pier andrea mandò - agenda (indico) · dell’arte, archeologi, storici della scienza o delle...
TRANSCRIPT
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La fisica
per i beni culturali
Pier Andrea Mandò
Dipartimento di Fisica e Astronomia, UniFi
& INFN, Sezione di Firenze
Biodola, IFA 2010
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In generale, l’applicazione di indagini
scientifiche ai beni culturali può essere utile
per due scopi:
1) conoscenza e diagnosi
2) intervento sulle opere
Per inquadrare il problema:
il ruolo della scienza per i beni culturali
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1) storici dell’arte, archeologi, storici della
scienza o delle tecnologie, etc.
• conoscenze “puntuali” su una singola opera per
chiarire dubbi di attribuzione e cronologia e portare
informazioni sulla specifica tecnica impiegata
dall’autore
• indagini più generali per tendenze storiche, fonti di approvvigionamento dei materiali, canali di scambio
commrciale in varie epoche, etc.
Utenza
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2) restauratori e conservatori
prima dell’intervento:conoscenza dello stato di degrado delle opere
conoscenza del materiale su cui intervenire per evitare
incompatibilità e irreversibilità nelle procedure di restauro
durante il restauro:
come ausilio all’intervento “tradizionale” o addirittura
come tecnica operativa principale
Utenza
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la fisica ha un ruolo prevalente nel primo campo
(datazioni, indagini sulla composizione dei
materiali, tecniche di imaging, diagnosi dei
problemi di deterioramento, etc).
Il ruolo della fisica nella diagnostica
dei beni culturali
anche nella fase dell’intervento la fisica offre oggi
sempre più spesso valide alternative all’approccio
chimico tradizionale
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il grande vantaggio della quasi totalità delle
tecniche fisiche per i problemi di
diagnostica sta nella non invasività
(possibilità di rispondere al problema senza
effettuare prelievi o comunque danneggiare
l’opera)
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• Tecniche di ablazione laser per la pulitura di
manufatti deteriorati (lapidei, metallici, affreschi)
• Radiografia e tomografia
• Termografia
• Spettrometrie in riflettanza VIS, UV, NIR
• Analisi di materiali con tecniche laser
microdistruttive (LIBS)
• Tecniche profilometriche (analisi “3D” di
superfici [deformazioni, distacchi, etc.])
Tecniche fisiche per i Beni Culturali
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Tecniche fisiche per i Beni Culturali
• Tecniche di datazione diretta
(14C, Termoluminescenza)
• Tecniche “nucleari” per l’analisi di composizione
dei materiali
Fluorescenza X, Ion Beam Analysis
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http://labec.fi.infn.it
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collaborazioni con:
altri laboratori scientifici in Italia e in Europa
Sovrintendenze, Biblioteche, Dipartimenti di
archeologia e storia dell’arte, Istituti per la tutela del
patrimonio culturale (Istituto Centrale per il Restauro,
Opificio delle Pietre Dure), Regioni
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© foto Luca Casonato Milano
© foto Luca Casonato Milano
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LABEC – chi ci lavora
Luca Cararresi
Massimo Chiari
Lorenzo Giuntini
Franco Lucarelli
Pier Andrea Mandò
Marco Manetti
Silvia Nava
Francesco Taccetti
giallo � INFN
bianco � UniFi
azzurro � oberato da carichi gestionali
grigio � poco produttivo (per età et al)
Silvia Calusi (assegnista)
Giulia Calzolai (assegnista)
Mariaelena Fedi (ricerc. tempo det.)
Novella Grassi (assegnista)
Mirko Massi (assegnista)
Alessandro Migliori (assegnista)
Pamela Bonanni (dottoranda)
Lucia Caforio (dottoranda)
strutturati precari
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Tandetron da 3 MV (tensione max di terminale)
3 sorgenti di ioni indipendenti
5 canali per Ion Beam Analysis (IBA) (+ 1 da completare)
1 canale per Accelerator Mass Spectrometry (AMS)
© foto Luca Casonato Milano
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Al LABEC non si lavora
soltanto su applicazioni ai beni
culturali, né soltanto con
tecniche basate sull’uso
dell’acceleratore
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sviluppi tecnologici (elettronica e automazione procedure, sistemi di acquisizione dati, sistemi di rivelazione, nuovi canali di
misura)
sviluppi metodologici (test di nuove idee di procedure applicative)
misure vere e proprie nell’ambito sia di:Tipologie di attività
riguardanti l’acceleratoreprogetti di ricerca interdisciplinare in collaborazione con altri
Enti pubblici (CNR, Enti di tutela del patrimonio, Enti di tutela
dell’ambiente) e altri Dipartimenti universitari
collaborazioni “interne” per supporto ad altri gruppi di fisici soprattutto di area INFN (test rivelatori, radiation damage, etc.)
attività “di servizio”
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La facility del Tandetron al LABEC
IBA dualsource
3 MV Tandetron
chopped beam line
multi-angle scattering chamber
multipurpose IBA vacuum chamber
external beam(Cultural Heritage)
high-energyAMS
spectrometer
multi-sampleAMS source
externalmicro-beam
external beam(Environment)
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Per il settore dei beni culturali si
effettuano con l’acceleratore:
le datazioni col
radiocarbonio
le analisi di composizione
con fasci ionici
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Partiamo dalle analisi con fasci di
ioni per indagini sui materiali
Ion Beam Analysis (IBA)
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Ion Beam Analysis (IBA)• Analisi di composizione di materiali tramite fasci prodotti da
acceleratori
tipicamente fasci di protoni o alfa di qualche MeV di energia
oggetto da analizzareacceleratore di particelle
fascio di particelle
Emissione di radiazioni di energie caratteristiche (raggi X, γ, particelle…)
Rivelazione della radiazione e analisi spettrale
Lapislazzuli
0
200
400
600
800
1000
C o
n t
e g
g i
Na
Al
Si
S
K
Ca
-
aa
emissione di
raggi gamma
(PIGE)
emissione
di raggi X
(PIXE)
diffusione elastica
degli ioni incidenti
(PESA)
Ion Beam Analysis (IBA)
emissione di
particelle
secondarie o
diffusione
inelastica degli ioni
incidenti
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Pregi delle tecniche IBA
ASSOLUTA non distruttività e NESSUN danno
(fasci esterni, sezioni d’urto elevate, possibilità di
correnti debolissime - controllabili perfettamente)
ampia multielementalità specie se si integrano più
tecniche nello stesso set-up
analisi quantitativa molto affidabile
informazioni anche sulla eventuale struttura
stratigrafica, sempre in maniera
NON DISTRUTTIVA
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Z crescen
te
sezioni d'urto di produzione X (serie K)
0,1
1
10
100
1000
10000
1 2 3 4 5
energia protoni (MeV)
Na
Ag
Zr
As
Fe
Ca
σX(barn)
sezioni d'urto di produzione X (serie L)
0,1
1
10
100
1000
10000
1 2 3 4 5
energia protoni (MeV)
Pb
Ba
Ag
Zr
Ta
σX(barn)
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microfascio esterno - scansione - mappe
millifascio esterno - scansione - mappe
sistemi integrati PIXE-PIGE-BS
PIXE differenziale
sviluppo IBIL (Ion Beam Induced Luminescence),
anche con mappatura, per aggiungere informazioni
non solo elementali
Sviluppi di metodologie e set-up per
le tecniche IBA
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Una caratteristica essenziale per le analisi nel campo
dei beni culturali
1 cm
il setil set--up di fascio esternoup di fascio esterno
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Con un fascio esterno si può
determinare in modo completamente
non-distruttivo la composizione
quantitativa di qualunque materiale
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Analisi PIXE con fascio esterno del
frontespizio del Pl.16,22 (XV secolo,
Biblioteca Laurenziana)
Antichi manoscritti
miniati,
... documenti storici,
Inchiostri dei manoscritti di Galileo sul moto
(Biblioteca Nazionale di Firenze) durante
l’analisi PIXE con fascio esterno
-
…terrecotte invetriate,
Analisi PIXE con fascio esterno del “Ritratto di fanciullo” di Luca Della
Robbia – prima del restauro all’Opificio delle Pietre Dure
…vetri antichi,
Analisi PIXE-PIGE con fascio esterno di tessere vitree da Villa
Adriana
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…antichi ricami,
Analisi micro-PIXE e -PIGE dei fili
dorati di un ricamo rinascimentale su
disegno di Raffaellino del Garbo
…stampe fotografiche,
Analisi PIXE-PIGE di una “stampa”
su piastra metallica del XIX secolo
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...disegni su carta,
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta
preparata di Leonardo o scuola
Analisi PIXE-PIGE di un disegno su carta
preparata di scuola veronese, XVI secolo
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...pitture su tela o tavola,
Analisi micro-PIXE e -PIGE del
“Ritratto Trivulzio” di Antonello da Messina
Analisi con PIXE differenziale e PIGE della
Madonna dei Fusi di Leonardo
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Giorgio Vasari
Tavoletta raffigurante S.Lucia
dalla Pala Albergotti, Arezzo
Andrea Mantegna
Madonna col Bambino, dipinto su tela,
Accademia Carrara di Bergamo
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…o qualunque altro materiale, per scopi anche
diversissimi dallo studio dei beni culturali
Uova di diversi allevamenti Polveri fini in aria (il famoso
PM) raccolte su filtri
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La La strutturastruttura a a stratistrati delledelle pitturepitture
susu tavolatavola o o telatela
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Come si possono
distinguere i contributi
dei differenti strati?
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Ripetendo la misura sullo stesso punto con fasci di energie
diverse si può ricostruire la sequenza stratigrafica (dalla
preparazione all’imprimitura ai veri e propri strati pittorici)
PIXE differenziale
in maniera totalmente non distruttiva
senza necessità di prelievi
dalla conoscenza del rate di perdita di energia dE/dx del
fascio negli strati, si può arrivare a “misurarne” lo spessore
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Un esempio di buono
sfruttamento delle
potenzialità IBA:
“Ritratto Trivulzio”
Antonello da Messina
Collab. con OPD e
Museo Civico di Palazzo
Madama, Torino
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Misure di PIXE differenziale
Condizioni sperimentali� analisi su spot singoli
� protoni da 1 a 5.5 MeV
� dimensioni fascio Ø 0.5 mm
� correnti ~ 50 pA
� tempo di misura per spot 200-300 s
PIXE - protoni 3 MeVPIXE differenziale
• Linea di fascio esterno collimato
caratterizzazionecaratterizzazione deglidegli stratistrati pittoricipittorici, ,
inclusoincluso unauna stimastima dellodello spessorespessore locale in locale in
certecerte zone, ad zone, ad esempioesempio::
ConcentrandosiConcentrandosi sulsul mantellomantello rossorosso……
�� sfondosfondo scuroscuro �� pigmentopigmento a base a base didi Cu Cu
((spessorespessore dellodello stratostrato 3030÷÷45 45 µµm) m) susu unauna
preparazionepreparazione a gessoa gesso
�� bottonebottone biancastrobiancastro ((biancobianco didi piombopiombo ++giallogiallo
didi piombopiombo e e stagnostagno) ) susu unouno stratostrato rossorosso didi
cinabrocinabro ((HgSHgS))
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Il mantello rosso
• C’era interesse a caratterizzare le pieghe scure e le ombreggiature
• Dagli spettri su punti singoli indicazione di uno strato ulteriore sopra il cinabro(HgS), ma…
• …grande variabilità da punto a punto nella presenza di altri elementi (come Al, Si, K, Fe…)
1 mm1 mm
Superficie inusuale, con macchioline scuredi dimensioni sub-millimetriche (visibili a malapena a occhio nudo)
necessità di una buona risoluzionespaziale e di una tecnica di imaging,
per correlare correttamente le distribuzioni elmentali ai dettagli
visibili
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Condizioni sperimentali
– protoni da 3 MeV
– dimensione fascio Ø 50 µm
– Intensità di corrente ~ 50 pA
– singole aree scandite (deflessione magnetica del fascio) 2x2 mm2
– circa 15 minuti per area scandita (~ 60 full scans)
Analisi PIXE a scansione
1 mm
areearee scanditescandite integrandointegrando
la la scansionescansione magneticamagnetica
del del fasciofascio con con piccolipiccoli
spostamentispostamenti del del bersagliobersaglio
• facility di microfascio esterno
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Esempio di risultati• Strato superficiale maculato
contenente Al e K
• Strato sottostante con S e Hg
laccalacca rossarossa susu
cinabrocinabro
LL’’effettoeffetto a a macchiolinemacchioline èè probabilmenteprobabilmente dovutodovuto a un a un
““ritiroritiro”” delladella laccalacca forseforse proprioproprio durantedurante ll’’essiccamentoessiccamento
Min.Min.
Max.Max.
2 mm2 mm
K K KKααAl Al KKαα
Hg M + S Hg M + S KKαα
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Una sbirciata allo strato di preparazione
Ca Ca KKαα
Hg Hg LLαα
• Maggior quantità di X del Ca…
... e minore di X del Hg
si vede il calcio dallapreparazione a gesso
1 mm1 mm
Min.Min.
Max.Max.
in in corrispondenzacorrispondenza didi micromicro--fessurefessure
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L’orologio naturale su cui si fonda il metodo è il
decadimento radioattivo del 14C
Datazioni
Il metodo del 14C è un grande contributo della
fisica nucleare all’archeologia
-
Principio della datazione col 14C
Il 14C è presente in atmosfera
(concentrazione costante: equilibrio fra i processi di
scomparsa per decadimento radioattivo e di continua
produzione per effetto della radiazione cosmica)
Tramite vari meccanismi,
TUTTI GLI ORGANISMI VIVENTI
PARTECIPANO A QUESTO EQUILIBRIO
e hanno perciò nei loro tessuti la stessa
concentrazione di 14C
FINCHE’ VIVENTI
-
A partire dalla morte di un organismo, il
decadimento radioattivo del 14C non è più
compensato da alcuna assunzione diretta o
indiretta dall’atmosfera, e ciò porta ad una
progressiva diminuzione della concentrazione
in 14C in un reperto di origine organica0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 10000 20000 30000 40000
C-1
4 c
on
cen
trati
on
tempo dalla morte (anni)
· 10-121
4R
(ra
pp
ort
o 1
4C
/12C
)
14R(t) = 14R0 · e –t/τ
τ = 8266 y
t = τ · ln [14R0 / 14R(t)]
Principio della datazione col 14C
δ t = τ ·[δ 14R(t) / 14R(t)] cioè :
1% errore in 14R(t) � ± 80 y
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Datazioni
Tipicamente nucleari sono anche le tecniche di misura
della concentrazione residua di 14C, sia quella tradizionale
che sfrutta il conteggio dei decadimenti β dell’isotopo, sia
quella più moderna della spettrometria di massa con
acceleratori (AMS)
Il metodo del 14C è un grande contributo della
fisica nucleare all’archeologia
L’orologio naturale su cui si fonda il metodo è il
decadimento radioattivo del 14C
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Possibili metodi di misura del 14C
Accelerator Mass SpectrometryAccelerator Mass Spectrometry
spettrometria di massa
la spettroscopia di massa
“standard” non è
sufficientemente sensibile per
discriminare le masse 14 dovute
al 14C da quelle degli isobari
interferenti
|dN/dt| = λ N
metodo radiometrico
misure delicate e difficili perché
decadimento β puro
necessarie grandi quantità di
campione(10÷100 g) e tempi di
misura lunghi (ore o anche
giorni)
(λ = 1/τ)
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Misura della concentrazione di Misura della concentrazione di 1414C con AMSC con AMS
La sorgente di ioni La sorgente di ioni
negativi elimina negativi elimina
ll’’interferenza del interferenza del 1414NN
Lo stripping al terminale Lo stripping al terminale
elimina le interferenze di elimina le interferenze di 1313CH e CH e 1212CHCH22
LL’’analisi finale degli ioni ad alta energia analisi finale degli ioni ad alta energia
consente di eliminare eventuali interferenze consente di eliminare eventuali interferenze
residueresidue
Acceleratore Tandem
Sorgente, dove si
mettono i campioni da
analizzare
Analisi in massa
e sistemi di
rivelazione
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Misura del 14C con AMS
→ sono databili reperti risalenti fino a oltre 50000
anni fa
→ non solo, ma per l’analisi bastano quantità
minuscole di materiale (mg)
SensibilitSensibilitàà a concentrazioni fino aa concentrazioni fino a 1010--1515
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Il campione trattato viene bruciato (CO2) e poi ridotto a
grafite (CO2 + 2 H2 � 2 H2O + C)
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Analizzatore elettrostatico dopo l’analisi
magnetica ad alta energia e contatore
finale del 14C
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Datazioni 14C – la ricalibrazione
• la concentrazione di partenza in passato non è sempre
stata quella convenzionalmente assunta, dalla quale si
deduce un valore altrettanto convenzionale per l’età (età
di radiocarbonio: trC = τ ln R0/R(t) )
• migliaia di misure effettuate su campioni di età
misurata indipendentemente � curva di ricalibrazione
(età convenzionale vs. età vera) fino a quai 50000 anni fa
• si corregge così l’età convenzionale convertendola in
una data vera “calendariale”
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Esempio di ricalibrazione dalla radiocarbon age all’età vera – ultimi 2000 anni
Atmospheric data from Reimer et al (2004);OxCal v3.10 Bronk Ramsey (2005); cub r:5 sd:12 prob usp[chron]
CalBC/CalAD 500CalAD 1000CalAD 1500CalAD 2000CalAD
Calibrated date
0BP
500BP
1000BP
1500BP
2000BPR
adio
carb
on
det
erm
inat
ion
età
convenzionale di radiocarbonio
data calendariale calibrata
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Datazioni 14C al LABEC
0
50
100
150
200
250
300
350
II
sem.
2004
2005 2006 2007 2008 2009
numero campioni
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Le reliquie conservate
presso la Chiesa di San
Francesco a Cortona e
la Basilica di Santa
Croce a Firenze
Gli scavi archeologici nel
centro di Firenze (Palazzo
Vecchio e Biblioteca
Magliabechiana)
Gli scavi archeologici nel
parco di Baratti-Populonia
Sedimenti fluviali – la successione di Abak Creek in Etiopia
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Il Papiro di Artemidoro
La Croce di Rosano
L’Icona di Santa Maria Advocata
della Basilica di Santa Maria in
Aracoeli, Roma
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Sviluppi AMS al LABEC
Progettata e costruita ex novo la parte finale del
canale di fascio con nuovi sistemi di monitoraggio
profilo fascio, rivelazione isotopi rari e
acquisizione dati
� per migliorare sensibilità e riproducibilità
delle misure 14C, ma anche in vista della misura di
nuovi isotopi
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Sviluppi AMS al LABEC
Messa a punto di procedure per il pretrattamento
di nuovi materiali a fini datazione 14C (estrazione
collagene da ossa, estrazione cellulosa da legno e
carta, etc.) e per la separazione dello iodio
contenuto in campioni di acqua marina, per
misurare il rapporto isotopico dello 129I rispetto
allo 127I (valori attesi da 10-12 in su)
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Sviluppi AMS al LABEC
Automazione delle procedure di preparazione dei
campioni per misure di 14C
Nuova linea di preparazione, con possibilità di una
procedura di combustione alternativa a quella
finora usata
Raddoppio della capacità di produzione campioni
grazie a modifiche della linea per la fase finale di
grafitizzazione
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Non solo tecniche di analisi
con acceleratore
Al LABEC è stato sviluppato un
sistema XRF innovativo
che può per certi aspetti avvicinarsi alle prestazioni
delle tecniche IBA e ha il vantaggio della
portatilità
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Affresco della
Resurrezione
Piero della Francesca
Sansepolcro,
Museo Civico
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Dopo solo pochi mesi di vita, il nuovo XRF è già
stato utilizzato - oltre che per le misure sulla
Resurrezione di Pier della Francesca - anche su:
La Madonna del Granduca di Raffaello (Gall. Palatina)
Il crocifisso dipinto del maestro di Figline (S.Croce)
I globi del Coronelli (Ist. e Museo di Storia della Scienza)
Affreschi del XIII sec. recentemente scoperti a Bologna
A breve: affreschi di Giotto (Cappella Peruzzi, S.Croce)