Portables RFA-Gerät zur Untersuchung von Kunstwerken

Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) ist heute eine der bedeutendsten Methoden zur Kunstanalyse, da sie eine zerstörungsfreie Analysenmethode darstellt, die sowohl qualitative, als (zum Teil) auch quantitative Informationen über die Probenzusammensetzung liefern kann. Durch moderne instrumentelle Entwicklungen in diesem Bereich konnte sie in den letzen Jahrzehnten sogar noch an Bedeutung zulegen, v.a. durch die Konstruktion transportabler RFA-Systeme, welche entweder auf große Flexibilität oder hohe Mobilität optimiert wurden. Trotzdem ist die Analyse von Elementen mit niedriger Ordnungszahl aufgrund der Absorption von niederenergetischer Strahlung in Luft bei der in situ Analyse immer noch ein Problem. Das Kunsthistorische Museum (KHM) mit den angegliederten Institutionen (Museum für Völkerkunde (MVK) und Österreichisches Theatermuseum (ÖTM)) beherbergt umfangreiche Sammlungen einzigartiger Objekte. Aufgrund der großen Vielfalt von Kunst- und historischen Objekten sind auch die Anwendungsmöglichkeiten der RFA mannigfaltig (bezüglich Materialien, Objektformen und Transportmöglichkeiten). Um ein RFA-Instrument daher für den vielfältigen Einsatz im KHM zu optimieren sind hohe Anforderungen in Punkto Flexibilität, Mobilität und v.a. dem Umfang der detektierbaren Elemente zu erfüllen. Kürzlich wurde durch Kooperation der Internationalen Atomenergiebehörde (IAEA) mit dem Atominstitut der Österreichischen Universitäten Wien (ATI) der Prototyp eines portablen RFA-Geräts konstruiert. Dieses soll das Problem der Detektion niederenergetischer Strahlung durch die Verwendung einer Vakuum-Kammer - in der sich der Messkopf befindet - lösen. Der Messstrahl verlässt die Kammer durch ein Kapton Fenster und wird bereits ca. 1-2 mm außerhalb der Kammer auf das Objekt fokussiert, wodurch Absorptionsverluste in der Anregungs- und Röntgen-fluoreszenzstrahlung minimiert werden. Testmessungen, die mit diesem Gerät am KHM durchgeführt wurden, zeigten jedoch, dass noch weitere Verbesserungen nötig sind, um es für die Anwendung im Museumsbetrieb zu optimieren: Die Verbesserung der Detektionslimits der leichten Elemente für die Analyse von Glas und Email, die Anpassung der Form und Größe der Vakuumkammer, die Vermeidung der Krümmung des Vakuumfensters, genauere Positionierungsmöglichkeiten, mehr Flexibilität des gesamten Systems und schnelle Auswertung von in situ Untersuchungen. Im Zuge dieses Projekts wird daher ein verbessertes transportables RFA-Gerät, das den hohen Anforderungen des KHM genügt, durch Kooperation des Naturwissenschaftlichen Labors des KHM mit den bereits genannten Institutionen entwickelt, konstruiert und am KHM installiert. Dieses verbesserte Instrument wird zur Durchführung einiger ausgewählter Studien an einzigartigen Kunstwerken zur Analyse von Glas und Email sowie Pigmenten und Metalllegierungen eingesetzt. So werden z.B. eine Sammlung von Glasjuwelen des 16. Jhdts., das so genannte "Rudolfinische Email" und ca. 30 emaillierte Gold- und Siberobjekte des 15. und 16. Jhdts. hinsichtlich der Glas- bzw. Emailzusammensetzung untersucht. In Verbindung mit bereits laufenden Projekten und Studien werden weiters Metallobjekte - z.B. Renaissance- und Barock-Bronzen der Kunstkammer und antike sassanidische Münzen - sowie teilweise komplex geformte Papierobjekte des ÖTM analysiert.

Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) ist heute eine der gebräuchlichsten Techniken zur Untersuchung von Kulturgut. Es können zerstörungsfreie Analysen durchgeführt werden, wobei, abhängig von der analytischen Fragestellung und den werkstofftechnischen Möglichkeiten, sowohl qualitative, als auch (semi) quantitative Resultate erhalten werden können. In einer Kooperation des Naturwissenschaftlichen Labors des KHM (Kunsthistorisches Museum, Wien) mit dem ATI (Atominstitut Wien) und der IAEA (Internationale Atomenergiebehörde) wurde im Zuge des Projekts ein, für die Analyse an Kulturgut und den Einsatz im Kunsthistorischen Museum optimiertes, transportables RFA-System gebaut Das neue RFA-System wurde sowohl in Bezug auf die Analyse der leichten Elemente (von Natrium aufwärts), als auch in Bezug auf Transportfähigkeit gekoppelt mit Sicherheit für das Objekt optimiert. Auch die Zugänglichkeit des Messkopfs zu den Objektdetails wurde verbessert. Das bedeutet im Detail, dass das gesamte Instrument auf einem stabilen Rahmen montiert ist, welcher lenkbare und feststellbare Räder besitzt. Der Messkopf kann mit drei elektronisch steuerbaren Verschiebetischen (in x-, y-, und z-Richtung) vor dem Objekt in Position gebracht werden. Die längste Verfahrdistanz beträgt 100 cm (auf und ab), die restlichen Verfahrdistanzen liegen bei 20 bzw. 30 cm, wodurch auch die Analyse von großen Objekten möglich ist. Für die Detektion der leichten Elemente wurde, wie beim Vorgängermodell, eine Vakuumkammer gebaut. Diese zeigt jedoch einige Verbesserungen: Die Form der Vakuumkammer ist konisch mit einer Spitze, um die Zugänglichkeit zu Objektdetails zu erleichtern. Auch die Fixierung des Kapton-Fensters, durch das die Anregungsstrahlung und die Fluoreszenzstrahlung treten, wurde verbessert. Bei Anlegen des Vakuums wölbt sich das Fenster nun nicht mehr so stark nach innen, wodurch der Weg der Strahlung an der Luft minimiert wird. Der Abstand des Fensters zum Objekt/der Messstelle beträgt nur ca. 1 mm, wodurch die Absorption der niederenergetischen Strahlung an der Luft minimiert wird. Das Gerät kann mit drei unterschiedlichen Röntgenröhren (Mo, Pd und Cr) betrieben werden. Diese können je nach analytischem Problem relativ einfach mechanisch getauscht werden.Während des Projekts konnte gezeigt werden, dass die Detektionslimits im Vergleich zum Vorgängermodell gesenkt wurden. Auch die Verbesserungen an dem Positioniersystem konnten in vielen Anwendungen genutzt werden. Das neue RFA-Gerät, genannt PART II (Portable ART Analyser) konnte erfolgreich bei der Klärung der unterschiedlichsten Fragestellungen eingesetzt werden, wie: der Pigmentanalyse in Gemälden und auf anderen Untergründen wie Keramik, Kalkstein und Marmor; der Analyse von Glas, Glasuren und Email; Untersuchungen von verschiedenen Metallen von Münzen und Medaillen; Objektuntersuchungen auf anorganische Pestizide; Untersuchungen von Purpurfärbungen.