Développement technique
Les activités du CEA sont largement basées sur l’utilisation de techniques d’analyse et d’imagerie scientifique. Le CEA a à sa disposition les équipements de la plateforme instrumentale ANIS (Analyse Non-Invasive par Spectroscopie) qui est composée d’un laboratoire fixe (FixLab) et d’un laboratoire mobile (MoLab).
FixLab
Les équipements principaux du FixLab sont des accélérateurs de particules : 2 accélérateurs de type van de Graaff (2 and 2.5 MV) et un cyclotron à énergie variable de 3 à 20 MeV.
Plus précisément, le CEA développe la ligne de faisceau extrait à l’air libre pour mesures par analyse par faisceau d’ions (PIXE, PIGE, IBIL).
Les méthodes utilisées sont basées sur la détection des rayonnements secondaires produits par les interactions, tant au niveau atomique que nucléaire, d’un faisceau de particules chargées de quelques MeV avec la matière. Ces techniques permettent une analyse multiélémentaire de l’échantillon étudié jusqu’à des concentrations de l’ordre du ppm (part par million). Les quatre principales techniques utilisées dans notre laboratoire sont la PIXE (Particle Induced X-ray Emission), la PIGE (Particle Induced Gamma-ray Emission), la NRA (Nuclear Reaction Analysis) et la RBS (Rutherford BackScattering). La PIXe permet une analyse pour les éléments à partir du sodium, la PIGE et la NRA, pour les éléments légers jusqu’au silicium, la RBS pour quasiment tout le tableau périodique. Il est possible d’obtenir aussi des profils de concentrations avec la RBS et la NRA.
En plus de leur très bonne sensibilité, ces techniques sont généralement non-destructives, rapides et adaptables rapidement à n’importe quel type d’échantillon.Leurs propriétés ont permis de trouver un grand nombre d’applications allant de l’analyse d’échantillons géologiques aux matériaux du patrimoine en passant par les matériaux utilisés dans l’industrie spatiale.
Une ligne du cyclotron (voie 5) a été spécialement dédiée pour ce type d’analyse sur les échantillons fragiles ou trop grands pour être intégré dans les chambres sous vide. Le faisceau d’ions est extrait à l’air libre ce qui permet de réaliser facilement ces analyses. Les techniques PIXE, PIGE et IBIL (Ion Beam Induced Luminescence) ont été implémentées sur cette ligne. Un porte-échantillon spécialement conçu permet de réaliser ces analyses sur des échantillons allant du millimètre au mètre. Un système automatique de déplacement est associé pour réaliser des cartographies élémentaires des échantillons étudiés.
Ce dispositif est principalement utilisé pour les analyses des matériaux du patrimoine, les échantillons géologiques et les échantillons fragiles.
Nous disposons aussi d’une ligne de faisceau extrait “Haute-énergie Haute-résolution” pour l’ analyse par faisceau d’ions (PIXE, PIGE, RBS) (voie 8).
Une ligne de faisceau avec une faible dispersion en énergie (voie 8) a été développée. Un système analogue à la voie 5 a été installé en bout de ligne qui permet de réaliser des analyses PIXE-PIGE mais aussi des profils de concentrations par RBS sur les objets du patrimoine et les échantillons fragiles.
Une chambre sous-vide (Chambre Standard de LIège) est également installée sur cette ligne qui permet des mesures de sections efficaces de rétrodiffusion de particules chargées et de production de rayons X par des faisceaux de protons et hélium allant jusque 10 MeV.
Sur le van de Graaff 3MV, une Ligne de faisceau pour analyse sous-vide par RBS est installée. Cette chambre sous vide permet de réaliser en routine des analyses par RBS ou NRA sur des films minces pour en déterminer la composition et le profil en profondeur (résolution de l’ordre de 10nm).
Une autre ligne de faisceau pour analyse sous-vide permet l’analyse d’échantillons par les techniques RBS, ERDA, PIXE et PIGE.
Sont associées à ces différentes lignes divers détecteurs de rayonnement X (détecteurs Si(LI) et Ge), rayonnement gamma (détecteurs UltraLEGe) et de particules chargées (détecteurs PIPS).
MoLab
Bien que les techniques utilisées existent pour la plupart depuis de nombreuses années, les récents développements technologiques ont permis de miniaturiser les instruments scientifiques, ce qui permet de les rendre transportable tout en gardant des caractéristiques proches des équipements de laboratoire. Ce n’est donc plus l’œuvre qui vient au laboratoire mais le laboratoire qui se déplace.
L'imagerie multispectrale est définie comme l'acquisition d'une même image dans plusieurs régions de longueur d'onde. Dans notre cas, il s’agit d'acquérir une image du tableau dans les régions ultraviolette (UV), visible (VIS), infrarouge (IR) et des rayons X du spectre électromagnétique.
Une documentation photographique haute résolution est ainsi réalisée. Les images grandeur nature en lumière visible et sous lumière ultraviolette sont acquises en utilisant le système de balayage développé par l’Université de Liège et un appareil photo Z7II Nikon avec un objectif AF-S Micro Nikkor 105 mm Nikon. Chaque plan enregistre une zone de 4 cm x 3 cm de la peinture. Les images sont ensuite assemblées en vue panoramique avec le logiciel PTGui pour obtenir une image de plusieurs milliards de pixels.
De plus, la surface de la peinture est examinée avec des microscopes numériques (Dino-Lite) avec un grossissement jusque 400.
L’imagerie hyperspectrale (HSI) permet d’acquérir des images pour lesquelles chaque pixel est constitué d’une information spectrale. Dans notre cas, le domaine spectral considéré est 400 à 1000 nm (Visible et proche infrarouge). La caméra utilisée est la Specim IQ qui donne une image spectrale de 521 x 512 pixels.
La réflectographie IR (IRR) utilise le fait que le rayonnement infrarouge peut pénétrer les couches de peinture et atteindre ainsi la couche sous-jacente. La réflectographie infrarouge tire parti de la baisse du pouvoir couvrant de certains pigments à des longueurs d'onde de 2 μm. La lumière infrarouge est absorbée par des pigments différemment que dans le spectre visible. Ainsi, elle traverse de nombreuses couches de peintures opaques à la lumière visible, mais reste absorbée par certains composants, notamment les couches à base de carbone. La réflectographie IR permet ainsi de séparer certains pigments par leur absorption relative mais aussi de visualiser des changements de composition et le dessin préparatoire qui est généralement réalisé au crayon. La réflectographie infrarouge sera acquise à l'aide d'une caméra Osiris (Opus Instruments) sensible dans la gamme 0,9–1,7 μm et de lampes halogènes.
La radiographie par rayons X est l'une des méthodes d’imagerie scientifique les plus anciennes et les plus largement utilisées pour l'examen des œuvres d'art. Les rayons X sont capables de pénétrer de nombreux matériaux et permettent ainsi un aperçu des couches internes d'une peinture. La transmission des rayons X à travers n'importe quel matériau est inversement proportionnelle au poids atomique des éléments de l'échantillon et à l’épaisseur traversée. Cela signifie que seuls des éléments relativement lourds tels que le mercure ou le plomb et dans une moindre mesure les éléments métalliques autour du fer peuvent arrêter suffisamment les rayons X pour être visibles sur une radiographie. La structure interne du support et du chassis est aussi rendue visible. La radiographie aux rayons X sera réalisée à l'aide d'un système mobile de radiographie digitale avec une source de rayons X à 40 kV (Générateur portable sur batterie IXS1212) et un détecteur Panneau plat portable (43x35cm, pixels de 100μ, scintillateur DRZ - BalteauNDT).
Les deux principales méthodes d’analyse physico-chimique sont la spectrométrie de fluorescence de rayons X et la spectrométrie Raman.
La spectrométrie de fluorescence des rayons X (XRF) est une technique d’analyse des éléments chimiques non invasive ne demandant pas de préparation du matériau à étudier, ce qui la rend particulièrement adaptée pour l’étude des œuvres d’art.
Lors d'une mesure, une zone spécifique de la peinture est irradiée par des rayons X et l'intensité des rayons X émis est enregistrée. Les signaux résultants peuvent être attribués à des éléments spécifiques et, à leur tour, les éléments peuvent ensuite être attribués à des pigments spécifiques, par ex. le mercure peut être associé au vermillon. Récemment, des instruments permettent de scanner l'ensemble du tableau afin d'arriver à une analyse des éléments chimiques complète pour l'ensemble du tableau. On peut alors enregistrer l'intensité des rayons X pour chaque énergie spécifique (et donc pour chaque élément) sur la surface de la peinture entière. Les scans XRF du tableau sont réalisés en utilisant le système développé par l’Université de Liège: système de positionnement de 30cmx30cm, source de rayons X Moxtek avec cible d’argent et détecteur de type SDD Amptek.
La spectrométrie Raman est une technique d’analyse moléculaire qui utilise la diffusion de la lumière. Seule une très petite partie de la lumière incidente est diffusée par l'objet, et la spectroscopie Raman n'utilise qu'une petite fraction de cette lumière diffusée. Les analyses par spectroscopie Raman (RS) sont réalisées avec le dispositif Enwave Optronics (analyseur Raman portable I-Dual-G), en utilisant un laser à 785 nm. Trois spectres Raman sont acquis pour chaque site étudié, avec la puissance laser la plus faible possible pour obtenir des résultats valables.
