Reflets de la Physique n°63 oct/nov/déc 2019
Reflets de la Physique n°63 oct/nov/déc 2019
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°63 de oct/nov/déc 2019

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 68

  • Taille du fichier PDF : 7,6 Mo

  • Dans ce numéro : physique et matérieux anciens.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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 » > les méthodes RBS et NRA peuvent localiser en profondeur les éléments, car l’énergie des ions dépend de l’épaisseur traversée. La profondeur analysée varie entre quelques microns et des dizaines de microns selon la méthode IBA employée et l’élément mesuré. Dans le cas de la méthode PIXE, elle est conditionnée par l’énergie des raies caractéristiques des atomes. Pour les éléments légers, elle est limitée par l’absorption de leurs rayons X caractéristiques de faible énergie dans l’échantillon (par exemple 3 µm pour le sodium dans un verre). Lorsque les rayons X caractéristiques sont de plus haute énergie, ou si ce sont des rayons γ (PIGE), la profondeur sondée peut s’étendre jusqu’à la fin du parcours des ions incidents. La mise en œuvre de ces méthodes est illustrée par deux études (pp. 18-19) menées avec l’accélérateur AGLAÉ installé au Palais du Louvre (voir l’encadré ci-dessous). L’accélérateur d’ions AGLAÉ en quelques mots L’Accélérateur Grand Louvre pour l’Analyse Élementaire (AGLAÉ) est un tandem électrostatique de 2 MV installé en 1989 dans les locaux du C2RMF au Palais du Louvre. Les ions négatifs (H -, He -...) produits par les sources sont attirés par le potentiel positif du terminal, dans lequel ils sont « déshabillés » de leurs électrons au passage dans un gaz, le stripper, ce qui génère des ions chargés positivement (H +, He 2+...) qui sont alors repoussés vers la sortie de l’accélérateur. Le faisceau de particules ainsi accéléré à une vitesse de l’ordre de 10% de la vitesse de la lumière, est focalisé et extrait à l’air en traversant une fine membrane de Si 3 N 4 de 100 nm d’épaisseur. Les performances d’AGLAÉ ont été améliorées continuellement depuis son ouverture, mais certaines limites sont apparues au bout de vingt ans de services remarquables rendus aux chercheurs et aux conservateurs de musées  : absence d’automatisation de l’appareil et manque de stabilité du faisceau qui limitaient son temps d’utilisation à la journée et ne permettaient pas l’analyse en toute sécurité d’œuvres fragiles, comme les tableaux par exemple, qui peuvent présenter des dommages sous le faisceau en raison de la présence de matière organique ; difficulté de réaliser des cartographies chimiques systématiques ; utilisation difficile d’un faisceau de noyaux de deutérium (2 H +) qui permet d’enrichir la panoplie d’analyses par réactions nucléaires, et rend nécessaire le renforcement des conditions de radioprotection. 16 Reflets de la Physique n°63 Grandes questions en sciences du patrimoine La caractérisation des matériaux du patrimoine (composition, structure et disposition des éléments) permet de révéler les constituants et les techniques de manufacture du passé (par exemple recettes d’élaboration des verres), ou d’identifier les choix et techniques de l’artiste (par exemple palette de pigments). Les éléments présents à l’état de traces sont de précieux indicateurs de l’origine des matériaux employés. Ils nous renseignent sur l’approvisionnement en matières premières (par exemple provenance des minéraux) et sur les réseaux d’échange d’objets finis (par exemple circulation des céramiques). Enfin, l’environnement impacte nombre de matériaux et influe sur l’état de conservation des œuvres (par exemple corrosion des métaux). L’analyse de la surface des objets permet de traquer les signes d’altération, de comprendre les Christophe Hargoues/C2RMF/CNRS Photothèque a processus de dégradation pour stopper leur progression, de recommander des conditions de conservation plus adaptées et de guider les restaurations. Particularités des objets du patrimoine Les objets du patrimoine présentent des particularités et des contraintes spécifiques. Leur surface est rarement lisse et leur composition souvent hétérogène  : en grains (céramiques), en couches (décors) ou composite organique/inorganique (tableaux). Cette complexité multi-échelle requiert des techniques analytiques possédant une bonne résolution latérale et en profondeur. Le caractère précieux et souvent unique des œuvres impose des méthodes qui évitent tout prélèvement ou modification. Leurs grandes dimensions et formes compliquées (par exemple sculptures) imposent une analyse directe à l’atmosphère. Financé à partir de 2012 par le programme d’investissements d’avenir de l’Agence nationale de la recherche (ANR-10- EQPX-22), le ministère de la Culture, le CNRS et la Mairie de Paris (projet New AGLAÉ), le nouvel accélérateur AGLAÉ (fig. E1) a été inauguré en novembre 2017. L’importante tâche de stabilisation du faisceau et l’automatisation de la ligne ont été réalisées de 2016 à 2017 en collaboration avec la société Thalès. Concernant l’imagerie systématique, une surface maximale de 200 × 200 mm² est parcourue en combinant un balayage vertical du faisceau au moyen de bobines électromagnétiques et le déplacement mécanique de l’objet. Le mode d’acquisition sélectionné pour le nouvel AGLAÉ permet de corréler chaque rayonnement détecté avec la position (X,Y) du faisceau sur la cible. Ce couplage permet de reconstruire la carte de répartition spatiale des données IBA [7]. 2-.1..Eià
Christophe Hargoues/C2RMF/CNRS Photothèque Atouts des analyses par faisceaux d’ions en sciences du patrimoine Un atout majeur de l’analyse par faisceau d’ions (IBA) est son caractère non destructif. Avec une intensité de l’ordre de 10 -9 ampères, le faisceau d’analyse incident dépose une énergie de l’ordre du joule au point d’impact, ce qui en général ne modifie pas les matériaux inorganiques (métaux, minéraux, céramiques...). Grâce au faisceau extrait, l’analyse des objets peut s’effectuer d’une manière non invasive, c’est-à-dire directement, sans prélèvement ni préparation. Un dispositif expérimental, initialement développé pour étudier des liquides [2], permet de faire sortir le faisceau de l’accélérateur dans l’atmosphère. Il a été adapté pour l’analyse des objets d’art et d’archéologie, sans restriction de dimension ou d’état de conservation [3]. Le deuxième atout réside dans la complémentarité des méthodes IBA, qui sont souvent exploitées conjointement. La méthode PIXE avec des protons de 3 MeV est la plus courante, car elle s’accommode d’un faisceau de faible intensité et s’applique aisément dans l’air. Sa rapidité permet de multiplier les points de mesures et d’acquérir des cartographies de répartition d’éléments chimiques. La méthode RBS est optimale pour caractériser les couches d’éléments lourds sur un substrat d’éléments plus légers (par exemple dorures), dont elle permet de déterminer la composition, l’épaisseur et l’ordre, ainsi que les profils aux interfaces. Elle peut être employée en complément de la méthode PIXE pour caractériser une couche de surface ou pour vérifier l’homogénéité du matériau. La caractérisation complète des objets requiert l’emploi successif de deux b c Physique des atomes comme source d’information faisceaux  : protons de 3 MeV (PIXE) et hélium de 3 MeV (RBS), comme nous le verrons (p. 18) dans le cas du décor lustré de céramiques médiévales. L’analyse par réaction nucléaire donne accès aux éléments légers (Z < 11), hors de portée des autres méthodes. La méthode PIGE complète utilement la méthode PIXE en mesurant les éléments dont les raies X caractéristiques sont à trop basse énergie. Par exemple, le bore présent dans le fondant des verres peut être quantifié par les rayons γ de 429 keV émis lors de la réaction avec des protons (1 H + 10 B 7 Be + 4 He + γ). Les éléments carbone, azote et oxygène de la matière organique (par exemple le collagène des os) peuvent être dosés par rétrodiffusion non coulombienne des protons. Mais la méthode la plus efficace pour quantifier ces éléments est l’analyse par réaction nucléaire avec un faisceau de deutons. Pour le carbone par exemple, » > E1. (a) Vue générale du nouvel AGLAÉ. De droite à gauche  : les sources d’ions négatifs, la cuve de l’accélérateur, la nouvelle ligne de faisceau (au centre), la microsonde et le « nez » d’AGLAÉ. (b) Vue détaillée du nouveau système de stabilisation du faisceau, constitué de quatre aimants courbant le faisceau à 270°. (c) « Nez » d’AGLAÉ avec son multidétecteur. Une statuette en bronze du trésor gallo-romain de Bavay (III e siècle après J.-C.) est disposée devant la fenêtre d’extraction à l’air du faisceau de protons afin d’effectuer une cartographie chimique par PIXE. Christophe Hargoues/C2RMF/CNRS Photothèque i Reflets de la Physique n°63 17



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