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L'accélérateur AGLAE



Un outil moderne pour l'analyse d'œuvres d'art

Pourquoi recourir à un accélérateur pour analyser la composition d'un objet ancien et en déduire sa provenance, son authenticité, le lieu et la date de sa fabrication ? Ce type d'équipement lourd peut paraître incongru.

AGLAE
Vue générale de l'accélérateur AGLAE dans les sous-sols du Laboratoire de Recherche des Musées de France au Louvre.
LRMF

On accélère des particules légères, essentiellement des protons, mais aussi des noyaux de deutérium ou des particules alpha, à des énergies de quelques millions d'électronvolts. Ces particules sont semblables à celles émises par des sources radioactives, mais l'accélérateur permet d'en choisir à volonté le nombre, et l'énergie.

L'avantage de ces "analyses par faisceaux d'ions" est de pouvoir diriger les particules sur l'objet à analyser. Guidé avec précision, le « faisceau » de particules accélérées (*) percute un détail de la cible à étudier. Ces particules accélérées pénètrent peu dans la cible, ne sondant que sa surface.

Le long de leur court parcours, ces noyaux légers vont perturber le cortège électronique d'un grand nombre d'atomes ou provoquer des réactions nucléaires avec des éléments légers, comme le font les rayons alpha des sources radioactives. La technique très sensible de la Rétrodiffusion Rutherford (RBS) est basée sur la mesure des particules qui rebondissent vers l'arrière (On dit qu'ils rétrodiffusent) à la suite de collisions avec des noyaux lourds.

Un examen ophtalmologique ?
Ce scribe égyptien semble subir un examen d’ophtalmologie. Son oeil est en position face à la fenêtre de sortie du faisceau d’AGLAE. Le tube horizontal est celui du faisceau, les deux autres servent à la détection des rayons X produits. Une extraction du faisceau à l’air, grâce à une fenêtre ultra mince de 0,1 micron de nitrure de silicium Si3N4, un matériau d’une grande résistance mécanique, permet de travailler à pression atmosphérique. On parvient à un diamètre de faisceau d'environ 2 microns en plaçant l'objet à 3 mm de la fenêtre. Un flux d'hélium gazeux sur la zone analysé améliore la qualité des mesures en réduisant l’absorption par l’air du faisceau et des rayons X induits.
Dominique BAGAULT/LRMF

Les atomes perturbés par le passage des particules du faisceau émettent des rayonnements caractéristiques, rayonnements dont l'observation « signe », sans ambiguïté, la présence, même à l'état de traces, d'un atome donné. Ces rayonnements sont constitués de photons, caractérisés par leur énergie. Parmi ces rayonnements, on détecte ceux qui sont assez pénétrants pour sortir de la cible : des rayons X, issus des couches profondes de l'atome. C'est la méthode PIXE, extrêmement sensible pour mesurer à des concentrations très faibles des éléments chimiques de numéro atomique Z>10 (à partir du sodium).

Une troisième méthode moins employée, la méthode PIGE, s'appliquent aux noyaux légers avec lesquels les particules du faisceau peuvent produire des réactions nucléaires. Des rayons gamma. sont émis, caractéristiques du noyau cible.

Ces méthodes d'analyse par faisceaux de particules allient une très grande sensibilité à une totale innocuité pour les objets patrimoniaux. Ces avantages ont amené, vers la fin des années 1980, à doter le Laboratoire de recherche des musées de France (LRMF) du système AGLAE (Accélérateur Grand Louvre d'Analyse Elémentaire). Mis en service en 1989, AGLAE est resté longtemps la seule installation de ce type dans le monde à être implantée dans un laboratoire de musée. Il a célébré ses 20 ans en 2009.

Une avancée déterminante a été la possibilité de faire sortir le faisceau du tube à vide où il se trouve en lui faisant traverser une fenêtre suffisamment résistante pour supporter la pression atmosphérique et les dommages créés par le faisceau, mais assez mince pour minimiser la perte d'énergie et la dispersion des particules. L'œuvre est alors librement placée à très courte distance (quelques mm en aval de cette fenêtre). Dans le cas des analyses RBS, un balayage de la surface de l'objet par un jet d'hélium améliore la qualité des mesures en supprimant les collisions des ions avec les noyaux d'oxygène et d'azote de l'air.

En dehors de l'évidente facilité d'opération à l'air, les principaux avantages offerts par un faisceau extrait sont : la possibilité de manipuler des objets de toute taille et forme; l'analyse d'objets fragiles pouvant souffrir d'une mise sous vide ; une réduction notable des effets thermiques du faisceau. Néanmoins, l'analyse se limite à la zone superficielle du matériau (jusqu'à quelques dizaines de micromètres) ; aucune information n'est fournie sur l'état chimique des éléments.

Films de la revue REPERES de l'IRSN
- : AGLAE, principes et Radioprotection
- : Possibilités d'analyses offertes par AGLAE

SUITE : La méthode PIXE, Méthode RBS, Principes de la RBS