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.