автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Лазерная очистка памятников истории и культуры из мрамора и бумаги от биодеструкторов

005538426

на правах рукописи

Геращенко Анастасия Николаевна

ЛАЗЕРНАЯ ОЧИСТКА ПАМЯТНИКОВ ИСТОРИИ И КУЛЬТУРЫ ИЗ МРАМОРА И БУМАГИ ОТ БИОДЕСТРУКТОРОВ

Специальность: 05.27.03 Квантовая электроника

1 ноя 2С1Э

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2013 г.

005538426

Работа выполнена на кафедре Лазерных измерительных и навигационных систем Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического Университета «ЛЭТИ» им. В .И. Ульянова (Ленина).

Научные руководители: кандидат технических наук, доцент

Парфёнов Вадим Александрович (СПбГЭТУ «ЛЭТИ»)

кандидат биологических наук, Кирцидели Ирина Юрьевна

(Ботанический институт им. В.Л. Комарова РАН)

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

старший научный сотрудник Шахно Елена Аркадьевна (НИУИТМО)

кандидат физико-математических наук,

Сандуленко Александр Витальевич

(ОАО «НИТИОМ ВНЦ «ГОИ им. С.И. Вавилова»)

Ведущая организация: ООО «Лазерный Центр» (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится 3 декабря 2013 г. в 15 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190000, Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПб НИУ ИТМО по адресу: 190000, Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14.

Автореферат разослан_ноября 2013 г.

Отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять в адрес университета: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, секретарю диссертационного совета Д 212.227.01.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.227.01

кандидат технических наук, доцент Красавцев В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

В последние годы в реставрации и консервации объектов культурно-исторического наследия все более широкое применение находят лазерные технологии. Первые экспериментальные работы были проведены еще в 1972 году в Италии. В последующие десятилетия в Европе, США и Канаде начались исследования в этой сфере, постепенно сформировалось отдельное научно-техническое направление. В настоящее время можно выделил, три области применения лазерной техники: реставрация; исследование, анализ и диагностика; мониторинг состояния памятников и окружающей среды. На сегодняшний день все большее распространение получает технология лазерной очистки, относящаяся к области реставрации. Эта технология применяется для бесконтактного, селективного удаления различных загрязнений без повреждения очищаемой поверхности [1].

Одной из трудноразрешимых проблем в реставрации является удаление микроорганизмов-биодеструкторов с поверхности памятников. Их появление приводит к ухудшению внешнего вида и физического состояния поверхности. Микроорганизмы внедряются в материал, повреждая его механически и химически: ферментами и кислотами. Биодеструкгорами 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 биодеструкгоров 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. Поэтому в настоящее время имеет большое значение поиск альтернативных реставрационных методов. В связи с этим, изучение вопросов влияния лазерного излучения на микроорганизмы-биодеструкторы и разработка технологии удаления биопоражений при помощи лазеров являются актуальными задачами с научной и практической точек зрения.

Цель работы и задачи исследования

Целью диссертационной работы является исследование совокупности вопросов, связанных с воздействием лазерного излучения на микроорганизмы-биодеструкторы, и разработка технологии лазерной очистки памятников.

В диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследование оптических свойств материалов памятников и основных видов их биодеструкторов, а также выбор лазерных источников, обеспечивающих эффективную и безопасную очистку.

2. Экспериментальное исследование возможности лазерной очистки поверхности карбонатных горных пород и органических материалов от биодеструкторов.

3. Исследование вопросов контроля результатов лазерной очистки.

4. Разработка методики лазерного удаления биодеструкгоров с поверхности памятников.

5. Апробация технологии лазерной очистки от биодеструкторов на исторических памятниках.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Эффективное удаление не менее 99% микроскопических грибов и водорослей с поверхности памятников из мрамора и известняка достигается при их обработке лазерным излучением с длиной волны 1 мкм, длительностью импульсов 40-100 мкс, частотой повторения импульсов 5-10 Гц и плотностью энергии 20-60 Дж/см* в зависимости от породы камня и конкретного вида микроорганизмов.

2. Эффективное удаление не менее 99% микроскопических грибов с поверхности бумаги, кожи и древесины достигается при их обработке лазерным излучением с длиной волны 1 мкм, длительностью импульсов около 10 не, частотой повторения импульсов 10-20 кГц и плотностью энергии 15-20 Дж/см" в зависимости от типа материала и вида микроорганизмов.

3. Измерение коэффициента диффузного отражения очищаемой поверхности при помощи интегрирующего фотоприемника с измерительной полостью в форме цилиндра позволяет проводить контроль результатов лазерной очистки каменных памятников в процессе реставрации.

Научная новизна работы

1. Впервые исследовано взаимодействие лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона с основными видами биодеструкторов и показана возможность их эффективного удаления при помощи лазеров с поверхности различных материалов.

2. Впервые определены оптимальные параметры лазерного излучения и рабочие режимы лазерной обработки мрамора, известняка, бумаги, древесины и кожи, позволяющие удалять с их поверхности микромицеты и водоросли.

3. Предложен метод контроля результатов лазерной очистки памятников непосредственно в процессе реставрации, основанный на измерении коэффициента отражения очищаемых поверхностей при помощи интегрирующего фотоприемника.

Практическая значимость работы

1. Продемонстрирована возможность эффективного лазерного удаления микроорганизмов и других загрязнений с поверхности мрамора, известняка, бумаги, древесины и кожи. Определены оптимальные параметры лазерного излучения для решения этих задач.

2. Предложен и экспериментально проверен подход к контролю результатов лазерной очистки памятников в реставрации, основанный на измерении коэффициента отражения очищаемых материалов при помощи интегрирующего фотоприемника. Разработан макет измерительного устройства такого типа, отличающийся простотой технического исполнения и имеющий низкую стоимость.

3. Разработана методика лазерной очистки памятников из различных материалов от биопоражений.

Реализация и внедрение результатов работы

Работа прошла апробацию в ходе выполнения практических реставрационных работ в ГМЗ «Царское село», Государственном музее городской скульптуры г. Санкт-Петербурга, Лаборатории консервации и реставрации документов Санкт-Петербургского филиала Архива РАН.

Результаты диссертационной работы были использованы в рамках НИР по теме «Разработка лазерных технологий реставрации произведений искусства» при выполнении государственного контракта с Минобрнауки России 14.740.11.0601 от 05.10.2010 г.

Апробация работы

Результаты работы представлялись и обсуждались на 27 научных конференциях и семинарах, в том числе 5 Всероссийских и 14 международных. Основные из них:

• V Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2007», 2007, г. Санкт-Петербург

• Международная научно-практическая конференция «Неделя науки СПбГПУ», 2007,2009 и 2010, Санкт-Петербург

• VI Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, 2009, г. Санкт-Петербург.

• I, II и III Междисциплинарный микологический форум, 2009, 2010 и 2012, г. Москва

• Международная научно-техническая конференция «Laser 0ptics-2010» и «Laser 0ptics-2012», 2010,2012, г. Санкт-Петербург

• Международная научно-методическая конференция «Исследования в консервации культурного наследия», 2010, г. Москва.

• Вторая Международная научно-практическая конференция «Война и оружие. Новые исследования и материалы», 2011, г. Санкт-Петербург.

• VIII и IX Международная научно-практическая конференция «Исследование, реставрация и превентивная консервация музейных объектов», 2011, 2013, г. Киев, Украина.

• IV международный симпозиум «Биокосные взаимодействия в природных и антропогенных системах», 2011, г. Санкт-Петербург

• V и VI Всероссийский форум студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах», 2011,2012, г. Санкт-Петербург

• Международный симпозиум «Фундаментальные основы лазерных микро- и нанотехнолошй» (FLAMN-13), 2013, г. Санкт-Петербург

Публикации

По результатам диссертации опубликовано 25 печатных работ, в том числе 6 в российских рецензируемых научных журналах (из перечня ВАК). Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в работе, получены самим автором или при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 114 наименований, 1 приложения и списка основных публикаций. Общий объем диссертации 158 страниц. Работа содержит 96 рисунков, 31 таблицу.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели работы, основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость работы, определена структура диссертации.

В первой главе представлен обзор литературы по теме диссертационной работы. В разделе 1.1 приводятся сведения о биоповреждениях памятников, в том числе о видах биодеструкторов, их роли в процессах разрушения камня и органических материалов. Особое внимание уделено рассмотрению основных биодеструкторов материалов - микроскопических грибов. Также представлен обзор методов, обычно используемых в реставрации для очистки памятников. Приведены сведения о недостатках механических и химических методов очистки, сделан вывод о необходимости разработки нового эффективного неразрушающего метода удаления биологических поражений.

В разделе 1.2. представлены общие сведения о технологии лазерной очистки, ее особенностях и преимуществах. Рассмотрены физические принципы, в том числе процесс фототермической абляции - удаление частиц загрязнений под действием лазерного; излучения в результате испарения или отрыва от поверхности вследствие быстрого теплового расширения. Представлен обзор работ, посвященных лазерной очистке камня и органических материалов, а также лазерному удалению биопоражений.

Раздел 1.3 посвящен методам диагностики и контроля эффективности лазерной очистки. Представлена информация о существующих методах, которые могут быть использованы для этой цели, в том числе спеюроскопии лазерной искры (LIBS), рамановской спектроскопии, рентген-флуоресцентном анализе.

Вторая глава содержит результаты экспериментального исследования воздействия лазерного излучения на микроскопические грибы.

, В разделе 2.1. обоснован выбор лазера для удаления микроорганизмов с поверхности памятников. В реставрации, где недопустимо повреждение и даже изменение свойств оригинального материала, первостепенное значение имеет безопасность воздействия на памятник. При этом должны приниматься во С; 7

внимание следующие параметры лазерного излучения: длина волны, плотность энергии излучения, длительность импульсов и частота их повторения.

В случае каменных памятников для выбора оптимальной длины волны было проведено измерение спектральных коэффициентов отражения образцов мрамора и известняка. Проведенные измерения показали, что значения длины волны, при которых достигается максимальное отражение, лежат в диапазоне 1000-1100 мкм.

При выборе допустимых значений длительности импульсов принимались во внимание особенности физических процессов взаимодействия лазерного излучения с камнем. При длительности импульсов 10-100 мкс абляция материала происходит благодаря испарению или отрыву частиц, быстро расширяющихся под действием излучения. В отличие от более коротких импульсов (до 100 не) и более продолжительных (0,1-1 мс) в этом случае удается избежать как механического, так и термического повреждения [3, 4]. Выбор значения плотности энергии определяется оптическими и физическими свойствами материалов загрязнения и материала подложки. Характерный диапазон значений для каменных поверхностей, известный из научной литературы [1,4] ограничен величиной около 50 Дж/см2 (при длительности импульсов десятки микросекунд).

Таким образом, лазер для очистки каменных памятников должен обладать следующими выходными параметрами: длина волны излучения 1,0-1,1 мкм, длительность импульсов 10-100 мкс, плотность энергии 5-50 Дж/см2. С учетом вышесказанного, для экспериментов по удалению биопоражений с камня был выбран твердотельный Nd:YAG лазер Smart Clean II (изготовитель El.En. S.p.a., Италия), работающий в режиме свободной генерации с укороченными импульсами. Его выходные характеристики: длина волны излучения 1064 нм, энергия импульса до 2 Дж, длительность импульсов 30-110 мкс (в зависимости от энергии импульса), диаметр пучка в фокусе от 1,5 до 9 мм, частота повторения импульсов 1-30 Гц.

Процесс лазерной очистки основан на селективности воздействия, поэтому, помимо высокого коэффициента отражения поверхности памятника на длине волны излучения, необходимо чтобы это излучение интенсивно поглощалось загрязнениями. В работе были проведены измерения коэффициентов отражения основных видов биодеструкгоров: микроскопических грибов и водорослей. На длине волны 1,06 мкм величины коэффициентов отражения составили 15% в зависимости от вида биодеструктора. Таким образом, было показано, что излучение в ближнем ИК диапазоне на длине волны около 1 мкм большей частью отражается от поверхности мрамора и известняка и при этом в значительной мере поглощается биодеструкторами. Это обеспечивает селективность процесса лазерной очистки и его безопасность для поверхности памятников.

Выбор лазера позволил перейти к исследованию воздействия лазерного излучения на основные виды типичных биодеструкторов материалов.

В разделе 2.2 описана методика подготовки образцов и проведения экспериментов по лазерному воздействию на микроскопические грибы. Использовались споры восьми видов фибов-биодеструкторов, различающихся между собой но окрашенности, размерам спор и другим признакам. Суспензия спор наносилась в количестве ОД мл на поверхность предметного стекла, затем высушивалась. С помощью оптического микроскопа контролировалось количество и расположение спор на контрольной площадке I мм\ которая затем обрабатывалась импульсным YAG:Nd лазером с длиной волны 1,064 мкм и плотностью энергии в пределах 1,5-28,5 Дж/ем".

Результаты экспериментов приведены в разделе 2.3. После лазерного воздействия предметное стекло просматривалось под микроскопом с целью обнаружения повреждений и удаления отдельных спор. В зависимости от вида микромицета и от плотности энергии лазерного излучения можно было наблюдать: споры в различной стадии разрушения (рас. 1) или их полное удаление. Посредством многократных повторений экспериментов были найдены значения плотности энергии, необходимой для уничтожения i 00% облученных спор.

i" Щ *

'Фт • • • г ?

О ЩрВН Щ Ж

Рис. 1. Споры грибов Chaetamium giobosum: без повреждений, частично разрушенные и полностью разрушенные лазерным излучением опоры

В некоторых случаях лазерное облучение не приводило к видимому повреждению или разрушению грибных спор. Для определения их жизнеспособности, то есть способности прорастать после лазерной обработки, были проведены дополнительные эксперименты (раздел 2.4). Споры подвергались лазерной обработке, не приводящей к их повреждению или удалению. На предметное стекло с облученными, но внешне неповрежденными спорами наносилась питательная среда, оно помещалось в благоприятные для pot ra грибов условия на 1-2 суток, затем просматривалось под микроскопом, количество проросших спор подсчитьшалось. Было выявлено, что лазерное воздействие снижает долю проросших спор грибов до 50%.

В разделе 2.5 приведены краткие выводы по главе 2. Проведенные эксперименты показали, что лазерное излучение на длине волны 1,064 мкм оказывает преимущественно тепловое воздействие на споры. В зависимости от плотности энергии, может лопнуть оболочка споры, она может частично испариться, наконец, можно наблюдать ее полную абляцию. В зависимости от вида микромицета удаление спор происходит при плотности энергии от 5 до 13 Дж/см1.

В третьей главе представлены результаты экспериментов по лазерной очистке мрамора и известняка от биодеструкторов.

В разделе 3.1 проведено теоретическое рассмотрение теплофизических явлений при лазерной очистке камня. В случае воздействия ИК излучения на

светлый камень наблюдается слабое поглощение При импульсном

режиме обработки (при г0»4ат) температура на поверхности в момент окончания воздействия определяется как:

О)

рсд

где qg — плотность мощности падающего излучения, Д — коэффициент отражения поверхности, т - длительность импульса, р — плотность материала, с - удельная теплоемкость, 3 - глубина проникновения излучения, а - коэффициент температуропроводности материала, Т„ -начальная температура поверхности [5].

В случае воздействия лазерного излучения на белый каррарский мрамор (наиболее распространенный материал, используемый в скульптуре) значение температуры нагрева поверхности после лазерного импульса составляет

рс8

Распределение температуры нагрева в глубине материала определяется как:

дГ(г) = М^1

р°8 (2) где г - координата по оси, направленной вглубь материала перпендикулярно к поверхности. Таким образом, после окончания лазерного импульса на глубине, например, 1 и 2 мм, соответственно: ДГ(1лш) и 4,4К, АТ(2мм)«1,6К.

Из полученных расчетных значений можно видеть, что нагрев мрамора лазерным излучением незначителен и не может привести к какому-либо повреждению поверхности. Это обусловлено, прежде всего, большим коэффициентом отражения поверхности мрамора на длине волны 1,06 мкм, а также проникновением излучения на значительную глубину. Полученные расчетные

результаты были подтверждены измерениями изменения температуры мрамора под действием лазерного излучения, проведенными с помощью тепловизора.

В разделе 3.2 описана методика подготовки модельных образцов, а также методы контроля результатов очистки образцов. Экспериментальные исследования проводились на образцах белого мелкозернистого мрамора и известняка, как наиболее распространенных материалов, используемых для создания памятников. В качестве биодеструкторов были выбраны микромицеты широко распространенных видов Aspergillus flavus, Chaetomium globosum, Ulocladium consortiale. Суспензия спор грибов наносилась на поверхность образцов в количестве 0,2 мл на 4 см2. Для проверки результатов лазерной обработки применялся метод смыва спор и мицелия с поверхности образцов на питательные среды и их культивирование в чашках Петри в термостате в течение 5-10 дней при температуре 25° С. После этого проводился подсчет числа выросших колоний.

Кроме микромицетов, биодеструкторами также служили распространенные роды микроскопических водорослей: Pseudococcomyxa simplex, Chlorella vulgaris, Chlamydomonas noctigama, Chlamydomonas applanata, Eustigmatos magrtus.

Основные результаты проведенных экспериментов приведены в разделе 3.3. В экспериментах с микромицетами использовались следующие выходные параметры излучения: энергия импульса 0,2-0,6 Дж, длительность импульсов 30-45 мкс, частота повторения импульсов 5 Гц, диаметр пучка 2 мм, время облучения одного образца площадью 4 см2 - 60 секунд. В табл. 1 представлены усредненные результаты, полученные в трех сериях экспериментов.

Табл. 1. Количество оставшихся на поверхности образца мрамора пропагул микроскопических грибов в зависимости от энергетических параметров излучения и вида микромицета. Данные приведет! в процентах_

Режим Средняя плотность мощности, 103 Вт/м2 Плотность энергии, Дж/см2 Chaetomium Ulocladium Aspergillus

споры мицелий споры мицелий споры мицелий

контроль 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0

1 2,50 6,4 43,3 45,1 57,3 67,9 ■ 63,3 74,9

2 3,75 9,5 28,7 26,0 28,9 26,7 27,0 39,3

3 5,00 13,0 16,7 22,2 10,7 17,0 11,9 8,0

4 6,25 16,0 11,2 5,2 8,4 8,0 7.3 3,8

5 7,50 19,0 0,2 <0,1 о,в <0,1 <0,1 <0,1

Можно сделать вывод, что удаление практически всех (99-100 %) пропагул (т.е. спор и участков мицелия) микромицетов с мрамора происходит при значении плотности энергии ~ 20 Дж/см2. Схожие результаты были получены в экспериментах с модельными образцами известняка. Однако для полного удаления

микроскопических грибов требовались большие значения энергетических параметров. Частота повторения импульсов составляла 10 Гц, время облучения одного образца площадью 4 см' - 90 секунд. Полное уничтожение (>98%) спор и мицелия микромицетов наблюдалось при значении плотности энергии -40 Дж/см2.

Сохранность микрорельефа поверхности каменных образцов контролировалась при помощи методов оптической и сканирующей электронной микроскопии.

Аналогичные экспериментальные исследования были проведены на образцах мрамора и известняка с микроскопическими водорослями.

Полученные результаты подтверждены проведением практических работ (раздел 3.4) по лазерной очистке скульптур «Зефир, качающийся иа ветке» (скульптор - В.П. Бродский, 1860 г., г. Рим, Италия) и «Примавера» (неизвестный скульптор, нач. XVIII в., Италия) из собрания Государственного музея-заповедника «Царское село» (рис. 2). Эти работы были выполнены в сотрудничестве с ООО «Ресстрой» в 2008-2009 гг. Скульптуры выполнены из белого каррарского мрамора, до начала реставрации имели множественные загрязнения и значительные биологические поражения поверхности. В процессе реставрации была произведена высокоэффективная лазерная очистка без ущерба для поверхности памятников, в полной мере удовлетворившая требованиям музейной реставрации. В разделе 3.5 приведены основные выводы по главе 3.

Рис. 2. Мраморный бюст «Примавера»: до начала реставрации, в процессе лазерной очистки и

после окончания работ

В четвертой главе представлены результаты экспериментов по лазерной очистке органических материалов: бумаги, кожи и древесины. В разделе 4.1 приведено обоснование выбора источника лазерного излучения. Для этого было проведено измерение спектральных коэффициентов отражения образцов современной бумаги, а также страниц исторических книг и документов. В

результате был определен диапазон длин волн 0,9-1,1 мкм, соответствующий максимальному значению коэффициента отражения поверхности бумаги. Известно, что нагрев органических материалов под действием излучения может привести к изменению цвета и даже обугливанию. Расчет глубины прогретого слоя (z,/,= 2-JaT, где а - коэффициент температуропроводности, г - длительность импульса) показал, что в случае органических материалов дня обеспечения минимального нагрева поверхностного слоя необходимо использовать по возможности более короткие длительности импульсов (10"9 - 10'8 с) [б].

Исходя из этих соображений, для экспериментальных исследований был выбран импульсный волоконный иттербиевый лазер «Минимаркер М10» (ООО «Лазерный Центр», Россия). Его выходные характеристики: длина волны излучения 1,06 мкм, мощность до 10 Вт, длительность импульса 10 не, частота повторения импульсов до 100 кГц, диаметр светового пятна в фокусе около 50 мкм. В процессе обработки материалов осуществляется высокоскоростное двухкоординатное сканирование лазерного луча. Скорость сканирования в проведенных экспериментах варьировалась в пределах 200-500 мм/с.

В разделе 4.2 описана методика подготовки модельных образцов и методы контроля результатов очистки образцов. Экспериментальные исследования проводились на образцах бумаги, кожи и древесины с микроскопическими грибами наиболее распространенных видов Aspergillus flavus, Chaetomium globosum, Cladosporium cladosporioides, Pénicillium cyclopium, Trichoderma viride, Ulocladium consortiale. В разделе 4.3. приведены основные результаты экспериментов. В табл. 2 представлены усредненные результаты, полученные в трех сериях экспериментов с образцами бумаги. Для образцов кожи и древесины были получены схожие результаты. Отмечены некоторые различия в воздействии лазерного излучения на разные виды микроскопических грибов, а также различия в эффективности удаления микроорганизмов в зависимости от вида материала.

Табл. 2. Количество оставшихся на поверхности образца бумаги пропагул микроскопических грибов в зависимости от энергетических параметров излучения лазера и вида микромицета. Данные приведены в процентах ___

Режим Средняя плотность мощности, 103 Вт/м2 Плотность энергии, Дж/см2 Pénicillium Cladosporium Trichoderma

споры мицелий споры мицелий споры мицелий

контроль 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0

1 17,8 10,0 53,6 48,0 37,6 42,3 30,8 50,0

2 22,2 12,8 14,3 12,0 12,5 17,1 15,4 16,7

3 26,7 15,3 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 <0,1

На основании проведенных экспериментальных исследований можно сделать вывод, что 99-100% пропагул (спор и участков мицелия) микромицетов удаляется с поверхности бумаги и кожи при значениях плотности энергии лазерного излучения 15 Дж/см2. с поверхности древесины - при ¡8 Дж/см3. Сохранность микрорельефа поверхности образцов органических материалов исследовалась методами оптической и сканирующей электронной микроскопии. После лазерной обработки не наблюдалось какого-либо повреждения оригинальной поверхности образца (рис.

после заражения микроекопкчеекими грибами; » - после лазерной очистки.

Полученные результаты были подтверждены проведением экспериментальных работ по очистке подлинных исторических документов: русской рукописной книги XVII века и русской типографской книги начала XIX века с типичными загрязнениями (раздел 4.4). Проведенные исследования показали, что в результате лазерной обработки происходит удаление основных поверхностных загрязнений без нарушения структуры поверхности бумаги, что подтверждалось методом электронной сканирующей микроскопии. Кроме того, проведенные дополнительные исследования показали, что лазерная обработка не оказывает существенного влияния на прочностные характеристики, показатели белизны и кислотности, а также долговечность бумаги. Таким образом, была продемонстрирована высокая эффективность и безопасность лазерной очистки.

В разделе 4.5 приведены основные выводы по главе.

Пятая глава посвящена исследованию вопросов, связанных с контролем результатов лазерной очистки. Наряду с задачами эффективной и безопасной очистки в реставрации, одной из важных задач является объективная количественная оценка проведенной очистки, а также контроль воздействия лазерной обработки на поверхность очищаемого объекта.

В разделе 5,1. приведены результаты экспериментальных исследований, проведенных методами сканирующей электронной (СЭМ) и атомно-силовой

микроскопии (ACM). Методы позволяют контролировать воздействие лазерной обработки на структуру и микрорельеф поверхности. В экспериментах были использованы модельные образцы мрамора, известняка, бумаги, кожи и древесины с загрязнениями различного характера. Полученные результаты продемонстрировали, что лазерная обработка позволяет удалять имеющиеся загрязнения без повреждения структуры поверхности образцов. Проведенные исследования показали, что применение СЭМ и АСМ позволяет оценивать результаты лазерной очистки и контролировать сохранность поверхности.

Раздел 5.2 посвящен исследованию возможности применения метода рентген-флуоресцентного анализа для контроля эффективности лазерной очистки каменных поверхностей. Метод позволяет определять химический состав объекта и концентрацию элементов, не требует отбора образцов, поэтому может быть применен непосредственно на объектах реставрации. В проведенных исследованиях использовались фрагменты исторических памятников Санкт-Петербурга из мрамора и известняка с саже-пылевыми загрязнениями. Для контроля результатов очистки рентгеновские спектры, полученные для исследуемых образцов до и после лазерной очистки, сравнивались между собой. Было отмечено, что на спектрах обработанных участков интенсивность спектральных линий загрязняющих веществ (железо, цинк, медь, хром и т.д.) заметно уменьшается по сравнению со спектрами загрязненной поверхности. Это свидетельствует о качестве проведенной очистки. Проведенные исследования показали, что применение рентген-флуоресцентных анализаторов дает возможность количественной оценки результатов лазерной обработки памятников.

Раздел 5.3 посвящен разработке прибора для контроля результатов очистки каменных памятников, основанного на измерении коэффициента отражения поверхности. Для измерения светового потока от диффузно отражающей поверхности в оптике обычно применяются интегрирующие сферы. Для снижения стоимости и упрощения технологии изготовления прибора было предложено использовать интегрирующую полость в форме цилиндра, а не сферы. Поставленная в работе задача предполагала изготовление макета интегрирующего фотоприемника, исследование его характеристик, сравнение возможностей использования различных источников излучения и испытание устройства при работе с историческими памятниками.

Для ответа на вопрос о возможности использования цилиндрической интегрирующей полости в фотоприемнике было проведено математическое моделирование в программе Zemax. Были созданы модели интегрирующих полостей в форме сферы и цилиндра с фотодетекторами, источниками излучения и

образцами, с указанием типов поверхностей, геометрических размеров объектов, параметров излучения и т.д. (рис. 4). После построения моделей интегрирующих систем были исследованы их характеристики: зависимости мощности сигнала на фотодетекторе от коэффициента отражения поверхности образца, угла ввода излучения, мощности излучения и размера входного и выходного отверстий. Расчеты показали схожий характер перечисленных зависимостей для обеих моделей, что позволило сделать вывод об эквивалентности характеристик фотоприемных устройств с интегрирующими полостями в форме сферы и в форме цилиндра. Цилиндрический интегрирующий фотоприемник обеспечивает равномерное распределение светового потока во внутреннем объеме цилиндра, малую чувствительность к угловым колебаниям входного излучения; мощность сигнала на детекторе прямо пропорциональна коэффициенту отражения контролируемой поверхности и мощности входного излучения.

Рис. 4. Модели интегрирующих полости в форме цилиндра и сферы, созданные в программе

¿епш.ч

В п. 5.3.3 и 5.3.4 приведено описание конструкции разработанного лабораторного макета фотоприемного устройства и результаты его калибровки. Интегрирующий фотоприемник с цилиндрической полостью был изготовлен из трубки оптического стекла К-8. закрытой с торцов круглыми заглушками из того же материала. Диаметр цилиндра - 35 мм, длина 80 мм. Внутренняя поверхность цилиндра имеет высокоотражаюшее покрытие, представляющее собой пленку из мелкодисперсионного сверхчистого кварца. Показатель поглощения пленки не превышает Ю'6 см'1, а ее толщина составляет доли миллиметра.

Схематическое изображение фотометрической системы на базе интегрирующего цилиндра и внешний вид прибора представлены на рис. 5. В процессе измерений лазерный луч проходит вдоль оси цилиндра и направляется на контролируемую поверхность. Для этого в центрах оснований цилиндра предусмотрены специальные отверстия круглой формы, диаметром 10 мм.

Цилиндр помещен в металлический кожух из дюралюминия.. На боковой поверхности интегрирующей полости установлен фотодиод с набором ослабляющих фильтров.

интегрирующий цилиндр

Рис. S. Схема фотометрической системы на базе интегрирующего цилиндра (слева) и внешний вид сконструированного прибора (справа)

Для проверки прибора в работе и его калибровки были использованы специальные тестовые образцы из шлифованного мрамора и известняка разных сортов. Для объективной оценки данные измерений при калибровке сравнивались с результатами измерений коэффициентов отражения тех же образцов, проведенных с использованием метрологического стенда на базе интегрирующей сферы. Результаты -утих измерений оказались сопоставимы: отличия не превышали ±5%.

На заключительной стадии исследований были проведены работы по контролю результатов лазерной очистки мраморных скульптур, подтвердившие возможность оперативного контроля а процессе реставрации.

На основании проведенных исследований сделан вывод (раздел 5.4) о необходимости применения комплекса аналитических методов контроля результатов лазерной очистки в процессе реставрации. Методы СЭМ и АСМ позволяют контролировать воздействие лазерной обработки на структуру и микрорельеф поверхности памятников. Метод РФА позволяет контролировать качество лазерной очистки непосредственно на реставрируемых объектах посредством определения химического состава и концентрации элементов. Разработанный интегрирующий фотоприемник решает поставленную задачу объективной количественной оценки результатов лазерной очистки памятников и может быть использован в практике реставрационных работ.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы по проделанной работе.

Основные выводы и результаты работы:

). Экспериментально исследовано воздействие лазерного излучения ближнего ИК диапазона на микроорганизмы-биодеструкторы памятников.

2. Экспериментально подтверждена возможность лазерного удаления микроскопических грибов и водорослей с поверхности каменных памятников. Определены оптимальные параметры лазерного излучения, позволяющие проводить их эффективную очистку. Безопасность лазерной обработки для поверхности мрамора и известняка подтверждена в ходе экспериментов с использованием методов оптической, сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии.

3. Экспериментально исследована возможность лазерной очистки поверхности органических материалов от микроскопических грибов и других видов загрязнений. Определены выходные параметры лазерного излучения, обеспечивающие эффективное и безопасное для оригинальной поверхности удаление загрязнений.

3. Разработан прибор для контроля результатов лазерной очистки памятников в процессе реставрации, основанный на измерении коэффициента диффузного отражения очищаемых материалов. Прибор отличается простотой технической реализации, имеет низкую стоимость и может быть рекомендован для практического применения в реставрации.

4. Разработанная в рамках диссертационной работы технология лазерного удаления биопоражений была использована в ходе выполнения практических работ по реставрации мраморных скульптур XVIII-XIX вв. и исторических документов XVII-XIX вв. на бумажной основе.

5. Результаты проведенных исследований и практических работ позволили разработать методику лазерной очистки памятников от биопоражений, предназначенную для реставраторов и музейных хранителей.

Список основных публикаций по теме диссертации

1. Геращенко А.Н., Кирцидели И.Ю., Парфенов В А. Использование технологии лазерной очистки для борьбы с биологическими повреждениями экспонатов в музеях II Иммунопатология, аллергология, инфекгология, №2. - 2009. С. 42.

2. Геращенко А.Н., Кирцидели И.Ю., Парфенов В.А. Удаление микромицетов с поверхности памятников при помощи лазерной обработки II Научно-технические ведомости СПбГПУ, №4(88). - 2009. С. 113-118.

3. Парфенов В.А., Геращенко А.Н., Геращенко М.Д., Григорьева И.Д. Лазерная очистка исторических памятников // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, №2(66). -2010. С. 11-17.

4. Кирцидели И.Ю., Парфенов А.В., Чепурных Е.П., Геращенко А.Н. Исследование влияния УФ-излучения на микромщеты полярных регионов // Иммунопатология, аллергология, инфектология, №1. - 2010. С. 63.

5. Парфенов В.А., Кылосова (Геращенко) А.Н. Из опыта лазерной очистки скульптуры «Зефир, качающийся на ветке» // VII Грабаревские чтения: доклады, сообщения, тезисы. - М.: «Сканрус», - 2010. С. 271-275.

6. Геращенко А.Н. Лазерное удаление биологических поражений с поверхности памятников // 64-я Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава университета: Сборник докладов студентов, аспирантов и молодых ученых. Санкт-Петербург, 25 января - 5 февраля 2011 г. Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», - 2011. С. 176-179.

7. Геращенко А.Н., Кирцидели И.Ю., Парфенов В.А. Лазерное удаление микромицетов с поверхности памятников // Проблемы медицинской микологии, т. 13, №2. -2011.С. 70.

8. Геращенко А.Н. Применение лазеров для удаления микроскопических грибов с поверхности органических материалов // Наука и инновации в технических университетах: материалы Пятого Всероссийского форума студентов, аспирантов и молодых ученых. - Спб.: Изд-во Политехи, ун-та, - 2011. С.6-8.

9. Геращенко А.Н., Геращенко М.Д., Парфенов В.А. Технология реставрации книг лазерным лучом /I Вестник Библиотечной Ассамблеи Евразии, №2. - 2013. С. 68-73.

10. Геращенко А.Н., Парфенов В.А., Парфенов Вл.А. Контроль эффективности лазерной очистки памятников с помощью интегрирующего фотоприемника // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», № 4. - 2013. С. 64-71.

Цитируемая литература

1. Cooper, М. Laser Cleaning in Conservation: An Introduction / M. Cooper. - Oxford: Butterworth-Heinemann, 1998. - 115 p.

2. Ребрикова, Н.Л. Биология в реставрации / Н.Л. Ребрикова, - М: РИО ГосНИИР, 1999.-184 с.

3. Siano, S. Phenomenological characterisation of stone cleaning by different laser pulse duration and wavelength / S. Siano, M. Giamello at al. // Laser in the conservation of artworks, LACONA VI, Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2007. - P. 87-96.

4. Pini, R. Controlled laser ablation for the conservation of stone artworks: principles and applications / R.Pini, S. Siano, R. Salimbeni // Proc. SPIE. - 2000. - V. 4070. - P. 18-26.

5. Вейко, В.П. Сборник задач по лазерным технологиям / В.П. Вейко, Е.А. Шахно. - Изд. 2-е, испр. и дополн. - СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2003. - 63 с.

6. Kautek, W. Laser Cleaning of Paper and Other Organic Materials (Chapter 2.4) [Электронный ресурс] / W. Kautek //www.science4heritage.org/COSTG7/booklet/

Подписано в печать 25.10.2013. Формат 60x84/16 Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ЗАО «КопиСервис». Печать ризографическая. Заказ № 2/1013. П. л. 1.0. Уч.-изд. л. 1.0. Тираж 100 экз.

ЗАО «КопиСервис» Адрес: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 3. тел.: (812) 327 5098

Санкт-Петербургский Государственный Электротехнический Университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

На правах рукописи

04201452135

Геращенко Анастасия Николаевна

ЛАЗЕРНАЯ ОЧИСТКА ПАМЯТНИКОВ ИСТОРИИ И КУЛЬТУРЫ ИЗ МРАМОРА И БУМАГИ ОТ БИОДЕСТРУКТОРОВ

Специальность: 05.27.03 Квантовая электроника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: кандидат технических наук, доцент Парфёнов Вадим Александрович

кандидат биологических наук Кирцидели Ирина Юрьевна

Санкт-Петербург 2013 г.

Оглавление

Введение.......................................................................................................................4

Глава 1. Лазерная очистка памятников истории и культуры от биодеструкторов (обзор литературы).......................................................................................................9

1.1. Биодеструкторы памятников.......................................................................................9

1.1.1. Виды био деструкторов и их воздействие на каменные памятники..........9

1.1.2. Био деструкция объектов из органических материалов...........................16

1.1.3. Традиционные методы удаления биодеструкторов.................................18

1.2. Лазерная очистка памятников...................................................................................23

1.2.1. Физические принципы лазерной очистки................................................23

1.2.2. Лазерная очистка каменных памятников.................................................28

1.2.3. Лазерная очистка органических материалов...........................................34

1.2.4. Лазерное удаление биодеструкторов.......................................................36

1.3. Контроль результатов лазерной очистки..................................................................38

1.3.1. Спектроскопия лазерной искры (LIBS)....................................................38

1.3.2. Рамановская спектроскопия......................................................................40

1.3.3. Рентген-флуоресцентный анализ..............................................................41

Глава 2. Модельные эксперименты по воздействию лазерного излучения на споры микроскопических грибов.........................................................................43

2.1. Обоснование выбора источника лазерного излучения..............................................43

2.2. Подготовка образцов и методика проведения экспериментов..................................47

2.3. Результаты экспериментов по лазерному удалению спор.........................................49

2.4. Воздействие лазерного излучения на жизнеспособность спор грибов.....................52

2.5. Обсуждение результатов и краткие выводы..............................................................55

Глава 3. Лазерная очистка камня от биодеструкторов.............................................57

3.1. Теоретическое рассмотрение теплофизических явлений при лазерной очистке каменных поверхностей....................................................................................................57

3.2. Подготовка модельных образцов камня с био деструкторами...................................66

3.2.1. Подготовка модельных образцов камня с микромицетами....................66

3.2.2. Подготовка модельных образцов камня с водорослями.........................67

3.3. Результаты экспериментов по лазерной очистке модельных образцов камня.........68

3.3.1. Результаты экспериментов по лазерному удалению микромицетов......68

3.3.2. Результаты экспериментов по лазерному удалению водорослей...........74

3.3.3. Результаты экспериментов по удалению био деструкторов с помощью лазера на парах меди и УФ лампы.....................................................................77

3.4. Лазерная очистка скульптур.......................................................................................80

3.4.1. Лазерная очистка мраморной скульптуры XVIII в. «Зефир, качающийся на ветке»........................................................................................80

3.4.2. Лазерная очистка мраморной скульптуры XIX в. «Примавера».............83

3.5. Краткие выводы по главе............................................................................................86

Глава 4. Лазерная очистка органических материалов от биодеструкторов............88

4.1. Обоснование выбора источника лазерного излучения..............................................88

4.2. Подготовка модельных образцов органических материалов....................................91

4.3. Результаты экспериментов по лазерной очистке образцов органических материалов.........................................................................................................................92

4.3.1. Результаты по обработке Nd:YAG лазером.............................................93

4.3.2. Результаты по обработке волоконным лазером.......................................96

4.4. Лазерная очистка бумаги (реставрация исторических документов).........................99

4.5. Краткие выводы по главе..........................................................................................104

Глава 5. Методы контроля результатов и безопасности лазерной очистки..........106

5.1. Методы сканирующей электронной (СЭМ) и атомно-силовой

микроскопии (АСМ).......................................................................................................107

5.1.1. Экспериментальные исследования методом СЭМ................................107

5.1.2. Экспериментальные исследования методом АСМ................................108

5.2. Метод рентген-флуоресцентного анализа...............................................................109

5.3. Разработка интегрирующего фотоприемника для контроля

результатов очистки........................................................................................................112

5.3.1. Принцип работы интегрирующих фотоприемников. Постановка задачи................................................................................................................112

5.3.2. Оценка возможности использования интегрирующего цилиндра

в качестве фотоприемника (моделирование в программе Zemax).................115

5.3.3. Описание конструкции разработанного лабораторного

макета интегрирующего фотоприемника в форме цилиндра.........................124

5.3.4. Калибровка сконструированного прибора.............................................127

5.3.5. Контроль результатов лазерной очистки модельных образцов

и мраморных скульптур...................................................................................131

5.4. Краткие выводы по главе.........................................................................................133

Заключение...............................................................................................................135

Библиографический указатель................................................................................136

Приложение 1. Методика лазерного удаления биодеструкторов с поверхности памятников.......................................................................................147

Список публикаций..................................................................................................155

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

очевидную актуальность этой проблемы и широкое внедрение лазеров в сферу реставрации в целом, метод лазерной очистки до сих пор мало применялся для противодействия процессам биодеструкции. Использование лазерного излучения для удаления био деструкторов представляется весьма перспективным вследствие значительных преимуществ такой обработки по сравнению с химическими и механическими методами: локальность и прецизионность воздействия, отсутствие механического контакта с поверхностью, возможность сохранения рельефа поверхности и даже исторической патины, экологичность и другие.

В связи с вышесказанным, изучение вопросов влияния оптического излучения на микроорганизмы-биодеструкторы и отработка технологии лазерного удаления биопоражений представляются важными задачами с научной и практической точек зрения.

Целью диссертационной работы является исследование совокупности вопросов, связанных с воздействием лазерного излучения на микроорганизмы-биодеструкторы, и разработка технологии лазерной очистки памятников. В работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследование оптических свойств материалов памятников и основных видов их биодеструсторов, а также выбор лазерных источников, обеспечивающих эффективную и безопасную очистку.

2. Экспериментальное исследование возможности лазерной очистки поверхности карбонатных горных пород и органических материалов от био деструкторов.

3. Разработка и исследование методов контроля результатов лазерной очистки.

4. Разработка методики лазерного удаления биодеструкторов с поверхности памятников.

5. Апробация технологии лазерной очистки от биодеструкторов на исторических памятниках.

Практическая значимость работы:

1. Продемонстрирована возможность эффективного лазерного удаления микроорганизмов и других загрязнений с поверхности мрамора, известняка, бумаги, древесины и кожи. Определены оптимальные параметры лазерного излучения для решения этих задач.

2. Предложен и экспериментально проверен подход к контролю результатов лазерной очистки памятников в реставрации, основанный на измерении коэффициента отражения очищаемых материалов при помощи интегрирующего фотоприемника. Разработан макет измерительного устройства такого типа, отличающийся простотой технического исполнения и имеющий низкую стоимость.

3. Разработана методика лазерной очистки памятников из различных материалов от биопоражений.

Научная новизна работы:

1. Впервые исследовано взаимодействие лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона с основными видами биодеструкторов и показана возможность их эффективного удаления при помощи лазеров с поверхности различных материалов.

2. Впервые определены оптимальные параметры лазерного излучения и рабочие режимы лазерной обработки мрамора, известняка, бумаги, древесины и кожи, позволяющие безопасно удалять с их поверхности микромицеты и водоросли.

3. Предложен метод контроля результатов лазерной очистки памятников непосредственно в процессе реставрации, основанный на измерении коэффициента отражения очищаемых поверхностей при помощи интегрирующего фото приемника.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Эффективное удаление не менее 99% микроскопических грибов и водорослей с поверхности памятников из мрамора и известняка достигается при их обработке лазерным излучением с длиной волны 1 мкм, длительностью импульсов 40-100 мкс, частотой повторения импульсов 5-10 Гц и плотностью энергии 20-60 Дж/см2 в зависимости от породы камня и конкретного вида микроорганизмов.

2. Эффективное удаление не менее 99% микроскопических грибов с поверхности бумаги, кожи и древесины достигается при их обработке лазерным излучением с длиной волны 1 мкм, длительностью импульсов около 10 не, частотой повторения импульсов 10-20 кГц и плотностью энергии 15-20 Дж/см2 в зависимости от типа материала и вида микроорганизмов.

3. Измерение коэффициента диффузного отражения очищаемой поверхности при помощи интегрирующего фотоприемника с измерительной полостью в форме цилиндра позволяет проводить контроль результатов лазерной очистки каменных памятников в процессе реставрации.

Апробация работы:

Результаты работы представлялись и обсуждались на 27 научных конференциях и

семинарах, в том числе 5 Всероссийских и 14 международных. Основные из них:

• V Международная конференция молодых ученых и специалистов «0птика-2007», 2007, г. Санкт-Петербург

• Международная научно-практическая конференция «Неделя науки СПбГПУ», 2007, 2009 и 2010, Санкт-Петербург

• VI Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, 2009, г. Санкт-Петербург

• I, II и III Междисциплинарный микологический форум, 2009, 2010 и 2012, г. Москва

• Международная научно-техническая конференция «Láser 0ptics-2010» и «Láser 0ptics-2012», 2010, 2012, г. Санкт-Петербург

• Международная научно-методическая конференция «Исследования в консервации культурного наследия», 2010, г. Москва

• Вторая Международная научно-практическая конференция «Война и оружие. Новые исследования и материалы», 2011, г. Санкт-Петербург

• VIII и IX Международная научно-практическая конференция «Исследование, реставрация и превентивная консервация музейных объектов», 2011, 2013, г. Киев, Украина

• IV международный симпозиум «Биокосные взаимодействия в природных и антропогенных системах», 2011, г. Санкт-Петербург

• V и VI Всероссийский форум студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах», 2011, 2012, г. Санкт-Петербург

• Международный симпозиум «Фундаментальные основы лазерных микро- и нанотехнологий» (FLAMN-13), 2013, г. Санкт-Петербург

По результатам диссертации опубликовано 25 печатных работ, в том числе 6 в российских рецензируемых научных журналах (из перечня ВАК). Список публикаций приведен в конце диссертации.

Реализация и внедрение результатов работы:

Работа прошла апробацию в ходе выполнения практических реставрационных работ в ГМЗ «Царское село», Государственном музее городской скульптуры г. Санкт-Петербурга, Лаборатории консервации и реставрации документов Санкт-Петербургского филиала Архива РАН.

Результаты диссертационной работы были использованы в рамках НИР по теме «Разработка лазерных технологий реставрации произведений искусства» при выполнении государственного контракта с Минобрнауки России 14.740.11.0601 от 05.10.2010 г.

Все результаты, представленные в работе, получены самим автором или при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 114 наименований, 1 приложения и списка основных публикаций. Общий объем диссертации - 158 страниц. Работа содержит 96 рисунков, 31 таблицу.

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

1.1. Биодеструкторы памятников

Одной из главных причин разрушения памятников культуры и искусства является появление и развитие на их поверхности биологических поражений. Эта проблема затрагивает камень (мрамор, известняк, песчаник), органические материалы (бумагу, кожу, ткань, древесину и т.д.), керамику и т.д. Биодеструкторами памятников являются бактерии, плесневые грибы, водоросли, лишайники, мхи, а иногда и высшие растения [2, 3]. Появление биопоражений на поверхности объектов культурно-исторического наследия приводит к ухудшению их внешнего вида, что проявляется в изменении исходного цвета поверхности. Главная же проблема состоит в том, что поселяясь на поверхности объектов и выделяя продукты обмена веществ, микроорганизмы постепенно разрушают их структуру. Ведущую роль при этом обычно играют микроскопические грибы (или, как их еще называют, плесневые грибы, микромицеты).

1.1.1. Виды биодеструкторов и их воздействие на каменные памятники

Известно, что камень имеет чрезвычайно широкую сферу применения: наружная облицовка зданий, отделка стен и пола, памятники, колонны, камины, орнаменты, скульптуры и т.д. Можно сказать, что в городских ландшафтах сооружения и объекты из природного камня занимают центральное место.

В каменных памятниках исторического и культурного наследия используются различные типы природного камня в соответствии с архитектурными, инженерными и художественными целями, а также дост�