Лазерная очистка памятников истории и культуры из мрамора и бумаги от биодеструкторов

• Автор: Геращенко, Анастасия Николаевна
• Шифр специальности: 05.27.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 158 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Лазерная очистка памятников истории и культуры от биодеструкторов (обзор литературы)

1.1. Биодеструкторы памятников

1.1.1. Виды био деструкторов и их воздействие на каменные памятники

1.1.2. Биодеструкция объектов из органических материалов

1.1.3. Традиционные методы удаления биодеструкторов

1.2. Лазерная очистка памятников

1.2.1. Физические принципы лазерной очистки

1.2.2. Лазерная очистка каменных памятников

1.2.3. Лазерная очистка органических материалов

1.2.4. Лазерное удаление биодеструкторов
1.3. Контроль результатов лазерной очистки
1.3.1. Спектроскопия лазерной искры (L1BS)
1.3.2. Рамановская спектроскопия
1.3.3. Рентген-флуоресцентный анализ
Глава 2. Модельные эксперименты по воздействию лазерного излучения на споры микроскопических грибов
2.1. Обоснование выбора источника лазерного излучения
2.2. Подготовка образцов и методика проведения экспериментов
2.3. Результаты экспериментов по лазерному удалению спор
2.4. Воздействие лазерного излучения на жизнеспособность спор грибов
2.5. Обсуждение результатов и краткие выводы
Глава 3. Лазерная очистка камня от биодеструкторов
3.1. Теоретическое рассмотрение теплофизических явлений при лазерной очистке каменных поверхностей
3.2. Подготовка модельных образцов камня с био деструкторами
3.2.1. Подготовка модельных образцов камня с микромицетами
3.2.2. Подготовка модельных образцов камня с водорослями
3.3. Результаты экспериментов по лазерной очистке модельных образцов камня
3.3.1. Результаты экспериментов по лазерному удалению микромицетов
3.3.2. Результаты экспериментов по лазерному удалению водорослей
3.3.3. Результаты экспериментов по удалению био деструкторов с помощью лазера на парах меди и УФ лампы
3.4. Лазерная очистка скульптур
3.4.1. Лазерная очистка мраморной скульптуры XVIII в. «Зефир, качающийся на ветке»
3.4.2. Лазерная очистка мраморной скульптуры XIX в. «Примавера»
3.5. Краткие выводы по главе

Глава 4. Лазерная очистка органических материалов от биодеструкторов
4.1. Обоснование выбора источника лазерного излучения
4.2. Подготовка модельных образцов органических материалов
4.3. Результаты экспериментов по лазерной очистке образцов органических материалов
4.3.1. Результаты по обработке Ыс1:УАО лазером
4.3.2. Результаты по обработке волоконным лазером
4.4. Лазерная очистка бумаги (реставрация исторических документов)
4.5. Краткие выводы по главе
Глава 5. Методы контроля результатов и безопасности лазерной очистки
5.1. Методы сканирующей электронной (СЭМ) и атомно-силовой
микроскопии (АСМ)
5.1.1. Экспериментальные исследования методом СЭМ
5.1.2. Экспериментальные исследования методом АСМ
5.2. Метод рентген-флуоресцентного анализа
5.3. Разработка интегрирующего фотоприемника для контроля
результатов очистки
5.3.1. Принцип работы интегрирующих фотоприемников. Постановка задачи
5.3.2. Оценка возможности использования интегрирующего цилиндра
в качестве фотоприемника (моделирование в программе Zsms^x)
5.3.3. Описание конструкции разработанного лабораторного
макета интегрирующего фотоприемника в форме цилиндра
5.3.4. Калибровка сконструированного прибора
5.3.5. Контроль результатов лазерной очистки модельных образцов
и мраморных скульптур
5.4. Краткие выводы по главе
Заключение
Библиографический указатель
Приложение 1. Методика лазерного удаления биодеструкторов с поверхности памятников
Список публикаций

Введение
Лазерные технологии находят все более широкое применение в реставрации и консервации объектов культурно-исторического наследия во всем мире. Первые экспериментальные работы по применению лазеров в реставрации произведений искусства были проведены еще в 1972 году в Италии. В последующие годы во многих странах Европы, в США, Канаде начались исследования в этой области, постепенно сформировалось отдельное научно-техническое направление по применению лазерных технологий в сохранении памятников. На сегодняшний день можно выделить три области применения лазерной техники: 1 - реставрация; 2 - исследование, анализ и диагностика; 3 - мониторинг состояния памятников и окружающей среды. В числе названных направлений все большее распространение получает технология лазерной очистки, относящаяся к области реставрации. Эта технология применяется для бесконтактного, селективного удаления различных загрязнений без повреждения поверхности памятников [1].
Одной из трудноразрешимых проблем в реставрации является удаление биологических поражений с поверхности памятников. Развитие биопоражений приводит к ухудшению внешнего вида и физического состояния поверхности. Микроорганизмы внедряются в материал, повреждая его механически и химически: ферментами и кислотами.
Биодеструкторами обычно являются бактерии, микроскопические грибы, водоросли и лишайники. Главную роль при этом обычно играют микроскопические грибы, способные развиваться практически на любом материале.
Биопоражения появляются как на каменных памятниках, экспонирующихся на открытом воздухе, так и на объектах из органических материалов, включая музейные экспонаты, книги и документы из библиотечных фондов и архивов. В первом случае проблема биоповреждения затрагивает в основном скульптуры и декоративные элементы фасадов зданий, создаваемые преимущественно из карбонатных пород, то есть мрамора и известняка. Такие памятники могут полностью разрушиться из-за биопоражений уже через несколько десятков лет экспонирования. Органические материалы, в отличие от камня, являются для микроорганизмов не только субстратом, но и питательной средой. Поэтому для них биодеструкторы оказываются даже более разрушительными [2].
В настоящее время в реставрации для удаления биопоражений в основном применяются механический и химический методы очистки поверхности, имеющие существенные недостатки. В зависимости от степени воздействия, они, чаще всего, или не позволяют полностью решить задачу удаления биопоражений, или приводят к повреждению материала объекта. Несмотря на

интервал уровня плотности энергии, который может сильно варьировать в зависимости от материала подложки и вида загрязнений. Отметим, что немаловажное значение играет также возраст и состояние сохранности объекта реставрации, поэтому экспериментальных исследований на модельных образцах может оказаться недостаточно для определения оптимальных выходных параметров лазера. Каждый объект реставрации должен рассматриваться как индивидуальный случай.
При выборе длины волны излучения для обработки органических материалов следует учитывать, что излучение в УФ области вызывает фотохимические изменения целлюлозных и коллагеновых волокон, разрушение на молекулярном уровне. Известны случаи применения эксимерных лазеров с длиной волны 308 нм [69-71], демонстрирующие такие повреждения. УФ облучение способствует фотоокислению, что в частности приводит к старению бумаги, изменению ее цвета.
Чаще всего для лазерной очистки органических материалов используются Nd:YAG лазеры с модуляцией добротности, излучающие на первой (1064 нм) или второй гармонике (532 нм) [72-75]. Облучение в видимой или ИК области не вызывает фотохимических эффектов. В этом случае рабочий диапазон плотности энергии ограничен возможностью термического повреждения волокон. Некоторые экспериментальные исследования (см., например, [76]) показывают, что на длине волны 1064 нм пороговое значение плотности энергии для повреждения пергамента вдвое выше, чем для длины волны 532 нм. То есть лазерная обработка в ближней ИК области потенциально более безопасна.
При выборе длительности импульсов лазерного излучения следует учитывать следующее. Уменьшение длительности импульса приводит к уменьшению глубины прогретого слоя материала, что снижает риск повреждения. С другой стороны, порог повреждения растет с увеличением длительности импульса. Так, для пикосекундных импульсов пороговое значение плотности энергии для повреждения бумаги может составить десятые доли Дж/см2, для наносекундных - до 10 Дж/см2 [77]. В некоторых случаях величины плотности энергии излучения, безопасной для очищаемого материала, может оказаться недостаточно для эффективного удаления загрязнений. Эти соображения следует учитывать при выборе выходных параметров лазерного излучения.
Для снижения риска повреждения органических материалов необходимо осуществлять равномерное сканирование импульсным излучением по поверхности. Доставка лазерного излучения при этом может осуществляться через роботизированную руку или через оптическое волокно с фокусирующей системой.
Для определения степени воздействия обработки применяются современные методы
диагностики: сканирующая электронная микроскопия, колориметрические измерения [72],