Non-invasive Spectroscopic Studies of Wood - Recent and Archeological

Abstract

This thesis presents non-invasive spectroscopic studies of wood samples. Wood from both recent samples and archeological samples from the warships Vasa and Riksäpplet are studied. The samples are studied with an optical technique called GASMAS (GAs in Scattering Media Absorption Spectroscopy). The difference in absorption signals with regard to the orientation and number of annual rings in the wood material is studied. A comparison between softwood and hardwood is made with regard to the density of the samples.
The diffusion of oxygen and water vapor is studied for a variety of different tree species. The samples were subjected to a high concentration of oxygen before the measurement started in order to increase the signal-to-noise ratio.
Oxygen gas consumption measurements were made for a selection of tree species. Oxygen gas consumption rates can be used to evaluate the current status of the wood sample.
A treated archeological artefact from the warship Vasa was studied with the objective to try to determine how well the conservation material has penetrated the artefact.
Lastly, a new device was developed and tested. The main objective with the device was to reduce optical interference fringes which are common in diode laser spectroscopy. Due to its design it also gives other beneficial features such as increasing the transmitted light intensity up to 2.5 times.

Popular Abstract (Swedish)

Varför är löven på våra träd gröna?
Varför är blodet i våra vener rött?
Alla dessa frågor kan besvaras genom att studera hur ljus växelverkar med atomer och molekyler. Atomer och molekyler absorberar ljus. Beroende på sammansättningen av atomer och molekyler så är det mer troligt att de absorberar ljus av vissa färger eller våglängder. Då atmosfären är uppbyggd av en viss sammansättning av molekyler som skiljer sig från de som löven på träden består av kommer även deras absorptionsspektra att skilja sig åt. Det är det som leder till att löv och blod har olika färger. Varför är himlen blå? Förklaringen är här att ljus kan spridas mot molekyler, som i och för sig inte absorberar ljus men eftersom den blå komponenten i det vita solljuset sprids mera än den röda blir himmelsljuset blått.
Spektroskopiska metoder kan användas för att identifiera specifika gaser. Om man sänder ljus genom en gasansamling så kommer ljuset på andra sidan sakna vissa specifika våglängder eller färger. Genom att analysera detta absorptionsspektrum så går det att identifiera vilken gasen är. Denna princip kan användas för att t.ex. mäta luftföroreningar i storstäder.
2001 utvecklades en ny optisk teknik vid Avdelningen för atomfysik på LTH. Med denna teknik kan man mäta absorption av gaser inneslutna i porösa material. Metoden kallas GASMAS (GAs in Scattering Media Absorption Spectroscopy). Materialen kan t.ex. vara trä, frigolit, tabletter, keramik, förpackningar eller mänsklig vävnad. Vissa av dessa material kan tyckas vara mycket kompakta och inte ge mycket utrymme för så många porer för gasen att befinna sig i. Men då ljuset inte går raka vägen genom materialet utan kommer att spridas kraftigt leder det till att sträckan som ljuset färdats inuti materialet kan bli relativt sett oerhört lång. Det är denna spridning av ljus som möjliggör detektion av gas inuti t.ex. trämaterial. Det är också skillnaden i absorptionsspektra mellan gas och fasta material som möjliggör för denna teknik att fungera. Absorptionspektra för gas är mycket mer skarpa än vad som gäller för fasta material.
I detta projekt har träslag av många olika slag studerats. Både färskt och arkeologiskt trä har undersökts. För arkeologer är det mycket viktigt att kunna bestämma träets aktuella status. Detta för att kunna använda rätt typ av konserveringsmetod. Det bärgade krigsskeppet Vasa är ett exempel på ett stort projekt. Där är man mycket intresserad av att hitta metoder som på ett effektivt och icke förstörande sätt kan övervaka och samla in information om skeppets tillstånd. Med optiska metoder går det att undersöka trä utan att förstöra det.
I detta projekt har vi undersökt hur träets anatomi påverkar mätresultatet. Vi har även studerat hur snabbt syrgas och vattenånga diffunderar ut ur olika träslag. Trä konsumerar även syre vilket kan kopplas till dess aktuella status; därför har syrekonsumption för olika träslag studerats. Ett konserverat föremål från Vasa-skeppet har undersökts, detta i ett försök att betämma hur den använda konserveringskemikalien är fördelad i föremålet.
I detta projekt har även en spektroskopisk utrustning utvecklats och testats. Syftet var att avhjälpa optisk interferens-problematik, som är mycket vanlig, inte bara inom GASMAS men generellt för laser-spektroskopiska metoder. Denna utrustning ger även större ljusintensitet vilket är mycket användbart för att studera material som absorberar stora delar av ljuset.

• author: Karlsson, Marcus
• supervisor: Hans Lundberg
• organization: Atomic Physics; Department of Physics
• course: PHYM01 20111
• year: 2015
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• report number: LRAP-503
• language: English
• id: 5368162
• date added to LUP: 2015-05-11 20:54:27
• date last changed: 2015-06-02 09:27:47