2. Исследование в ультрафиолетовом излучении

Исследование с использованием ультрафиолетовых лучей в техниче­ском отношении — достаточно простое и доступное средство научного анализа произведений искусства. Обладающие большой энергией, вызыва­ющей фотохимические реакции, люминесценцию и другие явления, ультра­фиолетовые лучи широко используются в различных областях науки и техники. В практике изучения живописи их применение чаще сводится

* Заводы-изготовители прилагают к лампам специальные инструкции с характеристи- 98 ками и условиями эксплуатации.

к визуальному наблюдению или фотографированию вызываемой ими види­мой люминесценции, то есть свечения вещества в темноте под действием фильтрованных ультрафиолетовых лучей. Различают два вида такого свечения: флуоресценцию — свечение, прекращающееся в момент, когда кончается действие источника его возбуждения, и фосфоресценцию — свечение, продолжающееся некоторое время после окончания действия источника возбуждения. В исследовании произведений живописи исполь­зуют только флуоресценцию.

Под действием ультрафиолетовых лучей вещества органического и неорганического происхождения, в том числе некоторые пигменты, лаки и другие компоненты, входящие в состав произведения живописи, светятся в темноте. При этом свечение каждого вещества относительно индивиду­ально: оно определяется его химическим составом и характеризуется конкретным цветом и интенсивностью, что позволяет в некоторых случаях идентифицировать то или иное вещество или обнаруживать его присут­ствие.

Понятие люминесценции. Ультрафиолетовая область спектра непос­редственно следует за сине-фиолетовым участком его видимой части. В этой области различают три зоны — ближнюю, примыкающую к видимо­му спектру (400—315 нм), среднюю (315—280 нм) и дальнюю, еще более коротковолновую. Ультрафиолетовое излучение, естественным источником которого является солнечный свет, подобно другим видам излучения, может поглощаться веществом, отражаться им или проходить сквозь него.

Для возникновения люминесценции необходимым является поглоще­ние света веществом. Поглощенная световая энергия может переходить в химическую, вызывая фотохимические реакции, в тепловую и световую. В последнем случае вещество само начинает светиться: поглощенная атомами и молекулами световая энергия возвращается в виде светового же излучения, которое носит название фотолюминесценции.

Частицы вещества, способного люминесцировать, поглотив световую энергию, приходят в особое возбужденное состояние, которое длится очень короткий промежуток времени (порядка 10~⁸сек.). Возвращаясь в исход­ное состояние, возбужденные частицы отдают избыток энергии в виде света — люминесценции. Согласно правилу Стокса, люминесцирующее вещество, поглотившее световую энергию определенной длины волны, излучает свет обычно большей длины волны. Поэтому, когда возбуждение производится невидимыми ближними ультрафиолетовыми лучами, люми­несценция приходится на видимую область спектра и может быть любого цвета — от фиолетового до красного.

Спектральный состав излучения люминесценции не зависит от длины волны возбуждающего света: цвет свечения вещества определяется только составом вещества. Что же касается интенсивности свечения, она может зависеть от длины волны возбуждающего излучения. Это объясняется тем, что возбуждающий свет различных длин волн поглощается веществом неодинаково, а следовательно, вызывает и разный уровень люминесценции. Поэтому для создания наиболее выгодных условий возбуждения, особенно когда речь идет об обнаружении малых количеств вещества, желательно знать спектр его поглощения. Однако при исследовании картин каждый раз приходится иметь дело с новым набором компонентов, состав которых, как правило, бывает не известен. Следовательно, при люминесцентном иссле­довании живописи желательно создать условия, которые в известной мере компенсировали бы отсутствие предварительно известных данных. Одно из таких условий — использование источника возбуждения, излучающего ультрафиолетовые лучи в возможно более широком диапазоне длин волн; другое условие — применение источника, обладающего возможно более

мощным излучением. Поскольку свечение вещества возникает за счет поглощения энергии возбуждаемого света, то, чем большее количество энергии поглощает единица объема люминесцирующего вещества, тем интенсивнее будет свечение.

Как показывает практика люминесцентного анализа, среди люми-несцирующих веществ наиболее часто встречаются такие, люминесценция которых хорошо возбуждается ближними ультрафиолетовыми лучами с длиной волны больше 300—320 нм, а также видимым синим и фиолетовым светом.

Лишь некоторые вещества возбуждаются коротковолновым ультра­фиолетовым излучением — меньше 280 нм.

Источники ультрафиолетовых лучей и светофильтры. Для возбужде­ния фотолюминесценции желательно использовать такие источники света, в которых полезное излучение составляет большую долю. Наиболее полно этому условию отвечают газоразрядные лампы, среди которых широкое применение получили ртутные лампы, изготовленные в виде трубки или сферы из специального стекла или кварца.

В качестве источника длинноволнового ультрафиолетового излучения обычно применяют лампы высокого давления, рассчитанные на работу от сети переменного тока. Наиболее целесообразно использование ламп ДРТ-1000, работающих от сети переменного тока 220 В; мощность лампы 1000 Вт. Эксплуатация ламп производится с приборами включения и в ар­матуре заводского изготовления СВТУ-1,0. Лампы ДРТ удобны, когда надо возбудить люминесценцию больших поверхностей. Однако они не позволяют получать мощного концентрированного потока ультрафиолето­вых лучей. В этих случаях целесообразнее использовать шаровые ртутно-кварцевые лампы сверхвысокого давления типа ДРШ-500 м (питающее напряжение 220 В, мощность 500 Вт), светящаяся поверхность которых приближается к точке. Основная часть энергии этих ламп сосредоточена, как и у ламп ДРТ, в видимой и ближней ультрафиолетовых областях. В сочетании со специальными отражателями и конденсорами эти лампы позволяют получать концентрированный пучок света большой мощности. Высокая интенсивность возбуждающего излучения приводит к значитель­ному повышению яркости свечения. Появляется возможность наблюдать его даже у таких объектов, которые при возбуждении лампой ДРТ кажутся нелюминесцирующими. К лампам ДРШ также выпускаются соответствую­щие пусковые устройства и арматура, входящие в комплект прожектора ПУФ-500. Так как в горячем состоянии давление в лампах ДРШ достигает нескольких десятков атмосфер, не допускается использование ламп без металлического кожуха и защитной сетки со стороны выхода света.

Свет паров ртути в дуговых лампах охватывает довольно широкий диапазон длин волн. Видимое излучение создается в них главным образом интенсивными желто-оранжевыми спектральными линиями 579 и 576 нм, почти такой же интенсивности светло-зеленой линией 546 нм, слабой сине-зеленой линией 436 нм и фиолетовой линией 405 нм. Состав излучения, приходящийся на невидимую ультрафиолетовую область, в основном определяется давлением паров ртути.

Лампы высокого давления дают линейчатый спектр, то есть излучают в нескольких спектральных областях при отсутствии излучения в проме­жутках. Первой интенсивной линией в ультрафиолетовой области является линия 366 нм, затем идут более слабая линия 334 нм, интенсивная, но узкая линия 313 нм и серия слабых линий в границах от 303 до 248 нм.

Лампы сверхвысокого давления, у которых около 45% энергии

приходится на ультрафиолетовую область, в отличие от предыдущих дают

. сплошной спектр (фон), над которым поднимаются отдельные пики макси-

мумов, соответствующие примерно линиям излучения ламп высокого давления.

Коротковолновое излучение можно получить и при помощи ртутных ламп низкого давления, выполненных в колбах из плавленого кварца или увиолевого (пропускающего ультрафиолетовые лучи) стекла. Достоин­ством этих источников является то, что их излучение в видимой области спектра незначительно по сравнению с линией ртути с длиной волны 254 нм. Лампы низкого давления, известные под названием бактерицидных (их излучение обладает бактерицидным действием), выпускаются в виде трубок из увиолевого стекла. По размерам, конструктивному оформлению и электрическим характеристикам эти лампы соответствуют люминесцен­тным лампам такой же мощности и включаются в сеть переменного тока с помощью дросселя.

К источникам низкого давления (свечение возникает за счет воз­буждения люминофора, которым покрыта внутренняя поверхность лампы) относится малогабаритная ртутная лампа длинноволнового ультрафиоле­тового излучения УФО-4А. Она рассчитана на работу в цепи постоянного тока с напряжением 26 В. Лампа излучает в области 315—390 нм (макси­мум излучения 350 нм), мощность лампы 4 Вт. Достоинством лампы является компактность, позволяющая использовать ее в разного рода переносных установках, работающих на постоянном токе или с небольшим дросселем от сети переменного тока. Интенсивность излучения лампы очень невелика, что позволяет вести с ее помощью только визуальное на­блюдение. Для увеличения интенсивности можно объединить несколько таких ламп, что значительно повышает эффективность их использования.

В практике работы зарубежных музейных лабораторий особой попу­лярностью пользуются лампы мощностью в 500 Вт, изготовленные из «черного» стекла. Благодаря стандартному цоколю эти лампы не требуют специальных монтировочных устройств. В последние годы получают более широкое распространение люминесцентные лампы-трубки. Изготовленные из того же стекла, они пропускают только ультрафиолетовую часть спек­тра. Будучи установленными по сторонам исследуемого произведения, эти лампы дают более равномерное освещение большой поверхности. Лампы-трубки имеют еще одно немаловажное преимущество: они работают без предварительного разогрева, и их можно включать сразу же после выклю­чения, не делая перерыва для охлаждения, что значительно экономит время на операторскую работу.

Поскольку интенсивность свечения, вызываемого ультрафиолетовыми лучами, очень невелика и обнаружить его можно только в темноте, необхо­димо в процессе исследования исключить видимый свет рассмотренных источников ультрафиолетового излучения. Это легко осуществить с по­мощью специальных светофильтров, изготовленных из стекла, содержаще­го никель, кобальт и некоторые другие элементы. В ходе исследования светофильтр помещают между источниками света и объектом изучения. Наиболее удобны стандартные светофильтры марки УФС, предназначен­ные для выделения определенных зон ультрафиолетового спектра.

Наиболее широкое применение получило стекло марки УФС-3 (стекло, или фильтр Вуда). Лучший фильтр для зоны 390—320 нм, оно пропускает до 90 % излучения 366 нм и поглощает всю видимую область. Отече­ственная промышленность выпускает также фильтр УФС-6. Имея макси­мум пропускания в области 360 нм и выделяя ту же область 390—320 нм, он имеет лучшие оптические характеристики и технологические свойства (рис. 32). Стекло УФС-4 отличается от рассмотренных фильтров несколько большим поглощением в указанной области, но является более термо­стойким.

Спектральные кривые коэффициента пропускания

Области спектра и длины волн в

Видимая

Инфракрасная

Ультрафи-1 олетовая I

Так как в целом ряде случаев видимая люминесценция какой-либо наиболее ин­тересной детали, например подписи, быва­ет очень слабой, даже незначительное ко­личество пропускаемого стеклами УФС видимого фиолетового и красного света может оказать мешающее действие. Для улучшения условий наблюдения и фото­фиксации в этих случаях используют до­полнительные светофильтры, хорошо про­пускающие лучи, соответствующие све­чению интересующей детали и поглощаю-щме фиолетовые и красные лучи, которые могут отражаться от объекта, забивая люминесценцию. Необходимо помнить, что такие фильтры сами не должны лю-минесцировать. Чтобы убедиться в этом, достаточно поместить выбранное стекло в зону действия источника ультрафиоле­товых лучей.

32. Спектральные кривые пропускания стекол типа от 0,5 до 5 мм.

коэффициентов УФС толщиной

Исследование живописи с помощью фильтрованных ультрафиолетовых лучей следует начинать через 5—10 минут после того, как в темном помещении включена лампа. Это время необходимо, чтобы лам­па перешла в режим рабочего горения и чтобы глаза адаптировались в темноте. Если лампа сразу не включается, делают - ■■-""■■■ -•■■■■ _еще одно или несколько повторных вклю­чений. После того как лампу выключили, ни в коем случае нельзя ее вклю­чать вновь, если она не остыла, на что требуется 10—15 минут. Включение неостывшей лампы может привести к ее порче.

Нужно помнить, что ультрафиолетовые лучи вредны для глаз. Доста­точно несколько секунд посмотреть на открытую лампу (или закрытую светофильтром), чтобы получить воспаление, наступающее через несколь­ко часов. Слабее действуют, но также вредны для глаз ультрафиолетовые лучи, отраженные от исследуемого предмета. Поэтому при работе с ультра­фиолетовыми лучами желательно надевать очки с простыми или оптически­ми стеклами, значительно снижающими количество ультрафиолетовых лучей, попадающих в глаза.

Ультрафиолетовые лучи значительно повышают ионизацию воздуха, усиливая при этом выделение озона и окислов азота. Поэтому в помещении, где проводится работа с ультрафиолетовыми лучами, должен быть обеспе­чен усиленный обмен воздуха приточно-вытяжной вентиляцией. После окончания работы желательны пребывание на свежем воздухе и активное проветривание рабочего помещения.

Облучение произведений искусства ультрафиолетовыми лучами в те­чение времени, необходимого для визуального изучения или фотографиро­вания (даже неоднократного), безвредно. Как показали специальные исследования и более чем полувековая музейная практика работы с этим излучением, при этом не'происходят ни ухудшения сохранности картин, ни изменения колорита.

Фотофиксация проводимых исследований. При анализе данных люми­несцентного исследования нельзя полагаться лишь на субъективные оценки: наблюдения должны быть зафиксированы и выражены какими-

либо объективными показателями. Только в этом случае можно сравнивать и сопоставлять между собой факты, отмеченные при изучении разных произведений. Характерным признаком видимой люминесценции является ее цвет. Однако визуальное определение цвета, как уже говорилось, крайне субъективно. Поэтому было бы целесообразным проведение спектрофото-метрирования отдельных участков живописи, что позволило бы однозначно характеризовать окраску свечения. Из-за сложности снятия спектрофото-метрических характеристик с большого количества разнородных участков, разбросанных на большой площади произведения, получил распростране­ние менее точный, но более доступный способ фиксации люминесценции — ее фотографирование.

Видимая люминесценция фиксируется фотографически с помощью тех же фотокамер и на тех же фотоматериалах, которые используются при обычной черно-белой репродукционной съемке, поскольку люминесценция является видимым излучением. Однако при фотографировании необходимо соблюдать следующие основные условия. Из-за слабости свечения съемку нужно вести в темном помещении, а источник ультрафиолетового излуче­ния должен быть экранирован одним из названных выше светофильтров, поглощающих всю видимую часть спектра. Так как не все попавшие на поверхность живописи ультрафиолетовые лучи ею поглощаются, часть их может, отразившись, попасть в объектив фотоаппарата и в силу значитель­но большей активности, чем свет люминесценции, отрицательно повлиять ,._::-на качество негатива. Чтобы этого не случилось, перед объективом поме­щают фильтр, задерживающий ультрафиолетовые лучи, но беспрепят­ственно пропускающий свет люминесценции.

Для обычной съемки, без специального выделения люминесценции определенного цвета, рекомендуется использовать фильтры ЖС-4 толщи­ной 1,5—2 мм в комбинации с фильтром ЖС-11 или ЖС-12 толщиной 2—3 мм. Так как стекло ЖС-11 люминесцирует, его надо помещать после стекла ЖС-4 (то есть ближе к объективу). Правильный подбор загражда­ющих светофильтров имеет очень большое значение для выявления слабо различимых цветовых отличий люминесценции. При этом следует руковод­ствоваться теми же правилами, что и при обычной фотографии. Как и во всех прочих случаях, при работе со светофильтрами желательно пользо­ваться каталогом цветного стекла, руководствуясь графиками, характери­зующими их свойства.

Наводка на резкость и кадрирование изображения при съемке люми­несценции ведутся по матовому стеклу в условиях естественного или искусственного освещения. После того как все подготовлено к съемке, исключают весь видимый свет и, если источники ультрафиолетового света находятся в рабочем состоянии, производят съемку.

Проявление негатива ведется в стандартном проявителе. При изго­товлении фотоотпечатков нужно следить за тем, чтобы они правильно передавали характер свечения (рис. 33).

Если фотографируют целиком произведение или крупный фрагмент, его необходимо осветить двумя источниками света, расположенными на небольшом расстоянии от него (около 1 м) по обеим сторонам от фотоаппа­рата. При одностороннем освещении действие ультрафиолетовых лучей окажется слишком неравномерным и исказит характер свечения. Кроме того, осветители должны быть установлены таким образом, чтобы весь световой поток был направлен на фотографируемый объект и не попадал в объектив.

Экспозиция при съемке зависит от интенсивности люминесценции, чувствительности пленок, мощности источников ультрафиолетовых лучей, удаленности их от объекта съемки, фильтров на объективе. Обычно при ЮЗ

';: - фотографировании произведения среднего размера (1 м X 0,7 м) с двумя лампами ДРТ по 1000 Вт, находящимися на расстоянии 1 —1,2 м от ближ­него края картины, и фильтром УФС-6, на пленке ФТ-12 чувствительностью 65 ед. ГОСТ, светофильтре на объективе ЖС-4 и диафрагме 22 экспозиция составляет 20—25 минут.

Нужно, однако, заметить, что съемка общего вида произведения не всегда бывает целесообразна. Как и в обычных условиях освещения, при съемке люминесценции гораздо эффективнее и богаче по информации оказываются макрофотографии или фотографии отдельных деталей. При макрофотографировании можно ограничиться одним источником света; экспозиция в этом случае меняется в такой же зависимости, как и при обычном фотографировании.

Большую документальную ценность представляет цветная фотогра­фия люминесценции. Не говоря о том, что всю цветовую гамму свечения черно-белая фотография сводит к ахроматической шкале яркостей, некото­рые участки, представляющие при визуальном наблюдении люминесценции достаточный контраст благодаря различию в цвете, на черно-белой фо­тографии могут оказаться практически трудно различимыми или вовсе неразличимыми. С этой целью используют цветную обращаемую фотоплен­ку. Как показали эксперименты, лучше всего использовать пленку, пред­назначенную для съемки при дневном свете. Источники света для возбужде­ния видимой люминесценции, их расположение по отношению к картине и увеолевые фильтры остаются теми же, что и при обычной черно-белой съемке. Перед объективом фотокамеры целесообразнее поместить, чтобы не нарушать цветопередачу, бесцветное стекло БС-10 в комбинации со стеклом ЖС-3 или только стекло ЖС-3. Время экспозиции при "съемке подбирается опытным путем. Как и при других видах фотосъемки, большое значение имеет цветное макрофотографирование деталей. На таких фо­тографиях цветные нюансы люминесценции воспринимаются значительно полнее.

Исследование в отраженных ультрафиолетовых лучах. Не все испуска­ емое источником ультрафиолетовое излучение поглощается исследуемой поверхностью и преобразуется в видимое свечение. Часть его отражается от объекта и может быть зафиксирована фотографически. Фотографирова­ ние живописи в отраженных ультрафиолетовых лучах является самостоя- : тельным видом ее исследования, во многом дополняющим исследование

-. в свете видимой люминесценции (рис. 34).

Так как все фотографические эмульсии очень чувствительны к ко­ротковолновой области спектра, для этой цели используют ту же пленку, что и для регистрации видимой люминесценции. Процесс фотографирова­ния отличается от съемки видимой люминесценции лишь тем, что перед объективом фотокамеры помещают светофильтр, поглощающий весь види­мый свет и пропускающий только ультрафиолетовые лучи. Источник света лучше не экранировать светофильтром, так как при этом неизбежно про­исходит ослабление ультрафиолетового излучения.

Наводка на резкость проводится при обычном освещении. Если фотографирование в ультрафиолетовых лучах осуществляется после фо­тографирования видимой люминесценции, никаких дополнительных мани­пуляций, кроме замены фильтра перед объективом и удаления фильтра с источника света, не требуется. Так как ультрафиолетовые лучи являются очень активными, экспозиция по сравнению с фотографированием в свете видимой люминесценции намного короче и составляет при описанных выше условиях съемки от 15 секунд до 1 минуты.

Как показывает практика, разница в преломлении видимого света 104 и ультрафиолетовых лучей не сказывается на резкости изображения даже

33. Б. Пассароти (?). Мадонна с младенцем и Иоанном Крестителем. Вторая пол. XVI в. Мягко отпечатанная фотография видимой люминесценции (справа) правильно пере­дает характер свечения; более контрастный отпечаток (справа внизу) делает очевиднее характер разрушений и тонировок.

при макросъемке. При достаточном диа­фрагмировании объектива (до 22) фо­тографии отличаются высокой степенью резкости изображаемых деталей.

Использование обычных фото­объективов позволяет проводить подоб­ные исследования только в зоне ближ­них ультрафиолетовых лучей. Поэтому целесообразнее всего при съемке поль­зоваться теми источниками света и све­тофильтрами, максимум излучения и пропускания которых лежит в этой области спектра. Более коротковолно­вые ультрафиолетовые лучи, отражен­ные от картины, не могут быть зафикси­рованы фотографически, так как они полностью поглощаются стеклянными линзами фотообъектива. Для работы в

коротковолновой зоне требуются специальные объективы, изготовленные из кварца, однако такие объективы довольно дороги и труднодоступны для рядовой лаборатории.

Для того чтобы быть уверенным в чистоте исследования, осуществляе­мого с помощью ультрафиолетовых лучей, желательно все виды фото-

фиксации проводить с применением специальных индикаторов, представ­ляющих собой небольшую алюминиевую пластинку с нанесенным на нее люминофором, закрепляемую на поверхности фотографируемого объекта в неответственном месте.

Приемником отраженных ультрафиолетовых лучей кроме светочув­ствительных эмульсий могут служить электронно-оптические преобразова­тели, имеющие сурьмяно- или кислородно-цезиевые катоды. Такие пре­образователи обладают значительной чувствительностью в области 340— 360 нм. При работе с этими приборами перед объективом помещают один из фильтров серии УФС, а поскольку фотокатод преобразователя обладает высокой чувствительностью к инфракрасной области спектра, целесообраз­но дополнительно пометить перед объективом фильтр СС-8, поглощающий часть этого излучения. Источник света используется тот же, что и при фотографировании в отраженных ультрафиолетовых лучах.