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The aim of the research project 'Typology of
Dutch Drawing' was to establish an interdisciplinary approach
for investigating heterogeneous drawing collections.
To define a type common to a group of drawings, we
determine elements that are common to them based on style
and the use of identical materials. To that end, we investigated
about 750 Dutch drawings from the sixteenth century at the
Dresden Kupferstich-Kabinett using art historical and
scientific methods. In this work, we present a detailed
analysis of 30 drawings ascribed to the Egmont Master.
In this study, we address the question of the
provenance and origin of the Dead Sea Scrolls manuscripts.
A characteristic low ratio of chlorine to bromine, corresponding
to that of the Dead Sea water, may serve as an indicator for
local production. For this aim we developed a non-destructive
procedure to determine the Cl/Br ratio in the parchment of
these manuscripts. Micro-X-ray fluorescence (µ-XRF) measurements
of a large number of parchment and leather
fragments from the Dead Sea Scrolls were analyzed with a
routine we developed based on fundamental parameter
quantification. This routine takes into account the absorption
of the collagen matrix and the influence of the different sample
thicknesses. To calculate the representative Cl/Br ratio for each
fragment, we investigated the lateral homogeneity and
determined the total mass deposition using the intensity of
the inelastically scattered, characteristic tube radiation. The
distribution of the Cl/Br ratios thus obtained from the µ-XRF
measurements make it possible to distinguish fragments
whose origin lies within the Dead Sea region from those
produced in other locations.
A combination of 3D micro X-ray fluorescence spectroscopy (3D micro-XRF) and micro-XRF was utilized for the investigation of a small collection of highly heterogeneous, partly degraded Dead Sea Scroll parchment samples from known excavation sites. The quantitative combination of the two techniques proves to be suitable for the identification of reliable marker elements which may be used for classification and provenance studies. With 3D micro-XRF, the three-dimensional nature, i.e. the depth-resolved elemental composition as well as density variations, of the samples was investigated and bromine could be identified as a suitable marker element. It is shown through a comparison of quantitative and semiquantitative values for the bromine content derived using both techniques that, for elements which are homogeneously distributed in the sample matrix, quantification with micro-XRF using a one-layer model is feasible. Thus, the possibility for routine provenance studies using portable micro-XRF instrumentation on a vast amount of samples, even on site, is obtained through this work.
A new fundamental parameter based calibration procedure for micro X-ray fluorescence spectrometers
(2011)
Fundamental parameter based quantification of X-ray fluorescence (XRF) measurement data requires an accurate knowledge of the spectrometer parameters, including the spectral distribution of the excitation radiation. In case of micro-XRF where a polycapillary optic is utilized in the excitation channel this distribution is changed due to the transmission properties of the lens. A new calibration procedure, based on fluorescence data of thin standard samples, was developed to determine the excitation spectrum, i.e., the product of the X-ray tube spectrum and the transmission of the used X-ray optic of a micro-XRF setup. The calibration result was validated by the quantitative analyses of certified multi-element reference standards and shows uncertainties in the order of 2% for main components, 10% for minor elements and 25% for trace elements. The influence of secondary order effects like Coster–Kronig transitions and cascade effects is analyzed and the accuracy of fundamental parameters in common databases is discussed.
In this work, the applicability of a new 3D micro X-ray fluorescence (3D Micro-XRF) laboratory spectrometer for the investigation of historical glass objects is demonstrated. The non-destructiveness of the technique and the possibility to measure three-dimensionally resolved fluorescence renders this technique into a suitable tool for the analysis of cultural heritage objects. Although absorption and resolution effects complicate qualitative analysis of the data, layered structures can be distinguished from homogeneous samples without the need for full quantification. Different manufacturing techniques were studied in this work with the help of hand-made reference samples. With the gained knowledge it could be shown for the investigated historical glass object, that black enamel as a stained glass contour colour was used in a cold painting. The object was not fired after the application of the black enamel, but instead the adhesion of the paint was solely provided through organic binding agents and the backing with metal foils. Thus, for the manufacturing of the object, a mixture of cold painting technique with a stained glass color was used. Quantitative measurements with a 3D Micro-XRF setup at the Berlin synchrotron BESSY II confirm the assumptions drawn on the basis of the qualitative investigation with the 3D Micro-XRF spectrometer with X-ray tube excitation.
Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) ist ein Standardverfahren in der zerstörungsfreien Elementanalyse. Die Entwicklung von Polykapillaroptiken und von SDD-Halbleiterdetektoren, die ohne Stickstoff-Kühlung auskommen, ermöglicht eine breite Anwendung dieses Verfahrens z. B. in der Kunst- und Kulturgutanalyse. Die dafür entwickelten Spektrometer sind mobil und bieten die Möglichkeit der Analyse von kleinen Strukturen, da Untersuchungs- flächen mit Durchmessern von 10-70 ¹m erzeugt werden. Für quantitative RFA-Ergebnisse werden in den meisten Anwendungsfällen referenzprobenbasierte Auswertungsverfahren eingesetzt. Aufgrund von Absorptionsprozessen in der Probenmatrix ist die Genauigkeit und Verlässlichkeit der ermittelten Konzentrationen dabei stark von der Ähnlichkeit von Referenz- und Untersuchungsprobe abhängig. Liegen keine geeigneten Referenzmaterialien vor, stellt die „Fundamental Parameter (FP) Methode“ eine Alternative dar. Dabei werden die bei der Erzeugung und Detektion auftretenden Wechselwirkungen mit Hilfe geeigneter Datenbanken mathematisch beschrieben. In einem Iterationsverfahren können auf diese Weise die Elementkonzentrationen ermittelt werden. Voraussetzung ist eine genaue Kenntnis der Spektrometerparameter, u. a. der spektralen Verteilung der Anregungsstrahlung. Da durch die Transmissionseigenschaften der Polykapillaroptiken die gut beschriebenen Röntgenröhrenspektren erheblich verändert werden, war eine Anwendung der FP-Methode für die Mikro-RFA bisher nicht möglich. Ziel dieser Arbeit ist es, die Transmission dieser Optik in einer Weise zu beschreiben, die eine routinemäßige Quantifizierung auf Basis der fundamentalen Parameter möglich ist. Die notwendigen Untersuchungen erfolgten an einem kommerziellen Mikro-RFA-Spektrometer, das für die Analyse im Kunst- und Kulturgutbereich entwickelt wurde. Zum einen wurden im Rahmen der Arbeit umfangreiche Charakterisierungsmessungen an der zum Spektrometer gehörenden Linse durchgeführt, um die grundsätzlichen Prozesse bei Strahlungstransport in Polykapillarlinsen besser zu verstehen. Dabei wurde besonders auf den Einfluss messungsbedingter Artefakte bei der Bestimmung der Linsenparameter geachtet. Zusätzlich wurden an Polykapillarhalblinsen Charakterisierungsuntersuchungen am Rasterelektronenmikroskop und mit Synchrotronstrahlung durchgeführt. Die Ergebnisse ergänzen die Erkenntnisse der Volllinsencharakterisierung, insbesondere den starken Einfluss der Messbedingungen auf die ermittelten Parameter. Zum anderen wurde ein neues Kalibrierungsverfahren entwickelt, welches die Beschreibung der Linsentransmission ohne vorherige Linsencharakterisierung ermöglicht. Das Verfahren wurde an zertifizierten Referenzmaterialien getestet. An verschiedenen Anwendungen aus dem Bereich der Archäometrie werden schließlich Quantifizierungsergebnisse präsentiert, so z. B. die Analyseergebnisse antiker römische Kupfermünzen, die im Rahmen eines Methodenvergleiches auch mit PIXE und Synchrotron- RFA untersucht wurden sowie Untersuchungsergebnisse historischer Pergamente und Schreibmaterialien.