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Fallstudien

Charakterisierung der Ablationskrater nach LIPS-Messungen (Laserinduzierte Plasmaspektroskopie)

Archaeology & Paleontology, Fallstudien, Tribology
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PACEA ist eine Forschungseinheit des Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), der Universität Bordeaux und des französischen Kulturministeriums. Die in PACEA vorangetriebene Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf paläolithische Kulturen in Europa und Afrika und deren Umwelt, auf biologische Anthropologie, Bestattungspraktiken und Kunstgegenstände aus Stein.

Die konfokale Technologie hat sich als wirksame Technik zur Untersuchung und Charakterisierung der Größe, des Durchmessers und der Tiefe von Kratern verschiedener LIPS-Geräte erwiesen

Diese Studie verfolgt zwei Zecke: 1) Die Charakterisierung von Ablationskratern nach LIPS-Messungen (Laserinduzierte Plasmaspektroskopie) an einem Fresco (Abb. 1); und 2), der Vergleich von Kratern an einer 2 Eurocent Münze (Abb. 2) die von einem tragbaren Gerät (EasyLIBS) und von einem Laborgerät hervorgerufen wurden.

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Abb. 1. Analysiertes Fresco
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Abb. 2. Übersicht über die Münze: a) Zoom auf den analysierten Bereich, der mit einem tragbaren Gerät behandelt wurde; b) Zoom auf den analysierten Bereich, der mit einem Laborgerät behandelt wurde

Teil 1 – ANALYSE DER ABLATIONSKRATER AUF EINEM FRESCO

Es wurde eine Studie über die Dimension und Tiefe von Ablationskratern im Zusammenhang mit LIBS-Messungen ausgeführt. Die Krater wurden unter Einsatz des optischen 3D-Profilometers S neox im Konfokalmodus analysiert. Zu diesem Zweck wurden sechs Ablationskrater durch 1, 3, 8, 10, 15 und 20 Laserbestrahlungen hergestellt (Abb. 3). Eine eingängliche qualitative Betrachtung ergab, dass die Krater von einer dunklen Aureole umgeben waren, was darauf schließen lässt, dass das Material sich beim Auftreffen des Laserstahls stark erhitzt hatte. Diese Aureole wird als Wärmeeinflusszone (WEZ) bezeichnet, sie ist ein im Rahmen von Laserabtragungen gut bekannt Phänomen.

cs12 PACEA - LIBS 3
Abb. 3. Lokalisierung der analysierten Punkte auf dem Niveau der gelben Dekoration auf dem roten Pigment

Die durchschnittliche Größe der entstandenen Krater beträgt rund 800 µm x 400 µm..
Der durch 20 Laserbestrahlungen entstandene Krater wurde einer genaueren Untersuchung unterzogen
(Abb. 4). Tatsächlich wurde bei diesem Krater ein Hohlraum von rund 160 µm x 100 µm festgestellt.
Diese Beobachtung wurde auch bei allen anderen Ablationskratern gemacht.

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Abb. 4. Aufgrund von 20 Laserbestrahlungen entstandener Krater; a) 3D-Bild des Kraters nach 20 Laserbestrahlungen; b) Dimensionen des Kraters in µm und Ansicht des Hohlraums (in Blau)

Das Profilbild aller Krater verdeutlicht, dass die Tiefe der Krater mit der Anzahl der Laserbestrahlungen steigt (Abb. 5). Die Probe wurde durch 20 Laserbestrahlungen an der tiefsten Stelle um rund 100 µm ausgehöhlt.

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Abb. 5. Tiefe der Krater in µm; a) und b) Draufsicht-Topographien, c) Profil

Teil 2 – VERGLEICH VON DURCH ZWEI LIPS-GERÄTE VERURSACHTEN ABLATIONSKRATERN (EASYLIBS UND LABORGERÄT)

Im Fall des EasyLIBS ist ein gleichmäßiger, breiter Ring rund um die Krater zu beobachten (Abb. 6). Die Krater waren insgesamt flach und seicht, die entstandene geschmolzene Masse scheint im Krater verblieben und nicht ausgeworfen worden zu sein.

cs12 PACEA - LIBS 6
Abb. 6. a) 3D-Ansicht eines Kraters nach 150 Laserbestrahlungen eines tragbaren Laser-Geräts; b) 3D-Ansicht eines Kraters nach 500 Laserbestrahlungen eines tragbaren Laser-Geräts

Bei den mit dem Laborgerät ausgeführten Messungen war das ausgetretene Material rund um den Krater deutlich sichtbar (Abb. 7). Darüber hinaus weisen die mit dem Laborgerät verursachten Krater allesamt „Grate“ auf, an denen sich das Material sammelt. Die Höhe dieser Grate beträgt gegenüber der Oberfläche der Münze, abhängig von der Anzahl der Laserbestrahlungen, zwischen 4 µm und 20 µm.

cs12 PACEA - LIBS 7
Abb. 7. Durch 20 Laserbestrahlungen des Laborgeräts verursachter Krater, das ausgetretene Material ist sichtbar. a) Mit dem konfokalen Mikroskop S neox angefertigtes Bild; b) 3D-Ansicht des Kraters

Der Vergleich zwischen den Kratern des EasyLIBS und des Laborgeräts mit unterschiedlichen Anzahlen von Laserbestrahlungen erfolgt in Tabelle 1. Darüber hinaus Abb. 8 und Abb. 9 zeigen 2D-Bilder die Krater des LIPS-Instruments nach 50 und 500 Laserbestrahlungen.

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Tabelle 1. Vergleich zwischen den Kratern des EasyLIBS und des Laborgeräts mit unterschiedlichen Anzahlen von Laserbestrahlungen
cs12 PACEA - LIBS 9
Abb. 8. a) Durch 50 Laserbestrahlungenmit einem tragbaren Gerät (EasyLIBS) verursachter Krater; b) Durch 50 Laserbestrahlungen mit einem Laborgerät verursachter Krater
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Abb. 9. Form und Größe der Krater. a) Durch 500 Laserbestrahlungen mit einem tragbaren Gerät (EasyLIBS) verursachter Krater; b) Durch 500 Laserbestrahlungen mit einem Laborgerät verursachter Krater

Das optische 3D-Profilometer S neox hat sich als genaues, schnelles und einfach zu bedienendes Werkzeug zur Untersuchung von Ablationskratern im Zusammenhang mit Messungen durch laserinduzierte Plasmaspektroskopie erwiesen. Die optische 3D-Profilometrie ermöglichte qualitative und quantitative Analysen. Insbesondere hat sich die konfokale Technologie als wirksame Technik zur Untersuchung und Charakterisierung der Größe, des Durchmessers und der Tiefe von Kratern verschiedener LIPS-Geräte erwiesen.

Dies ist für Archäologen und Kuratoren zur Bewertung der Vorteile/Risiken der Bearbeitung von Artefakten durch mikrodestruktive Methoden von großer Bedeutung.

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