Le millifaisceau d' AGLAE
lors de l'étude d'un
manuscrit du XV^e siècle
 

Analyse des yeux de rubis
d'une statuette représentant
la déesse Ishtar

La matière constituant un objet d'art ou d'archéologie recèle de nombreux indices très utiles pour leur étude. En particulier, la composition chimique permet d'identifier le matériau, sa provenance, les recettes de fabrication, et ses éventuelles altérations.
 
Quels éléments chimiques entrent dans la composition des objets de musées et dans quelles proportions? C'est pour répondre à cette question qu'une méthode performante et non destructive — la technique d'analyse PIXE — a été implantée au Laboratoire de recherche des musées de France (LRMF). Son principe est simple : il s'agit de capter les rayons X émis par l'objet lorsqu'il est placé dans le faisceau d'un petit accélérateur de particules. En effet, stimulés par les particules du faisceau, les atomes de la matière émettent un rayonnement X caractéristique de chaque élément. Sans prélèvement ni dommage, et en quelques minutes, la méthode PIXE délivre la concentration de tous les éléments compris entre le sodium et l'uranium.
 
Historique
 
Ce phénomène — la production de rayons X sous l'impact d'un faisceau de particules — a été observé dès 1912 par Chadwick. Pourtant, il a fallu attendre plus de 50 ans, avec le développement de détecteurs de rayons X à semi-conducteurs, la disponibilité de petits accélérateurs et l’arrivée des ordinateurs pour l'employer à des fins d'analyse chimique. En 1970 Johansson jette les fondements de cette technique qu'il dénomme PIXE. En 1989 le LRMF s'est équipé d'un tel accélérateur — AGLAE — pour adapter les techniques d'analyse par faisceaux d'ions aux objets de musées - dont la méthode PIXE. Depuis, la technique a été sans cesse améliorée et les analyses en mode PIXE représentent aujourd'hui plus de la moitié du temps de fonctionnement de l'installation.
 
Principe
 
Le mécanisme de la méthode PIXE se déroule au niveau de l'atome et de son cortège d'électrons. Le scénario se décompose en 3 phases :
 

Illustration animée du
principe physique de base
de la méthode PIXE

1 - En pénétrant dans l'objet à analyser, une particule du faisceau éjecte un électron proche du noyau d'un atome.
 
2 - L'atome ne reste pas dans cet état instable et excité. Le trou laissé est aussitôt comblé par un électron d'une orbite plus extérieure.
 
3 - Lors de ce réarrangement, l'atome émet un rayon X pour libérer son excès d'énergie. Pour chaque élément chimique, l'énergie de ce rayon X est unique.
 

1 - Un accélérateur de particules — tel AGLAE — pour produire le faisceau
 
2 - Un détecteur de rayons X capable de les compter et de mesurer leur énergie
 
3 - Une chaîne électronique pour constituer des spectres de rayons X
 
4 - Un ordinateur avec un logiciel de calcul pour extraire des résultats chiffrés à partir des mesures
 

Panoramique : dosage simultané des éléments compris entre le sodium (Na) et l'uranium (U)
 
Sensible : il est possible de détecter des très faibles teneurs, de l'ordre de la partie par million
 
Rapide : on obtient une analyse en quelques minutes
 
Quantitative : les concentrations sont obtenues avec une bonne précision
 

- Non destructive, sans prélèvement
- Panoramique : mesure simultanée du Na à l'U
- Sensible : mieux que 10 ppm pour 20<Z<30
- Rapide (quelques minutes) : rendement X élevé
- Précise : résultats à ±5 %
- Absolue (sans étalons)
- Analyse de zones microscopiques (microsonde)
- Analyse à pression atmosphérique possible
- Se combine aisément à d'autres méthodes d'analyse par    faisceaux d'ions (réactions nucléaires, rétrodiffusion    coulombienne, etc.)
 

- Ne mesure pas le carbone, l'oxygène, l'azote
- Pas d'information sur les liaisons chimiques
- Méthode d'analyse de surface
- Pas d'information sur la répartition en profondeur
- Impose une cible homogène et plane
- Nécessite un accélérateur de particules et donc un
   investissement coûteux