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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’elles rétrodiffusent) à la suite de collisions avec des noyaux lourds.

Un examen ophtalmologique ?
Ce scribe égyptien semble subir un examen d’ophtalmologie. Son œil 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, mais d’une grande résistance, 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.
© 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.

Les 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 Élémentaire). Mis en service en 1989, AGLAE est resté longtemps la seule installation de ce type dans le monde implantée dans un laboratoire de musée. Il a célébré ses 20 ans en 2009. (NB : AGLAE est un accélérateur électrostatique de 2 millions de volts de type tandem, équipé de deux sources d’ions, l’une pour la production de protons et de deutons, et l’autre pour celle de particules alpha).

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 réduisant ainsi l’absorption par l’air du faisceau et des rayons X induits

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) et ne fournit pas d’information sur l’état chimique des éléments.

2018 : NOUVEL  AGLAE

Grâce à des travaux importants, AGLAE a été profondément rénové et amélioré. La nouvelle installation, inaugurée en novembre 2017, a pris des données à partir du début 2018.

Innovations et améliorations

Sensibilité multipliée par 10. Précieux pour objets fragiles
Non invasif, non destructif c’est-à-dire  sans prélèvements
Simultanéité d’analyses possible. Prises de données combinée de plusieurs détecteurs, par exemple PIXE et RBS (proton)
Utilisation de détecteurs SDD (silicon drift detectors) moins encombrants, plus proches, plus sensibles, permettant des taux de comptage plus élevés.
9/11:2017 : arrivée des premiers faisceaux de protons
Possibilité de distinguer les couches des tableaux. PIXE différentiel (spectres d’énergie différents) avec protons
Courants très faibles 1 (?) à 100 millionième d’ampère par mm2
Stabilité du faisceau. Rotation possible jusqu’à 270°
Rapidité des cartographies (temps divisés par 10)

Film de la BBC , nov 2017: World’s only particle accelerator for art is back at the Louvre

Films de la revue Repères de l’IRSN
– :  AGLAE, principes et Radioprotection
– :  Possibilités d’analyses offertes par AGLAE