Применение ионизирующих излучений для сохранения объектов культурного наследия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра радиационной химии и химико-фармацевтических технологий

Курсовая работа

Применение ионизирующих излучений для сохранения объектов культурного наследия

Выполнила студентка 4 курса

7 гр. Соколова В.И.

Научный руководитель:

кандидат химических наук,

доцент кафедры Свердлов Р.Л.

МИНСК

2020

Содержание

Глава 1. Радиационная обработка произведений искусства

1.1 Факторы деградации

1.2 Дезинсекция

1.3 Уплотнение пористых структур

Глава 2. Влияние ионизирующего излучения

2.1 Биоцидный эффект и модификация ДНК

2.2 Радиочувствительность живых организмов

2.3 Побочные эффекты облучения

2.3.1 Древесина

2.3.2 Текстиль

2.3.3 Бумага

2.3.4 Пигменты и красители

2.3.5 Лаки и связующие

2.3.6 Стекло и драгоценные камни

2.3.7 Кожа, мех, пергамент

2.3.8 Мумии и образцы таксидермии

2.3.9 Фотоматериалы

2.3.10 Другие материалы

2.4 Другие побочные эффекты

Глава 3. Дезинфекция объектов культурного наследия с использованием облучения

3.1 Рекомендуемые дозы

3.2 Меры предосторожности

3.3 Комментарии к материалам

3.4 Области применения

Глава 4. Консолидация органических материалов с использованием излучения

4.1 Мономеры и смолы

4.2 Полимеризация

4.3 Пропитка и облучение

4.4 Области применения

Глава 5. Источники и оборудование в радиационных технологиях

5.1 Гамма установки

5.2 Ускорители электронов

Глава 1. Радиационная обработка произведений искусства

1.1 Факторы деградации

В основном предметы культурного наследия изготавливаются из дерева, кожи, ткани или бумаги. Все эти материалы в основном являются природными полимерами и весьма уязвимы к неблагоприятным условиям окружающей среды.

Традиционная классификация делит факторы деградации на физические, химические и биологические факторы. Избыток воды, периодические заморозки/разморозки, повышенная температура и ее колебания, ветер, свет и механические нагрузки считаются факторами физического или механического разложения. Кислород и другие газы, а также гуминовые кислоты из почвы ответственны за химическое разложение органических артефактов. Так же часто ухудшение артефактов может быть связано с биологическими агрессорами: микроорганизмами, грибками, насекомыми. В то время как грибам обычно требуется влажность, насекомые часто могут использовать собственную воду для разложения органических веществ. Бактерии, будь то аэробные или анаэробные, обычно требуют больше времени для разрушения артефактов.

Пока присутствуют только физические и химические факторы, деградация будет развиваться медленно и пропорционально интенсивности вредного воздействия.

Важно отметить, что совместное влияние неподходящих физико-химических условий и биологических агрессоров существенно превосходит простую сумму действий каждого из указанных факторов. При профилактическом сохранении экспонатов эффективен план, включающий регулирование микроклимата в борьбе с факторами физической и химической деградации. Обычно этого достаточно и для контроля биологических факторов, но только если их атака еще не началась. Если же атака уже активна, каждый объект должен быть обработан, так как агрессоры присутствуют внутри артефакта в активной биологической форме и принимают его в качестве питательного вещества.

Древесина

Древесина - это самый важный природный органический материал в истории человечества, а также первый используемый. Он использовался для изготовления таких жизненно важных предметов, как укрытия, инструменты, мебель, оружие, лодки и кареты, а также религиозные произведения искусства.

Древесина представляет собой сложную композицию биополимеров с целлюлозой в качестве наиболее важного компонента, составляющего 40-50%. Лигнин, присутствующий в концентрации 25-30%, является еще одной макромолекулой. Он находится в аморфной форме и является относительно гидрофобным и ароматическим. Гемицеллюлоза, которая составляет 20-25%, также является полисахаридом, но разветвлена и состоит из множества различных мономеров. Она имеет случайную аморфную структуру, обеспечивая небольшую прочность, и легко гидролизуется.

К сожалению, древесина особенно уязвима для биологических агентов. Грибковые или бактериальные атаки зависят от влажности субстрата. Исследования установили, что для действия биологических агрессоров достаточно 20% влажности. Такой уровень влажности можно легко обнаружить на открытом воздухе, где грибки являются основным и наиболее важным разлагающим веществом целлюлозы.

Биодеградация заболоченной древесины осуществляется микроорганизмами, которые могут жить при высокой влажности, низком содержании кислорода и высокой концентрации соли. Водоросли, древесные моллюски могут способствовать биологическому разложению, когда древесина находится в морской среде. Очень часто наиболее важной проблемой сохранения заболоченной древесины является улучшение разрушенной структуры, а не прекращение биоразложения.

Бумага

Бумажный материал подвержен разрушению вследствие естественных процессов старения, вызванных физико-химическими свойствами бумаги, механических и микробиологических факторов, таких как грибки, плесень и насекомые.

Микроорганизмы негативно влияют на книги; уничтожение насекомых и плесени является первым и самым основным вмешательством перед дальнейшими процессами сохранения книг. Плесень устойчива к высоким и низким температурам, нуждается в небольшом количестве влаги, а ее устойчивость к химическим веществам увеличивается со временем.

Бумага состоит в основном из целлюлозных волокон. Волокнистая структура придает бумаге не только прочность, но и ощущение комфорта. До конца восемнадцатого века белую бумагу можно было изготавливать только из белой ветоши, поскольку единственным способом отбеливания было воздействие солнца. После открытия хлора (1774 г.) и гипохлорита (1789 г.) эти химикаты вскоре были использованы в качестве отбеливателей, что позволило использовать цветные материалы для производства белой бумаги.

Таким образом ветошь, тряпки сменились на более дешевые целлюлозные массы. Хлопок содержит около 95% целлюлозы, лен около 80% и дерево около 45%. Травы состоят только приблизительно из 30% целлюлозы. Поэтому новая бумага стала менее долговечной и более подверженной условиям окружающей среды.

По сравнению с древесиной бумага более гидрофильна и, следовательно, более уязвима для биологических агентов: бактерий, грибов и насекомых.

Кожа, пергамент

Кожным сырьем является шкура животного, обычно млекопитающих. Основным химическим компонентом является коллаген. Превращение шкуры в сырье является сложным процессом и включает в себя множество технологических этапов. Дубление - это процесс сшивания, при котором между танином и коллагеном образуется химическая связь. Таким образом, блокируется значительное количество гидрофильных химических групп, и материал становится намного менее гидрофильным. Другие этапы, такие как смазывание, окрашивание или нанесение покрытия, связаны с конечной целью продукта. Но сушка всегда является обязательным условием, потому что после дубления (или окрашивания) содержание воды составляет 65-70%, но оно должно быть уменьшено до ~ 15%, так как более высокое содержание воды способствует развитию бактерий, которые снижают прочность кожи.

Биологическая деградация не играет важной роли в общей картине типов деградации кожи, пока концентрация воды в коже остается низкой. Биологическая деградация обычно появляется, когда другие факторы старения уже изменили потребление воды. Кроме того, в результате ненадлежащих мер по сохранению кожа (или пергамент) может образовывать жировую поверхность, вызывая задержку пыли, что увеличивает потребление воды. Пергамент изготавливается путем обработки известью, выскабливания и сушки кожи животного под натяжением. Изготовление пергамента не предполагает дубления, что дает возможность для регидратации. Следовательно, он гораздо более уязвим для биологической деградации.

Текстиль (ткани)

Многие экспонаты музея изготовлены из текстильных волокон, в том числе одежда, ковры, гобелены и станковые картины на холсте. Текстиль может быть растительного или животного происхождения.

Основным компонентом текстиля растительного происхождения является целлюлоза, добываемая из хлопка, льна, конопли и некоторых других растений. По этой причине процесс биологического разложения растительного текстиля имеет много общих черт с процессами биологического разрушения древесины и бумаги. Такие металлы, как медь или серебро, иногда присутствующие в композитных волокнах, используемых для дорогостоящей одежды, могут ингибировать рост микроорганизмов.

Наиболее важными тканями животного происхождения являются шерсть и шелк, где основными компонентами являются белки. Белок в шерсти - кератин, он не растворяется в воде, но обладает высокой гигроскопичностью. Шелк содержит два белка: фиброин и серицин. Фиброин очень устойчив к химическим веществам и нерастворим в воде. Однако серицин растворим в воде. Его присутствие увеличивает уязвимость шелка. Иногда серицин удаляют в теплой воде и мыле в качестве средства повышения устойчивости к микроорганизмам.

Вообще говоря, артефакты из шерсти и шелка меньше разрушаются микроорганизмами, чем артефакты из целлюлозных волокон. Благодаря повышенной гигроскопичности белковые волокна легче поражаются бактериями, чем грибами.

Другие материалы

Композитные артефакты объединяют органические и неорганические материалы. Примерами являются мумии, мольберты, панно, а также дорогая одежда, в которой жемчуг, янтарь и прозрачные драгоценные камни использовались вместе с текстильными волокнами.

Чтобы оценить биодеградацию композиционного материала, следует иметь в виду, что паразитирующие микроорганизмы действуют отдельно на все компоненты. Это означает, что риск для наиболее восприимчивого компонента должен учитываться в первую очередь при планировании вмешательства. При оценке использования облучения для дезинсекции необходимо учитывать приемлемую дозу и побочные эффекты облучения для каждого компонента.

Особое внимание рекомендуется в случае восстановления икон. Когда они выставлены в церквях, они содержатся в неконтролируемой среде, при уровнях влажности и температуры, которые допускают развитие микроорганизмов. Поэтому очень важно во избежание повторного заражения хранить экспонаты в надлежащих условиях после дезинсекции.

Фотопленка представляет собой многослойный материал, состоящий из двух основных слоев. Подложка представляет собой пластиковый материал (нитрат целлюлозы или ацетат целлюлозы для старых пленок, полиэстер для современных пленок). Активный слой изготовлен из желатина, содержащего суспензию микроскопических кристаллов серебра для черно-белых пленок или органических красителей для цветных пленок, из которых состоит визуальная информация. Пластмассовый слой - это механическая опора, которая позволяет манипулировать пленками. Как белок, желатин является биоразлагаемым при повышенной влажности. Наиболее важным биореагентом являются грибы. Пластик является гидрофобным и поэтому не подвержен риску биоповреждений. Если дезактивация достигается путем облучения, необходимо учитывать возможные побочные эффекты как для желатина, так и для пластика.

1.2 Дезинсекция

Дезинсекция - это не только уничтожение насекомых, как считают многие, а проведение еще целого комплекса профилактических мероприятий, направленных на снижение и ликвидацию инфекционных и паразитарных заболеваний. Это весьма трудоемкий процесс, так как грибы, бактерии и насекомые имеют сложный жизненный цикл. На стадии покоя большинство из них довольно устойчивы к различным биоцидам и неблагоприятным условиям окружающей среды.

Применение ионизирующего излучения для стерилизации медицинских изделий, фармацевтических препаратов, пищевых продуктов и других материалов хорошо известно. Обработка этих продуктов проводится уже много лет и является общепринятой. В качестве излучения используются гамма-кванты, рентгеновские лучи или электроны. Такое излучение не вызывает активации в обработанных объектах. Кроме того, сообществом природоохранных органов широко признано использование рентгеновской или гамма-радиографии для неразрушающего контроля таких предметов, как станковая живопись, статуи, археологические объекты и музыкальные инструменты. Таким образом, применение ионизирующего излучения для обработки артефактов культурного наследия представляется простым; однако следует помнить, что излучение способно разрушать органические материалы, и те материалы, которые успешно подвергаются радиационной стерилизации в настоящее время, имеют теоретически короткий срок службы. Пища быстро потребляется, а хирургическое оборудование используется только один раз. Напротив, материалы культурного наследия должны выживать в течение многих веков; поэтому условия облучения, используемые для пищи или хирургического оборудования, нельзя просто скопировать для артефактов.

Сохранение культурного наследия с использованием радиационных методов имеет особые и неоспоримые преимущества перед классическими процедурами.

Первое преимущество - безвредность. Прежде всего нужно подчеркнуть именно это, чтобы уравновесить общественное сопротивление ядерным технологиям в целом. Ядерная отрасль огромна, и это большая ошибка судить о рентгенографии (которая несомненно улучшила медицинские исследования), радиотерапии 60Co (один из немногих способов борьбы с раком) или стерилизации облучением (метод, который принес значительно более дешевые медицинские приборы) так же, как о ядерном оружии. Радиационная обработка проводится в закрытом, защищенном месте и под постоянным наблюдением. По своему замыслу такая установка может использоваться только в строгих условиях безопасности. Такая технология не оставляет следов в обработанном артефакте и не наносит ущерба окружающей среде. Артефакты не становятся радиоактивными. Следовательно, нет риска для реставраторов, музейных кураторов и регистраторов или операторов объектов облучения, а также для окружающей среды.

Еще одним важным преимуществом является очень высокий уровень эффективности и надежности. Эффективность напрямую связана с биологическим эффектом ионизирующего излучения, так как уровень смертности микроорганизмов эффективно контролируется дозой излучения. Эта доза может варьироваться от 0,5-2 кГр для уничтожения насекомых до более чем 10 кГр от паразитирующих грибков. Гамма-излучение проникает в любой материал и действует до глубины его проникновения, которая зависит от плотности материала и количества нагрузки. Существует еще одно практическое следствие проникновения излучения: артефакты можно облучать, не удаляя их из упаковки или контейнера, используемого для их транспортировки.

Радиационная обработка обеспечивает высокий уровень безвредности для большого диапазона сырья, включая практически все виды органических материалов, таких как дерево, бумага, кожа, пергамент, текстиль и т. д. Конечно, очень важно рассматривать эту безвредность как зависимость от дозы. Например, при дозах инсектицидов определенно должен быть исключен из обработки объемный прозрачный материал, который может изменить цвет. При дозе фунгицида химические эффекты могут быть измерены в более широком диапазоне материалов. Однако для материала, для которого оцениваются такие химические эффекты, важно знать, можно ли предотвратить деградацию другим методом. Поскольку очень немногие «мягкие» методы способны побороть биологических вредителей, облучение часто становится наиболее эффективным методом «лечения» произведений искусства.

Дезинфекция с использованием ионизирующего излучения занимает значительно меньше времени, чем классические методы, а также позволяет одновременно обрабатывать большое количество объектов разных размеров. Облучение действует на все виды биологических агрессоров одновременно.

С другой стороны, главный недостаток заключается в том, что профилактический эффект вообще отсутствует, но это лишь нормальное следствие того факта, что данный метод не оставляет следов. К другим ограничениям можно отнести несовместимость с некоторыми материалами, в зависимости от дозы, и предельный размер существующих установок для облучения очень больших объектов.

1.3 Уплотнение пористых структур

Уплотнение пористых артефактов является вторым важным применением ионизирующего излучения в области сохранение культурного наследия. Оно основано на исследованиях 60-х годов, когда пытались улучшить механические свойства дерева и бетона.

Этот метод менее распространен, чем дезинсекция, но он обеспечивает полную консолидацию «в объеме» пористой части артефакта. После того, как изделие было пропитано под вакуумом подходящей жидкой смолой, заполняющей микропоры, происходит полимеризация, контролируемая гамма-излучением.

Механические свойства, несомненно, становятся намного лучше после использования данного метода уплотнения структуры, по сравнению с любыми другими классическими методами. Внешний вид объекта остается неизменным или, по крайней мере, изменения не превышают тех, которые можно встретить при любом типе пропитки. Тем не менее, очевидно, что материал и его физико-химические свойства были радикально преобразованы, и что эти изменения необратимы. Вот почему эта практика используется лишь в тех случаях, когда механические свойства должны быть значительно усилены.

Данный метод широко применяется к деревянным артефактам, пострадавшим от воздействия воды. В дополнение к очень сильному уплотнению, он обеспечивает сохранение первоначального объема, а также очень хороший внешний вид поверхности. Но главное преимущество заключается в том, что он позволяет стабилизировать обработку составных объектов из дерева и металла, в то время как обычные обработки водорастворимыми полимерами поддерживают и ускоряют коррозию.

Аналогичный процесс применяется для улучшения свойств древесины как строительного или напольного материала. Первоначальными целями являются улучшение качеств древесины, таких как твердость, сопротивление сжатию, стабильность размеров, сопротивление истиранию, отпугивание насекомых, низкая сорбция воды и привлекательный внешний вид.

В случае обработанной древесины необходимо провести предварительные испытания, чтобы определить, существует ли какое-либо взаимодействие (набухание, растворение) между жидкой смолой и слоями краски, лака и т.д. на артефакте.

Глава 2. Влияние ионизирующего излучения

2.1 Биоцидный эффект и модификация ДНК

Облучение означает передачу энергии посредством излучения на целевой материал. Основным эффектом этого переноса является модификация химических компонентов как биологических агрессоров, так и артефакта.

Наиболее значимым и ценным компонентом клетки является макромолекула ДНК. Её функция напрямую связана с жизнью, так как ее репликация является фундаментальной для размножения клеток. Структурные изменения, препятствующие репликации ДНК, приводят к гибели клеток. В случае одноклеточных микроорганизмов (таких как бактерии) невозможность деления клеток эквивалентна инактивации. Изменения, вызванные облучением, направлены на пуриновые и пиримидиновые основания - важные части структуры двойной спирали ДНК. Это наиболее чувствительные химические связи молекулы ДНК.

Ионизирующее излучение может взаимодействовать с микроорганизмами двумя способами: прямым взаимодействием с клеточными компонентами, такими как ДНК, и косвенной модификацией, вызываемой химически активными веществами, образующимися в клетке в результате радиолиза, в частности, свободными радикалами, образующимися из воды. Последний косвенный эффект является основным путем инактивации микроорганизмов. ОН-радикалы ответственны за 90% повреждений ДНК.

2.2 Радиочувствительность живых организмов

Биоцидный эффект облучения был замечен с начала 20-го века. Грибковые заболевания кожи лечили солями радия, входящими в состав кремов и средств ухода. Однако вскоре были обнаружены побочные эффекты такой радиационной обработки кожных покровов. В то же время биоцидный эффект вызвал важные промышленные применения радиационной обработки для стерилизации медицинских изделий и обработки продуктов питания.

Было отмечено, что разные живые организмы имеют различную чувствительность к используемому облучению. Это привело к концепции радиочувствительности. Поскольку разнообразие живых существ огромно, невозможно выполнить измерения для каждого из них. Теперь, спустя больше столетия, можно ввести негласное правило: чем более развит живой организм, тем более он чувствителен к излучению.

Таблица 1. Радиочувствительность живых организмов

Живой организм	Критическая доза	Влияние дозы
Млекопитающие (включая людей)	4-6 Гр	Смертельная доза
Насекомые	0,5 - 2 кГр	Рекомендуемая доза для уничтожения
Грибы	< 10 кГр	Максимальная доза для обработки продуктов питания
Бактерии	25 кГр	Доза стерилизации медицинских приборов

Таблица 1 дает представление о радиационной чувствительности и устойчивости живых организмов с различной степенью эволюции.

Трудности в установлении радиочувствительности насекомых усугубляются тем фактом, что один вид может иметь до четырех форм в своем жизненном цикле (личинка, куколка, взрослая особь и яйцеклетка), каждый из которых ведет себя по-разному после облучения. Микроорганизмы - грибы и бактерии - также имеют вегетативные формы с взрывным развитием и устойчивые формы (споры).

2.3 Побочные эффекты облучения

Целью облучения является получение определенного уровня дезинсекции. Эффективность излучения не оспаривается. Но у ученых и искусствоведов появляются разногласия с точки зрения побочных эффектов облучения. Предполагаемый биоцидный эффект облучения может сопровождаться изменением химического состава дезинфицируемого артефакта. Обработка является приемлемой, если она не приводит к недопустимому изменению эстетических и функциональных свойств артефакта.

Любое рассмотрение побочных эффектов основывается на том, что объекты культурного наследия в основном сделаны из разнообразных природных материалов, различающихся в структуре и свойствах. Следствием этого является меньшая осведомленность об полученных изменениях, чем в синтетическом материале.

Основой оценки должна быть известная связь между степенью деградации материала и одной или несколькими физическими, химическими или структурными характеристиками, которые можно измерить. Первым этапом исследования является определение этого параметра и наилучшего метода и оборудования для его измерения. Любой результат измерения уместен, если он получен по сравнению с эталонным материалом. Однако оценке побочных эффектов облучения препятствует то, что один и тот же материал мог быть по-разному изготовлен и обработан, подвергаться различным условиям старения. Так же влияет место отбора пробы.

2.3.1 Древесина

Древесина является одним из важнейших природных материалов и обладает уникальной структурой. Основной функцией целлюлозы является придание дереву высокой жесткости и прочности на растяжение. Лигнин поддерживает тонкие целлюлозные фибриллы и предотвращает их выпучивание. Гемицеллюлоза или гетерополисахариды служат связующими агентами для целлюлозы и лигнина.

К сожалению, древесина особенно уязвима для биологической атаки. Естественно, ожидается, что гамма-излучение, благодаря своей проникающей способности, станет благоприятным методом предотвращения такого рода биодеградации в «объеме».

Вряд ли этот метод достигнет широкого применения в деревообрабатывающей промышленности, но в настоящее время он иногда используется для стерилизации перед лабораторными испытаниями на разрушение и, конечно, для сохранение культурного наследия.

Целлюлоза является составной частью древесины, которая наиболее чувствительна к облучению. Этот полимер может претерпевать одновременное трехмерное сшивание и разрыв цепей. Хотя сшивание усиливает механические свойства и стабилизирует целлюлозные материалы, разрывы делают их менее стойкими. По мере увеличения дозы последнее явление становится преобладающим, обычно после 10-50 кГр. Однако на практике показано, что механические свойства древесины не меняются вплоть до дозы 100 кГр.

Еще одним страшным разрушающим эффектом является то, что некоторые свободные радикалы, вызванные облучением, реагируют намного позже, вызывая гораздо более существенную деградацию, чем наблюдаемая непосредственно после облучения. Этот эффект, иногда наблюдаемый при высоких дозах для некоторых полимеров, называется пост-эффектом. Однако для дерева такое никогда не наблюдалось, хотя опыт исследований превышает сорок лет. Как следствие, общепризнанно, что дезинсекция древесины с использованием гамма-излучения не будет иметь значительного эффекта даже при высоких дозах, используемых для лечения фунгицидом.

ионизирующее излучение культурное наследие

2.3.2 Текстиль

Натуральные текстильные волокна можно классифицировать на целлюлозные волокна, такие как хлопок, лен и конопля, и белковые волокна, такие как шерсть и шелк. Эти волокна изготовлены из линейных длинноцепочечных полимеров, причем макромолекулы выровнены по длинной оси. Как правило, чем выше степень ориентации и молекулярная длина этих волокон, тем они сильнее. Молекулярная симметрия линейной молекулы увеличивает возможность образования кристаллических областей внутри структуры волокна. Из-за своей проникающей способности излучение высокой энергии не концентрирует свое воздействие на какой-либо конкретной части волокна - атака является случайной. Радиационное воздействие на волокна может быть определено несколькими способами. Прочность на растяжение, относительное удлинение при разрыве и модуль упругости используются в качестве критических физических свойств. Снижение прочности указывает на уменьшение средней молекулярной длины или на разрыв цепи; увеличение модуля упругости считается свидетельством сшивки. Реакции окисления также могут происходить при облучении и могут влиять на свойства волокна.

Основными структурными изменениями, которые происходят в хлопковой целлюлозе во время гамма-облучения в дополнение к расщеплению цепи, являются образование карбонильной и карбоксильной групп. Целлюлозная цепь не подвергается значительному химическому воздействию, пока не получит дозу, превышающую 10 кГр. После этого число деполимеризаций, количество образующихся карбоксильных групп и количество образующихся карбонильных групп быстро увеличивается с дальнейшим увеличением дозы.

Гамма-облучение в высоких дозах (21-74 кГр), используемое для карантинной обработки хлопка, не оказывает существенного влияния на показатели равномерности и несовершенства пряжи, но существенно влияет на прочность и удлинение пряжи, а также прочность ткани и сопротивление истиранию.

Исследования, проведенные в 1960-х годах, показали, что, когда шерсть подвергается облучению в ядерном реакторе, первое заметное изменение ее свойств заключается в ее подверженности воздействию щелочи. При дозах облучения выше 100 кГр увеличение восприимчивости к щелочи сопровождалось снижением 30% -ного индекса, который определяется как отношение работы, необходимой для вытягивания одного обработанного волокна на 30% в воде, к работе, необходимой чтобы удлинить необработанное волокно. Таким образом, число меньше 1 указывает на повреждение волокна. Облучение не нарушает конфигурацию свернутой цепи молекул кератина, что, как полагают, объясняет свойства восстановления шерсти на большие расстояния. Низкие дозы не повреждают волокно, и для ощутимого изменения требуется доза около 50 кГр.

Более поздние исследования, сочетающие термический анализ, инфракрасную спектроскопию и механические испытания образцов шелковых и шерстяных тканей, подвергнутых ускоренному старению и затем облученных гамма-лучами в дозах 10 и 25 кГр, подчеркнули, что увеличение дозы облучения выше 10 кГр вызывает потерю эластичности и влияет на механическое сопротивление нитей.

Шелк менее стабилен, чем шерсть, при тех же условиях воздействия, о чем свидетельствуют изменения прочности, но он несколько более стабилен, чем целлюлозные волокна. Существует доказательство того, что некоторые молекулярные изменения, отличные от разрыва цепи, действительно происходят, потому что облученные волокна нерастворимы в растворе хлорида цинка в условиях, когда необлученные волокна растворимы

Предполагается, что самый высокий практический уровень воздействия гамма-излучения не должен превышать 10 кГр для хлопка, шелка и шерсти.

2.3.3 Бумага

Основная проблема использования радиационной обработки для бумаги заключается в значительном снижении степени полимеризации целлюлозы. Основным эффектом является разрыв в-гликозидных связей. Эти разрывы уменьшают среднюю длину полимерной цепи в аморфной области целлюлозы и уменьшают прочность целлюлозных волокон.

Несмотря на то, что все другие свойства бумаги мало или вовсе не затрагиваются, деградация целлюлозной цепи существенно нарушает принципы консервации, так как важно сохранить не только письменную информацию и морфологические характеристики бумаги, но также информацию, раскрываемую композицией самой бумаги (сырье, технологии).

Все исследования облученной бумаги показали, что степень полимеризации целлюлозы, оцененная методом вискозиметра, сильно уменьшается при облучении, и другие физические и химические методы могут лучше удовлетворять принципам сохранения бумаги. Но все же существуют ситуации, когда реставраторы могут выбрать и такой неблагоприятный метод, как облучение, если биологическая атака настолько разрушительна, что никакие другие физические или химические методы не могут дать такую же эффективность за короткое время.

Когда информация, хранящаяся на бумаге, гораздо важнее, чем сама бумага (архивы, библиотеки или мемориальные коллекции), обработка ионизирующим излучением может стать хорошим вариантом.

Если дело не касается восстановления редких экспонатов, то архивы и библиотечные коллекции (административные, частные) могут быть основным кандидатом для обработки облучением. Большие количества довольно равномерной загрузки бумаги можно обрабатывать в промышленных облучателях. Другие виды бумажных изделий, например, с декоративным назначением (обои), так же могут быть подвергнуты радиационной обработке для улучшения свойств материала.

Один из наиболее документированных методов облучения бумаги был разработан в Италии. Целью исследования было показать, что облучение в низких дозах (5 кГр) не влияет на целостность перманентной бумаги (низкое содержание лигнина) и чистого целлюлозного волокна без добавок и наполнителей. Также были опробованы три возможных метода предотвращения уменьшения степени полимеризации (вакуум, атмосфера азота и насыщение водой). Не считая степени полимеризации, которая уменьшилась на 50%, остальные свойства бумаги изменились в среднем на 10-15%. Ни вакуум, ни азот не уменьшили негативного воздействия облучения на бумагу. ИК-спектроскопия показала отсутствие существенных структурных изменений. Увеличение коэффициента поглощения света пропорционально поглощенной дозе и может быть связано с уменьшением степени полимеризации.

Чтобы обеспечить надежную количественную оценку эффектов облучения на бумаге, необходимо решить две основные проблемы:

- большая неоднородность тестируемого материала: микроструктурные различия в бумаге, различные виды бумаги (в настоящее время используется более 1000 добавок и наполнителей) и различные стадии биологической и / или химической деградации, наблюдаются различия до 30% для механических свойств страниц одной и той же книги;

- использование методов тестирования, которые потребляют большие количества образцов.

Таким образом, обзор многих исследований, направленных на изучение обработки ионизирующим излучением испорченных книг и архивных документов, позволил сделать следующий вывод: при использовании необходимой дозы для эффективной дезинсекции (примерно 0,2-0,5 кГр- для насекомых; 3-8 кГр для грибков) нет значительного вредного воздействия на механические и физические свойства чистой целлюлозы, бумаги, чернил.

В связи с распространением радиационных технологий во всем мире обработка облучением в настоящее время является доступной и экономически эффективной. Среди всех предметов культурного наследия, бумажные артефакты являются самыми многочисленными и небольшими по размеру, их облучение наиболее целесообразно проводить в промышленных облучателях.

2.3.4 Пигменты и красители

В станковых или деревянных картинах, и даже в наскальных рисунках, цвет задается неорганическими, кристаллическими веществами, называемыми пигментами, которые состоят из оксидов, гидроксидов, солей и древесного угля. Текстиль, кожа и бумага иногда окрашиваются водорастворимыми органическими веществами, которые называются красителями.

Пигмент измельчают в мелкий порошок и смешивают со связующим. Пигмент не растворим в связующем. Это формирует однородную суспензию, названную краской. Цвет краски - это цвет пигмента. Химический состав пигментов не зависит от облучения, как в случае со всеми неорганическими веществами. Среди работ, выполненных различными группами и охвативших все типичные дозы облучения, не было обнаружено проблем с очень чувствительными цветами слоев краски. Из более чем 30 различных пигментов, которые были изучены в слоях краски, только пигменты на основе оксида свинца (свинцовый белый, хромовый желтый и минимальный), свидетельствуют о некотором изменении цвета в зависимости от дозы

Никаких доказательств значимого пост-эффекта в слое краски не наблюдалось. С другой стороны, когда в матрице краски нет связующего агента, цвет пигмента может изменяться более значительно из-за явлений окисления. Поведение пигментов при облучении аналогично поведению непрозрачных драгоценных камней, таких как лазурит и бирюза.

В отличие от пигментов, красители имеют органическое происхождение. Красители извлекаются из растений и животных, насекомых и моллюсков. Их также называют биологическими пигментами. Химический состав и цвет красителей может измениться путем облучения. По этой причине необходимы предварительные испытания перед облучением. В то время как низкие дозы, необходимые для уничтожения насекомых, кажутся безвредными, недавние исследования показали заметное изменение окраски от красного до желтого цвета хлопка, окрашенного хной, при дозах от 5 до 25 кГр. Особое внимание следует уделять кармину. Это озерный пигмент, который очень дорог и производится из насекомых. Несмотря на то, что нет известных специальных тестов, теоретически его цвет может измениться в результате облучения.

2.3.5 Лаки и связующие

Поведение лака может быть более непредсказуемым, поскольку это прозрачный слой. В зависимости от его толщины можно ожидать активацию центров окраски. Опять же, среди различных исследованных лаков и связующих веществ только арабская камедь показала явную зависимость от облучения.

Кроме того, должна учитываться возможная структурная слабость в грунтовых слоях и связующих. Однако такое поведение не ожидается при дозах менее нескольких десятков кГр. Итальянское исследование в 1970-х годах показало, что свежий клей для кроликов потерял некоторую адгезионную способность при дозе 10 кГр. Никаких других проблем не было сообщено для многих обработанных материалов или в экспериментах, проводимых в лабораториях.

Хотя исследования не выявили реальной проблемы, неблагоприятное поведение никогда полностью не исключается при таких высоких дозах, как фунгицидные.

2.3.6 Стекло и драгоценные камни

При облучении в дозах даже менее 1 кГр стекла и драгоценные камни могут подвергаться частично обратимым изменениям цвета из-за изменений оптического поглощения после появления центров окраски. Центры окраски активируются для придания цвета прозрачным бесцветным драгоценным камням, таким как натуральный белый топаз, но необходимы огромные дозы облучения. Стекло обычно становится темно-коричневым после облучения при уровнях дозы стерилизации.

С другой стороны, цветные непрозрачные материалы редко подвергаются облучению. Непрозрачные драгоценные камни, такие как лазурит, яшма, нефрит, бирюзовый и тигровый глаз, можно облучать при 10 кГр без каких-либо изменений.

2.3.7 Кожа, мех, пергамент

Существует несколько научных работ, посвященных дезактивации кожи и пергамента путем облучения. Кожа, мех и пергамент не так сильно подвержены биодеградации, так как не содержат достаточно воды для роста микроорганизмов. Лишь небольшое количество насекомых питаются кожей и пергаментом. Однако кожа в переплетах книг, особенно в переплетах из дерева и кожи, иногда является побочной жертвой насекомых, которые едят клей или древесину и, следовательно, также портят переплет кожаных книг.

Исследования на изучение побочных эффектов не проводились. Эта странная ситуация может быть результатом отсутствия необходимости. Драгоценные изделия из кожи - особенно книги в кожаном переплете - обычно хранятся в надлежащих условиях хранения, где развитие биологических агрессоров находится под контролем.

Однако облучение коллагена - основного компонента кожи - было изучено. В начале 60-х данный интерес был вызван «сохранением шкур животных и ликвидацией инфекции сибирской язвы». Как и в случае других белков, только доза более 50 кГр хоть как-то модифицировала структуру коллагена. В связи с распространением использования коллагена в косметике и медицине возникла необходимость его стерилизации. Стерилизация облучением стала единственным приемлемым методом. Это способствовало новым исследованиям о модификации коллагена путем облучения и расширило исследуемый диапазон доз.

Нужно быть весьма острожным при грубой экстраполяции побочных эффектов от облучения коллагена на кожаные изделия. На основании всех исследований можно сделать вывод о том, что дезактивация при облучении в дозах до 10 кГр незначительно влияет на функциональные свойства кожи и пергамента, включая эстетические свойства.

2.3.8 Мумии и образцы таксидермии

Мумия - это мёртвое тело человека или животного, чьи мягкие ткани были сохранены от естественного разложения. Это может быть сделано умышленно, например, из-за использования химической обработки, или случайно, из-за природных экстремальных условий, например, пониженной температуры, очень низкой влажности или отсутствия воздуха (мумии, обнаруженные в болотах). Такие условия, однако, обычно являются хрупкими. Биодеградация может быстро возобновиться, если равновесие нарушено. Облучение - это один из способов остановить новое заражение. Однако, поскольку он не имеет профилактического эффекта, то после облучения необходимо будет вновь найти новое равновесие, чтобы избежать новых активных загрязнений. Тем не менее, гамма-излучение признано эталоном для дезинфекции, так как мумия Рамзеса II перенесла это вмешательство.

Перед гамма-обработкой этой мумии было проведено обширное исследование с участием многих лабораторий и использованием более ста образцов других мумий. Характеристики многих компонентов были изучены после облучения. Здесь упоминаются волосы, кожа, мышцы, кости, зубы и другие органы, такие как печень, почки, сердце. Две менее престижные мумии, названные «изучающими мумиями», также были полностью облучены. Даже механический и химический контроль проводился непосредственно на обломках волос, принадлежащих мумии Рамзеса II. Все эти исследования пришли к выводу, что лечение 18 кГр будет эффективным «без изменения каких-либо компонентов мумии». Однако следует отметить, что проблема сохранения генетической информации не рассматривалась.

Следовательно, можно утверждать, что гамма-облучение может быть использовано для мумий. Но эти выводы могут распространяться и на многие другие области: дезинсекция археологических костей и натурализованных пушистых животных. Даже образцы перьев таксидермии были успешно обработаны. После более чем 40-летнего опыта единственная проблема, с которой когда-либо сталкивались, касалась панциря черепахи, слегка подрумяненного после облучения.

Однако следует соблюдать особую осторожность, в частности, при дозах дезинфекции порядка 10 кГр и более, поскольку смолы, используемые в таксидермии, и другие проклеивающие или наполняющие материалы могут быть парадоксально более чувствительными, чем компоненты живых тканей.

На таких хрупких предметах, как мумии, облучение должно быть использовано только с целью остановить доказанное заражение. И поскольку это не изменит аппетита биологических вредителей, профилактическое сохранение является единственной проблемой после того, как текущее заражение было остановлено лечебным облучением.

2.3.9 Фотоматериалы

При нормальных условиях хранения фотоматериалы стабильны. Однако гигроскопичность желатина делает эти материалы восприимчивыми к биодеградации, особенно грибковой атаке. Чрезвычайная ситуация может быть вызвана, например, наводнением.

Было проведено множество тестов для оценки вторичных эффектов облучения. Они были нацелены как на характеристики желатинового слоя (изменение цвета, старение), так и на характеристики, связанные с пластиковой подложкой (механические испытания, расстояние между отверстиями для презентации, идентификация захваченных свободных радикалов). Они доказали, что дезактивация облучением с использованием исключительно высокой дозы (до 50 кГр) вызывает приемлемые побочные эффекты (например, механические изменения <6%).

Результаты показали, что прочность на растяжение увеличивается с увеличением дозы, показывая, что вместо разрушения происходит склеивание слоев вследствие возможных реакций сшивания. При отсутствии дозы необходимая прочность на разрыв составляла 11 Н, тогда как при дозе 10 кГр она составляла 15 Н.

При дозе до 10 кГр между облученными и необлученными пленками не наблюдается никаких существенных изменений цветов (белого, синего, светло-синего, красного, розового, желтого, светло-желтого, серого и черного).

2.3.10 Другие материалы

Многие другие материалы могут быть вовлечены в радиационное лечение. Например, существует большое разнообразие украшений, которые напрямую или нет подвержены заражению. Как правило, нужно быть очень осторожным при облучении такого рода материалов и правильно подбирать дозу.

Все прозрачные материалы могут подвергаться облучению менее 1кГр, иначе могут возникнуть центры окраски. Стекловидная эмаль может вести себя так же, в зависимости от заряда в сплошном цвете. Все эти явления более или менее обратимы и тесно связаны с количеством примесей, которые могут быть активированы в качестве центра окраски (чистый кварц, стекло или кристалл, не имеют тенденции становиться непрозрачным).

Рога, кости (особенно слоновая кость), жемчуг, белая керамика и даже мрамор могут быть слегка чувствительными к облучению. В зависимости от исходной белизны материал может потемнеть или пожелтеть при дозе фунгицидов. Например, белый жемчуг быстро желтеет после 1 кГр, в то время как серый остается стабильным до 20 кГр. Как это ни странно, все эти материалы часто проявляют пост-эффект, то есть вызванное облучением пожелтение или потемнение частично исчезает через несколько месяцев.

Цветные непрозрачные материалы редко подвергаются побочным эффектам облучения.

Металлы проявляют себя наилучшим образом. Облучение мало влияет на их физико-химические свойства. Их даже можно подвергать повторной дезинсекции.

2.4 Другие побочные эффекты

Физическая целостность и внешний вид культурного наследия - не единственные характеристики, которые должны быть сохранены. Артефакты также являются источниками информации, некоторая из которых недоступна для наблюдения, а только из анализа. Такие аналитические исследования включают в себя очень большую группу методов, от химического до физического через биологический анализ. Прежде чем предпринимать какое-либо лечение, необходимо узнать, может ли эта информация быть затронута.

Очевидно, что гамма-излучение не изменит результаты радиометрического датирования с использованием 14C или других естественных радиоактивных изотопов, поскольку оно не может производить искусственную радиоактивность даже в следовых количествах. С другой стороны, термолюминесцентное датирование будет невозможно после облучения, так как оно использует непосредственно поглощенную естественную дозу радиации из окружающей среды, которая, конечно, будет радикально изменена гамма-обработкой.

ДНК является еще одним очень важным источником информации, который становится все более и более доступным. Поскольку биоцидный эффект напрямую связан с повреждением ДНК, можно утверждать, что облучение будет широко влиять на информацию ДНК. Однако, опять же, все зависит от дозы. При хорошо подобранной дозе обработка гамма-облучением вызывает лишь одно поражение на тысячу пар оснований. Также было доказано, что такое облучение не мешает судебной экспертизе.

В конце концов, никто не знает, какие методы наши преемники смогут реализовать для характеристики культурного наследия. Никто не может утверждать, что сегодняшнее лечение ионизирующим излучением определенно не наносит ущерба некоторым свойствам, которые могут заинтересовать ученых будущего, так же, как никто не может сказать это для любых других методов.

Глава 3. Дезинфекция объектов культурного наследия с использованием облучения

Облучающая дезинфекция культурного наследия является приемлемым методом вмешательства, поскольку дозы для дезинфекции ниже, чем дозы, вызывающие значительные побочные эффекты.

3.1 Рекомендуемые дозы

Существует два разных уровня дозы, которые можно рекомендовать для дезинфекции облучением: один для насекомых и другой для плесени. Доза для дезинфекции насекомых ниже, чем для плесени. Это основано на сложности структуры ДНК. Сложная ДНК легче подвергается ионизирующему излучению, чем простая ДНК.

Рекомендуемая лечебная доза в случае атаки насекомых предпочтительно составляет 0,5 кГр, но может достигать 2 кГр. Эта доза также эффективна для уничтожения яиц насекомых. При использовании облучения для удаления насекомых следует иметь в виду:

* Обработка 2 кГр может быть рекомендована для мебели, которая хранилась в неподходящих условиях в течение относительно короткого периода времени в районах с умеренным климатом.

* Если условия окружающей среды неконтролируемы, грибковая атака может происходить одновременно с атакой насекомых. Доза 2 кГр слишком мала для дезинфекции всех видов грибов; некоторые грибы могут остаться и даже послужить основой для нового заражения насекомыми. Таким образом, использование 2 кГр не рекомендуется, если артефакты повторно вводятся после обработки в неконтролируемую среду. Церкви являются примером такого рода среды.

* Существует серьезный риск того, что обработка 2 кГр может оказаться неэффективной в теплых и влажных климатических условиях. Это связано с тем, что система питания термитов основана на симбиотических отношениях с определенными микроорганизмами.

Максимальная доза лечения 10 кГр может рассматриваться как эталонная доза для общей дезинфекции артефактов культурного наследия. На этом уровне дозы происходит уничтожение грибов. Есть несколько элементов, которые следует иметь в виду:

* Конечная доза зависит от однородности плотности партии. Поэтому предпочтительно, чтобы более плотные материалы не комбинировались в одной партии с легкими (по плотности) материалами.

* Доза 10 кГр должна рассматриваться как максимальная. На основании исследований следует установить среднюю дозу 8 ± 2 кГр. Эта доза достаточна для уничтожения большинства грибов и будет иметь незначительные побочные эффекты на облучаемые материалы.

* Рекомендуемые дозы существуют; однако, реставратор и персонал установки облучения могут принять решение об использовании другой средней дозы. Эта доза может быть ниже или выше рекомендуемой дозы.

3.2 Меры предосторожности

Во многих случаях артефакты передаются на обработку партиями. Партия может содержать артефакты, сделанные из разных материалов, и разные части в партии артефактов получают разные дозы, независимо от того, какой тип облучателя используется для дезинфекции. Это неизбежно и связано с расстоянием между источником излучения и различными частями артефактов. Кроме того, следует учитывать плотность артефактов по отдельности или в виде партии. Чем больше объект, тем больше разница между минимальной (Dmin) и максимальной (Dmax) полученной дозой. Эффективная дезинфекция должна быть обеспечена минимальной дозой, а максимальная доза не должна превышать значение, при котором побочные эффекты становятся недопустимыми.

Когда артефакт слишком велик или когда его плотность высока (например, композит с металлом), максимальная доза может быть неприемлемо высокой. В такой ситуации облучение следует планировать в двух или более геометриях облучения. Поэтому оценки, расчеты и решения, которые должны быть приняты до облучения, требуют некоторого времени и больших усилий. Важно, чтобы дозиметрические расчеты были подтверждены дозиметрическими измерениями. Дозиметры должны оставаться прикрепленными к геометрическим точкам артефакта во время всего облучения. Измеренные значения заносятся в итоговый дозиметрический бюллетень.

После того, как было принято решение об облучении партии объектов культурного наследия, необходимо рассмотреть следующие вопросы:

* Знание установки. Лицо, ответственное за облучение, должно хорошо знать технологические возможности установки и уметь учитывать все технические ограничения облучателя. Только таким образом может быть разработан план облучения (геометрия, время облучения и количество этапов), предназначенный для партии артефактов, что приведет к наиболее эффективному отношению Dmax / Dmin.

* Дозиметрия. Дозиметрическая система должна быть надежной и качественной. Дозиметрист считается частью дозиметрической системы. Навыки дозиметриста очень важны для проведения дозиметрии.

*Роль куратора / реставратора. Важно, чтобы кураторы и реставраторы не помещали облученные артефакты обратно в хранилище, поскольку там все еще может присутствовать источник заражения. Облученные артефакты следует размещать предпочтительно в контролируемой или, по крайней мере, чистой окружающей среде. Если артефакты помещены в плохую среду (грязную, влажную), может произойти повторное заражение.

Достаточно важным моментом является очистка поверхности от остатков всех микроорганизмов после облучения, так как у людей может быть аллергия на некоторые из этих остатков, и в худшем случае они могут быть канцерогенными (в зависимости от семейства плесени).

3.3 Комментарии к материалам

* Дерево. Облучение с использованием дозы до 10 кГр улучшает механические свойства древесины благодаря сшиванию целлюлозы. При более высокой дозе как механические, так и химические свойства древесины могут измениться. Уровень изменений зависит от происхождения древесины и размера артефакта. На практике не является опасным, когда объекты большего размера получают дозы, превышающие 10 кГр, в случае панорамного облучения.

...