámicas) para la conservación del patrimonio cultural y social en ciudad de La Habana / Characterization of materials (pigments and ceramics) for the conservation of cultural and social heritage in the city of Havana

RESUMEN Una de las direcciones de aplicación de la Ciencia de Materiales que realiza el Centro de Aplicaciones Tecnológicas y Desarrollo Nuclear CEADEN es el apoyo mediante un grupo de técnicas físicas a la restauración y el mantenimiento de estructuras y objetos de la ciudad de La Habana, entre otras localidades de Cuba, que poseen interés artístico y social . En el presente trabajo se abordan varias aplicaciones en la caracterización de materiales para contribuir a las actividades de conservación del patrimonio cultural e histórico cubano que se encuentra en La Habana. Se presentan dos ejemplos de análisis por las técnicas de Fluorescencia de Rayos X y Difracción de rayos X de los pigmentos de obras en lienzos y de la paleta de una reconocida artista de la plástica cubana; así como el de tejas cerámicas que fueron utilizadas en la restauración de los techos de la residencia conocida como Casa Verde de 5ta Avenida en el Municipio Playa.

ABSTRACT One of the applications in Materials Science carried out at the Center for Technological Applications and Nuclear Development (CEADEN) is the technical support through several methods used, based on applied Physics for the restoration and maintenance of structures and objects holding artistic and social relevance in Havana city. The aim of this paper is to present two examples of X -ray Fluorescence and Diffraction materials characterization, intended to support conservation and restoration activities of the Cuban cultural and historic heritage: analyzed objects were pottery roof tiles for the restoration of the mansion known as The Green House at 5th Avenue, Miramar, as well as pigments from a Cuban fine artist's canvas and palette.

Contribución a la restauración y el mantenimiento de obras de importancia histórica, cultural y social de la ciudad de La Habana / Contribution to the restoration and maintenance of works of historical, cultural and social importance of the city of Havana

RESUMEN Entre las aplicaciones de la Ciencia e Ingeniería de Materiales que realiza el Centro de Aplicaciones Tecnológicas y Desarrollo Nuclear CEADEN está el apoyo mediante varias técnicas físicas a la restauración y el mantenimiento de estructuras y objetos de la ciudad de La Habana que poseen interés histórico, cultural y social . En el presente trabajo es abordado el campo de la Defectoscopía, en lo cual los Ensayos no destructivos aplicados tributaron a la restauración del patrimonio cultural, a la mejora de instalaciones deportivas de la capital y, en mayor medida, a la seguridad de instalaciones de interés social como son los parques de diversión. En ese sentido se presentan la inspección de estructuras en el marco de la restauración de la Sala Cabildo del Museo de la Ciudad de La Habana en el Palacio de los Capitanes Generales en La Habana Vieja; el diagnóstico de uniones soldadas durante la restauración de la iluminación y la instalación de la pantalla gigante del Estadio Latinoamericano del Cerro y la Inspección realizada sistemáticamente en mantenimiento a elementos críticos de equipos de los parques de diversión.

ABSTRACT Among the applications of Materials Science and Engineering carried out by the Center for Technological Applications and Nuclear Development (CEADEN) / Centro de Aplicaciones Tecnológicas y Desarrollo Nuclear CEADEN is the use of various physical techniques to support the restoration and maintenance of buildings and other work objects of historical, cultural and social interest in Havana city. The field of Defectoscopy is addressed in this paper, where the applied Nondestructive testings also contributed to restore the cultural heritage, to upgrade the structural conditions at an important sport facility in Havana, and in a greater extent, to the safety of facilities of social significance, such as amusement parks. In this regard, three examples are presented: the inspection of structures during the restoration of the City Hall in the Museum of the Havana City at the Palace of Captains General; the welded joints testing during the restoration of the lighting system and the installation of the digital screen at the Latin American Stadium in Cerro municipality; and finally, the inspection systematically performed at maintenance works to critical elements and related devices at amusement parks.

Exploring the possibility of radiography in emission mode at higher energies: Improving the visualization of the internal structure of paintings / Explorando las posibilidades de la radiografía en modo de emisión a altas energías: Cómo optimizar la visualización de la estructura interna en pinturas

Summary We demonstrated in previous investigations that the internal structure of paintings can be visualized with conventional radiography in transmission mode when paintings have the proper stratigraphy. Unfortunately, there are many paintings that do not result in useful images. This problem can be solved by using radiography in emission mode. With this technique, the painting is irradiated with high energetic X-rays originating from an X-ray tube operating at 100 keV - 320 keV while inside the painting low energetic signals such as photoelectrons or characteristic photons are being generated. These signals escape from the top 10 µm of the painting and are able to illuminate the imaging plate. However, this technique has also some disadvantages. One of them is that it is not able to visualize underlying paintings. In this study, we explored the possibility to enhance the information depth by increasing the energy of the photon source from 100 keV up to 1.3325 MeV (i.e., 60Co source). At the same time, we also studied how the contrast between pigments is generated in emission mode. For this, we used mathematical simulation of particle transport in matter to understand the relation between input particle (particle type such as photon, electron or positron and the energy of the particle), the material being irradiated (element from which it is composed, thickness and density) and the output signal (generated particle types and energy). Finally, we will show that it is possible to image paintings using a 192Ir and even a 60Co source.

Resumen En investigaciones previas se ha demostrado que la estructura interna de las pinturas se puede visualizar satisfactoriamente con la radiografía convencional en modo de transmisión, siempre y cuando dichas pinturas tengan la estratigrafía adecuada. Desafortunadamente, hay muchos casos en los que la aplicación de este método no resultan en imágenes útiles. Este problema puede ser resuelto usando la radiografía en modo de emisión. Con esta técnica, la pintura se irradia con rayos X de alta energía originados en un tubo de rayos X trabajando entre 100 keV y 320 keV. Esto genera señales de baja energía (fotoelectrones o fotones característicos) en el interior de la pintura que, al escapar de las 10 μm superiores, pueden iluminar una placa de imágenes. No obstante, su aplicación también implica ciertas desventajas. Una de ellas es la incapacidad de visualizar las pinturas subyacentes. En este estudio, exploramos la posibilidad de incrementar la información obtenida a mayores profundidades aumentando la energía de la fuente de fotones desde 100 keV hasta 1.3325 MeV (fuente de 60Co). También estudiamos el impacto de esta energía en el contraste obtenido entre los pigmentos. Para esto, utilizamos la simulación matemática del transporte de partículas en la materia para comprender la relación entre partículas de entrada (fotones, electrones o positrones y la energía de las partículas), el material que se irradia (elemento del que está compuesto, espesor) y la señal de salida (tipos de partículas generados y energía). Finalmente, mostraremos que es posible crear imágenes de pinturas usando una fuente 60Co.

Imágenes radiográficas de bienes culturales obtenidas con un sistema portátil de fluorescencia de rayos X modificado / Radiography imaging of cultural heritage obtained with a midified portable x-ray fluorescence system

RESUMEN Se evalúa la suficiencia de la calidad de las imágenes radiográficas obtenidas con un espectrómetro portátil de Fluorescencia de rayos X modificado para este propósito, en el estudio de bienes culturales. El instrumento propuesto utiliza un tubo de rayos X con ánodo de Pd (2 mm) que alcanza un voltaje y corriente máximos de 50 kV y 1 mA respectivamente y un sistema de colimación que permite irradiar una región de forma cuadrada en el objeto analizado a través de la proyección de un haz de luz con igual forma sobre su superficie. La resolución espacial de las imágenes radiográficas obtenidas permitieron: localizar y defnir bien figuras subyacentes en pinturas, identificar materiales de relleno en una pintura en proceso de restauración, la radiogrametría de huesos arqueológicos y la identificación de una esfera petrificada proveniente de un hallazgo arqueológico. Se propone el análisis radiográfico para estudios cubanos de antropología física.

ABSTRACT The imaging quality of radiographies obtained with a modifi ed portable X-ray fluorescence spectrometer was evaluated for the study of cultural heritage. The proposed instrument uses an X-ray tube with (2 mm) Pd anode allowing a 50 kV maximum voltage and 1 mA current. The instrument also equipped with a collimation system, allows to irradiate a square-shaped region in the analyzed object by projecting asquare light beam on its surface. The spatial resolution of the obtained radiographic image makes possible to locate and define perfectly well underlying paintings(pentimenti), to identify filling materials in a painting undergoing a restoration process, as well as radiogrametry of archaeological bone and the identification of a petrified sphere from an archaeological discovery. The radiographic analysis is proposed for the study of physical anthropology in Cuba.

Simulation and evaluation of the absorption edge subtraction technique in energy-resolved X-ray radiography applied to the cultural heritage studies / Simulación y evaluación de la técnica de sustracción del borde de absorción en un sistema radiográfico espectrométrico destinado al estudio del patrimonio cultural

ABSTRACT In this work the mathematical simulation of photon transport in the matter was used to evaluate the potentials of a new energy-resolved X-ray radiography system. The system is intended for investigations of cultural heritage object, mainly painting. The radiographic system uses polychromatic radiation from an X-ray tube and measures the spectrum transmitted through the object with an energy-dispersive X-ray detector on a pixel-by-pixel basis. Manipulation of the data-set obtained allows constructing images with enhanced contrast for certain elements. Here the use of the absorption edge subtraction technique was emphasized. The simulated results were in good agreement with the experimental data.

RESUMEN En este trabajo se utilizó la simulación matemática del transporte de los fotones en la materia para evaluar las potencialidades de un nuevo sistema radiográfico destinado al estudio de obras del patrimonio cultural. Este sistema emplea una fuente de rayos X no monocromática y mide a nivel de píxel el espectro transmitido a través del objeto en estudio con un detector espectrométrico. El procesamiento del conjunto de datos obtenidos permite la construcción de imágenes con contraste realzado para ciertos elementos. En el presente trabajo se enfatizó en el uso de la técnica de sustracción del borde de absorción para el procesamiento de las imágenes. Los resultados de las simulaciones resultaron consistentes con las mediciones experimentales.