25 août 2004

Loïc BERTRAND Interface Archéologie et patrimoine culturel

Relations industrielles et grands enjeux de SociétéSynchrotron SOLEIL

Nouvelles lumières sur le Patrimoine

Note importante : pour des raisons de droits, certaines images présentées ont été retirées de ce document.

225 août 2004 2

quelques mots sur l'histoiredu rayonnement synchrotron

1944 : postulat théorique (Ivanenko et Pomeranchuk, URSS)

1947 : observation expérimentale à l'Institut Lebedev de Moscou et par Pollack aux États-Unis

rayonnement synchrotron observé sur le synchrotron à 70MeV de General Electrics

D. R

.

325 août 2004

• accélération de particules chargées• ici, sous l'effet d'un champ magnétique

syn

chro

tro

n S

OL

EIL

• phénomène parasite de la physique des particules• source de lumière extrêmement brillante de

l’infrarouge lointain aux rayons X durs

425 août 2004

• 1961 : construction de SURF (synchrotron ultraviolet radiation facility) aux États-Unis, d'AdA en Italie…

• interactions lumière - matière• très nombreuses applications en recherche fondamentale

et appliquée (physique, chimie, sciences de l’environnement, biologie, médecine,… patrimoine)

syn

chro

tro

n S

OL

EIL

525 août 2004

les spécificités du rayonnement synchrotron• faisceau blanc «monochromatisable»• très intense acquisition rapide• faible divergence diffraction HR

• pulsé exp. résolues en temps• cohérence de phase microscopie• polarisé

625 août 2004

extrême brillance• fl ux émis divisé par la surface

et le cône d’émission de la source

• tube à rayons X : 10h sur une mèche ≈100 cheveux

• synchrotron : 10s sur 1 cheveu en µdiffraction 5x5 µm2

D. R

.

725 août 2004 7

progression des performances des sources de rayonnement

syn

chro

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OL

EIL

825 août 2004sy

nch

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SO

LE

IL

• anciens collisionneurs• source pulsée (paquets) : 50 ps / 150 ns

première génération de synchrotrons, aimants de courbure

quelques installation• 1961-1974 : SURF (Washington, États-Unis)• 1975-2003 : DCI à LURE (Orsay, France)

925 août 2004

rayonnement émis dans un cône d'angle en 1/γ ~ 1 mrad

γ=E

me c2

e-

B

z

B(z) = B0 cos2πzλu

1025 août 2004

deuxième génération de sources de lumière, installations dédiées et onduleurs• interférences cohérentes le long des N périodes :

raies discrètes de largeur spectrale en 1/N et d’intensité en N2

• longueurs d’onde émises

λn =1+K2/2

2nγ2 λu

• émission dans un cône d’ouverture en 1/(γ N1/2), donc brillance accrue

quelques installations• 1981-2006? : SRS (Daresbury, UK)• 1987-2003 : SuperACO (Orsay, France)

syn

chro

tro

n S

OL

EIL

1125 août 2004

troisième génération de synchrotrons, exemple de SOLEIL• machines optimisées

pour les onduleurs• meilleur contrôle des

paquets d'électrons (basse émittance)

quelques installations• 1994-… : ESRF (Grenoble, France)• 2006-… : SOLEIL (Saint-Aubin, France

syn

chro

tro

n S

OL

EIL

1225 août 2004

caractéristiques du synchrotron SOLEILoptimisé pour les rayons X mousénergie nominale 2,75 GeVcirconférence 354 m

350 personnes (2006)CNRS (72%) - CEA (28%)construction 281 M€fonctionnement (2006-9) 112 M€

syn

chro

tro

n S

OL

EIL

1325 août 2004

rayonsgamma rayons X UV VIS IR micro-

ondes

0,001Å 0,01Å 0,1Å 1Å 1nm 10nm 100nm 1µm 10µm 100µm 1mm 1cm 10cm

10MeV IMeV 100keV 10keV 1keV 100eV 10eV 1eV 0,1eV 10meV 1meV 0,1meV 10µeV

• spectroscopies• microscopies• …

• fl uorescence• absorption• diffraction• diffusion• …

1425 août 2004

méthodes microfaisceaux couplage

} 3x3 µm2

µspéciationfluorescence XXANES

µstructure / texturetomographie Xfluotomographie Xdiffraction Xinfrarouge

} 0,2x0,2 µm2

} 0,7x0,7 µm2µtomographie Xµinfrarouge

µfluorescence X

20 µm

F. B

rik

i et

al.

couplage de méthodes microfais-ceau pour l'étude d'une section de cheveu

1525 août 2004

syn

chro

tro

n S

OL

EIL

200610 lignes

200924 lignes

???42 lignes

1625 août 2004

A

C

B

syn

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OL

EIL

1725 août 2004

contraintes• distribution angulaire des vitesses des électrons inférieure

à 1/γ N1/2

à SOLEIL avec N=100 : 18 µrad (4")

• grande brillance = petites dimensions transverses des paquets d’électrons (effets d'émittance)

dans les aimants 15 µm x 150 µm (hxL)

• stabilisation au micromètre du faisceau sur les 354m de circonférence

extrême focalisation : centaines d’aimants de focalisation stabilité du sol à 1µm sur 10m sur une heure !

1825 août 2004

how samples were collected?

18

recensement des potentialités de SOLEIL pour le patrimoine et l'archéologie

spécificité des matériaux du Patrimoine• échantillons prestigieux

vs. grandes séries d'échantillons archéologiques• acteurs spécifiques : laboratoires, musées, etc.

pourquoi un tel projet ?• enjeux de Société : environnement, patrimoine…• meilleure articulation• «spécificité» culturelle de l'Europe• expérience des synchrotrons français (LURE, ESRF)• intérêt du public

1925 août 2004

variété• minéraux ou organiques• amorphes ou structurés

hétérogénéité

rareté• objets uniques• coût, fragilité

petites zones d'analyse

analyse dans l’air & environnement de l’échantillon

non portable déplacement

non-destructivité

versatilitécouplage

micro-faisceaurapidité grands objets

• environnement, médecine

2025 août 2004

détection, quantification et spéciation d’éléments-traces• fluorescence des rayons X• absorption des rayons X

structure atomique ou moléculaire• diffraction / diffusion des rayons X• microscopie infrarouge

structure à l’échelle microscopique• tomographie• microscopie des rayons X

+ nouveaux développements• datation

edge

amide I

amides A/B

amide II

SO

νCO

νOH + νNH

amide IIIalkyles

alkyles

850900

9501000

10501100

11501200

850900

9501000

10501100

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900

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800

900

1000

1100

1200

/home/bertrand/m

anips/DIFF/LS1735/Sources/fram

e12/frame12_0318.m

ccd

Colum

ns

80100

120140

160180

200220

240260

IntensityRows

2125 août 2004

• connaissance des matériaux du Patrimoine culturel : - identification chimique et structurale - datation (histoire, muséographie)

• compréhension des processus de préservation des matériaux à long-terme

• histoire de l’art et des techniques

• conservation et restauration des oeuvres et objets, identification des modes de dégradation (conservation préventive)

• communication et culture scientifique

accords cadre CNRS - Ministère de la Culture (11.06.03)

2225 août 2004

…mais avec un fort potentiel

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Publications sur des thèmes archéologie / Patrimoineutilisant le rayonnement synchrotron

(source L. Bertrand)

Méthodes mises en œuvre par les laboratoires travaillant sur les matériaux anciens

(source Labs-TECH / L. Bertrand au 01.03.2003)

0 25 50 75 100

Optical microscopyPhotography

Electron microscopyInfrared

X-ray diffractionChromatography

ColorimetryRadiography

Environmental weatheringX-ray fluorescence

DigitizationUV-visible

Chromatography / MSThermal analysis

Mass spectrometryOther material char.Mechanical testingAtomic absorption

RamanOther

Atomic emissionDating

Other non-destructive testingIon beam analysis

Surface analysis techniquesMossbauer

Synchrotron analysisActivation analysis

Atomic force microscopyNMR

Photogrammetry

1 - IR2 - XRD

3 - XRF

un domaine émergent…

2325 août 2004

modes de productiontechniques artistiquescontribution à l'authentification

couches picturales : pigments surfaces : lustre, glaçures métaux céramique verre encres cosmétiques

voies commerciales et sites de production

pierres précieuses métaux silex

processus de dégradation et de corrosionconservation préventive

couches picturales métaux verretissus biologiques textiles bois papier

nutritionpaléopathologies

os dents peau cheveux restes alimentaires

2425 août 2004

how samples were collected?

24

identification de pigments verts du peintre catalan Jaume Huguet (1415-1492)• difficiles à identifier• composés à base de cuivre

• mélanges complexes• faible cristallinité

• Identification of copper-based green pigments in Jaume Huguet’s Gothic altarpieces by Fourier transform infrared microspectroscopy and synchrotron radiation X-ray diffraction. N. Salvado et al.. J. Synchrotron Radiat., 9:215–222, 2002.

méthodes classiquesmicroscopie électronique à balayagefluorescence des rayons XµRaman

quelques illustrations

2525 août 2004

identification• µdiffraction (SRS)• procédés• recettes de fabrication

N. S

alv

ado

et

al.

N. S

alv

ado

et

al.

2625 août 2004

corrosion des alliages ferreux• préservation exceptionnelle• env. 500 ap. J.-C.

teneur élevée en phosphate• minerai ou charbon• pas de déphosphoration

• Characterization of protective rust on ancient indian iron using microprobe analyses. Ph. Dillmann, R. Balasubramaniam et G. Beranger. Corrosion Sci., 44(10):2231–2242, Oct 2002.

méthode classiquediffraction des rayons X

identification des phases cristallines• µdiffraction sur synchrotron (LURE)• goethite + Fe2(PO4)(OH)

2725 août 2004

1350

1400

1450

1500

1550

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fram

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0220

.mcc

d to

fram

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0236

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Col

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100

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200

Inte

nsity

Rows

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tens

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Rows

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1400

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2000

fram

e12_

0220

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d to

fram

e12_

0236

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Col

umns

5010

015

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0In

tens

ity

Rows

9,8 Å

5,15 Å

88 Å102

103

104

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

88 Å

45 Å 28 Å

filamentsintermédiaires

inclus dans la matrice

102Å.√3/2 = 88 Å

5,15 Å

9,8 Åcoiled-coil

de kératine

470 Å

800

850

900

950

1000

1050

1100

1150

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800

850

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0220

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Col

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200

210

Inte

nsity

Rows38e

ordre

19e

ordre

7e

ordre

image de diffraction d'un cheveu de la momie M2 (ESRF ID13)

structure et texture des kératines• microscopie électronique• diffraction de rayons X

• cheveux, os et dents• conditions contrôlées• vieillissement sur

103 années

préservation de l'architecture des kératines de l'angström au millimètre

L. B

ert

ran

d

2825 août 2004

méthodes classiquesdosages macroscopiques parfluorescence ou ICP-MS/AES

éléments traces• pathologies, nutrition• usages cosmétiques

distributions élémentaires• fortement hétérogènes• surface• sels de momification, cosmétiques

• Microbeam synchrotron imaging of hairs from Ancient Egyptian mummies L. Bertrand et al. J. Synchrotron Rad. 10(5) (2003) 387-92

cartes de µfluorescence X d’une section de cheveu de la momie

M2 (ESRF ID22, µmol/g)

Ca 93x 4

S 1,3.103

≈

Mn 0,16x 2

Fe 1,4x 2

100

µm

L. B

ert

ran

d

2925 août 2004

difficultés• domaine pluridisciplinaire• utilisateurs peu habitués• financement

3025 août 2004

0. un correspondant

1. accès facilité pour• des expériences à long-terme (routine statistique)• un accès rapide (expertise, aide à l'authentification)

2. support• expertise en caractérisation et traitement de données• environnement échantillon• circulation des échantillons• actions de formation et communication ciblées

3. une ligne patrimoine à SOLEIL ?

4. relation avec les laboratoires et musées

3125 août 2004

quelques réalisations• recensement des possibilités• SOLEIL, membre du groupement de recherches

"Matériaux du patrimoine et synchrotron SOLEIL" du CNRS

• Journées européennes du patrimoine

complémentarité aves instruments portatifs Jean-Pierre Mohen, demain à 9h30