10 years of ELI 10 years of ELI 10 years of ELI

Měření starověkých keltských mincí na ELI Beamlines

Vědci z Oddělení urychlování iontů a aplikací vysokoenergetických částic, kteří rovněž stojí za projektem Nedestruktivních metod testování památek pomocí laserem urychlených protonů metodami Proton Induced X-ray Emission (PIXE) a Deep Proton Activation Analysis (DPAA), provedli v ELI Beamlines experimentální měření starověkých keltských zlatých mincí.

Archeologický ústav Akademie věd ČR a Národní muzeum v Praze poskytly sbírku vzácných zlatých mincí pro elementární analýzu. Tato starověká keltská platidla jsou datována do období Laténské kultury, tj. 3. — 1. stol. PNL (doba železná) a část z nich imituje mince z oblasti Makedonie. Dříve provedená analýza metodou X-Ray Fluorescence (XRF) prokázala, že mince tvoří převážně čisté zlato (nad 90%), přičemž u jednoho vzorku bylo odhaleno také stopové množství prvků osmia a iridia.

Tyto prvky společně s rutheniem, rhodiem, paladiem, platinou a dalšími patří do skupiny platinových kovů, které formují inkluze (vměstky/nečistoty, které nejsou začleněny do molekulární struktury samotné slitiny) ve starých zlatých slitinách. Detekce jejich výskytu dokazuje použití naplaveninového zlata a je velmi důležitá pro určení provenience (místo přírodního naleziště). Přestože je identifikace platiny ve zlatě, jakožto stopového prvku s nejvyšší koncentrací uvnitř inkluzí, naprosto nezbytná pro určení přítomnosti skupiny platinových kovů, není možné ji provést klasickými metodami jako je PIXE nebo XRF, a to kvůli limitovanému rozlišení energií polovodičovými detektory, které se pro tyto metody klasicky používají.

Zpravidla jsou stopové prvky ve zlatě tedy určovány pomocí metody hmotnostní spektrometrie Inductively Coupled Plasma (ICP). Tato metoda je však mikro-destruktivní, a tudíž není preferovaná pro artefakty s vyšší archeologickou či historickou hodnotou. Možnost nedestruktivního určení stopových prvků ve zlatě by tak byla kýženou náhradou pro mnoho výzkumných institucí. Úzká spolupráce vědců z Oddělení urychlování iontů a aplikací vysokoenergetických částic s Oddělením strukturní dynamiky na ELI Beamlines nakonec měla klíčový význam pro integraci spektrometru rentgenového záření (tzv. X-Ray Emission Spectroscopy (XES)) do zařízení v experimentální hale E4, které umožnilo nedestruktivní analýzu obsahu platiny ve zlaté keltské minci (obr. 1).

Nejprve byla zlatá platidla zdokumentována optickým mikroskopem, který odhalil lokaci možných inkluzí. Dvě mince pak byly změřeny XES spektrometrem. Ten analyzuje charakteristické rentgenové záření generované interakcí inkluzí materiálu s fokusovaným rentgenovým svazkem (produkovaným z konvenční rentgenky). Ozářené atomy povrchu zlaté mince nejprve absorbují energii dopadajícího rentgenového záření, aby následně energii zase zpětně uvolnily ve formě rentgenovských fotonů, které však již mají energii charakteristickou pro každý konkrétní prvek periodické tabulky (který tímto způsobem můžeme určit). Velmi blízké dráhy fotonů s podobnou, avšak různou energií (odpovídající  zde např. platině a zlatu) byly od sebe navzájem více oddáleny pomocí difrakčního krystalu, který se jim umístil do cesty. Zvolení správné pozice a úhlu X-ray detektoru následně umožnilo v kontinuálním spektru detekovat pouze charakteristický pík fotonů platiny, který byl dříve skryt v o mnoho početnějším píku zlata.

“Použitím popsaného spektrometru jsme nedestruktivně potvrdili stopový obsah platiny u jedné z mincí. O výsledcích naší práce akorát píšeme článek, který chceme zveřejnit ve specializovaném časopise,” říká Martina Greplová Žáková z týmu pro Urychlování iontů a aplikací vysokoenergetických částic.

Dalším krokem bude zdokonalení detekčního limitu techniky použitím těsněji fokusovaného rentgenového svazku dopadajícího na minci, a to pomocí polykapilární optiky. Plánuje se také proměření celé kolekce mincí. Tyto výsledky mají velký společenský dopad, neboť jsou velmi slibné pro nedestruktivní charakterizaci materiálů kulturního dědictví, které byly doposud měřeny destruktivním způsobem.

 

Obr. 1: Zlatá starověká keltská mince připevněná na rám pro umístění do experimentálního setupu.

Obr. 2: Koncová stanice pro nedestruktivní testování kulturního dědictví pomocí laserem urychlených protonů na beamlině ELIMAIA (ELI Multidisciplinary Applications of Laser-Ion Acceleration).

Obr. 3: Experimentální tým – Daniel Bursák (Archeologický ústav AV ČR), Martina Greplová Žáková (Oddělení urychlování iontů a aplikací vysokoenergetických částic), Vasiliki Kantarelou (Oddělení urychlování iontů a aplikací vysokoenergetických částic), Anna Zymaková (Oddělení strukturní dynamiky), Stanislav Stanček (Oddělení urychlování iontů a aplikací vysokoenergetických částic) – zleva