La spectrométrie de fluorescence X/ X-Ray fluorescence spectrometry
Analyseur de fluorescence X, µXRF (©IRAMAT) et analyses en cours par pXRF à l’IRAMAT (©Bossavit, IRAMAT) et au CRAHAM (©CRAHAM).
Analyser des objets avec des rayons X, comment ça marche ?
La spectrométrie de fluorescence X est une méthode d’analyse élémentaire dite « de surface », non-destructive, fondée sur l’interaction d’un faisceau incident de rayons X, avec le matériau que l’on cherche à étudier. Les rayons X émis suite à cette interaction sont caractéristiques des éléments présents dans le matériau. Leur détection peut s’effectuer en dispersion de longueur d’onde (WD) ou, méthode la plus répandue, en dispersion d’énergie (ED). Il s’agit d’une technique d’analyse rapide qui permet d’identifier sans aucune préparation les principaux constituants des matériaux et de quantifier leurs teneurs élémentaires. Afin de limiter les effets de l’enrichissement de surface ou autre type de corrosion du matériau qui peuvent fausser de manière parfois conséquente les résultats analytiques, il est toutefois fortement conseillé de préparer la surface de l’échantillon à analyser. Il s’agit le plus souvent de décaper mécaniquement ou chimiquement une partie de l’objet pour dégager une zone de métal sain. Dans le cas d’une analyse qualitative visant à déterminer l’alliage de l’objet étudié, par exemple pour distinguer un laiton (cuivre-zinc) d’un bronze (cuivre-étain), ce type de préparation n’est pas nécessaire.
Un dispositif mobile au cœur des collections
La version portative de la XRF (pXRF, ou HH-XRF dans la littérature anglo-saxonne pour « hand-held XRF ») est largement répandue dans les laboratoires d’archéométrie. Cet équipement permet d’effectuer des analyses in situ et peut ainsi être utilisé sur le terrain, dans différentes collections muséales publiques, etc.
Tous les laboratoires partenaires du projet ANR Celtic Brass Coins sont équipés d’instruments XRF pour l’analyse de matériaux du patrimoine.
Quels dispositifs sont présents dans les laboratoires partenaires ?
IRAMAT
Le Centre Ernest-Babelon (Orléans) dispose, depuis 2001, d’un micro-spectromètre de fluorescence X ARTAX (Bruker) offrant la possibilité de moduler le diamètre du rayonnement X incident entre 1,5 et 0,2 mm (Fig. 1). Il est donc particulièrement intéressant pour analyser des objets de toutes petites dimensions ou des zones précises d’un objet composite (inclusion, dépôt, soudure…). Il est aussi adapté aux surfaces fragiles (enluminures, peintures, etc.) car la géométrie d’analyse ne nécessite pas de contact entre l’instrument et l’objet étudié. C’est un équipement transportable dans les musées, bibliothèques, etc.
Une pXRF, de modèle NITON XL5+ (Thermofischer), a été acquise au laboratoire grâce au financement ANR Celtic Brass Coins. Cet équipement permettra de mener à bien le volet analytique prévu dans le cadre du projet.
Le LAPA (Saclay) dispose depuis 2015 d’une pXRF de type NITON XL3t GOLDD+ (Thermofischer). Cet appareil a été calibré pour l’analyse d’alliages métalliques hétérogènes à base de cuivre, mais est surtout utilisé sur des matériaux ferreux ainsi que sur différents terrains archéologiques.
CRAHAM
Le CRAHAM est équipé d’un Niton XL3t (Thermofischer), analyseur par fluorescence-X portable. Il est employé pour l’analyse des sols, céramiques ou des métaux et alliages (monnaies).
Fig. 1 : Caractéristiques des appareils dont disposent les laboratoires partenaires
Analysing objects with X-rays, how does it work ?
X-Ray fluorescence spectrometry is a “surface”, non-destructive elemental analysis method, based on the interaction of an incident X-ray beam matter we seek to study. The radiation induced by this interaction are characteristic of the chemical elements present in the material. These can be detected in wavelength (WD) or energy dispersion (ED). It is a fast analysis method which can identify the main components of a material or of the inclusions present in said material. In order to limit the effects of surface enrichment and other types of corrosion which can sometimes greatly affect analytical results, it is however strongly advised to prepare the samples. This mainly consists in mechanical or chemical cleaning of part of an object to clear out an area of sound metal.
A portable device at the core of collections
The portable version of the XRF (pXRF, or HH-XRF for “hand-held XRF”) is widely represented in archaeometry labs. Miniatured, this equipment allows to lead in situ analyses and can as such be used in the field, in different public museum collections, etc. When the objects are of small dimensions, such as coins or other small items, the pXRF scanner is preferably used with an enclosure to prevent X-rays exposure risks.
Different devices have been developed for the study of heritage materials and are available in the labs that have partnered with the IRAMAT-CEB for the Celtic Brass Coins project. All laboratories involved in this ANR project are equipped with pXRF devices.
Which equipment are present in the partners’ labs ?
IRAMAT
The Ernest-Babelon centre (Orléans) has, since 2001, an X-ray micro-spectrometer ARTAX (Bruker) with adjustable X-rays incident beam diameters between 1.5 and 0.2 mm (Fig. 2) It is especially interesting for the study of small sized objects or specific areas of a composite object (inclusion, deposits, welds…). It is also suitable for fragile surfaces (illumination, parchment, etc.) because the analysis geometry does not require contact between the instrument and the studied object. This equipment can be transported to museums, libraries, etc.
A NITON XL5+ pXRF has been acquired by the lab thanks to the ANR funding. This equipment will allow the analytical development of the project.
The LAPA (Saclay) is equipped since 2015 with a Niton XL3t GOLDD+ portable X-Ray fluorescence scanner (Thermofischer), which has a Ag tube of 50kV and an SDD detector. This device has been calibrated for the analysis of heterogeneous metals of copper-bases, but is mostly used on ferrous materials and different archaeological terrains
CRAHAM
The CRAHAM is equipped with a Niton XL3t, portable x-ray fluorescence scanner which allows for precise and non-destructive measurements of the elemental chemical composition of materials. It is used for the analysis of soils, ceramics of metals and their alloys (coins).
Fig. 2 : Characteristics of the devices available at the projects’ partner labs.
Pour aller plus loin/ for further information :
https://iramat.cnrs.fr/spectrometrie-de-fluorescence-x/
https://www.craham.cnrs.fr/la-recherche/services-specialises/archeometrie-ceramologie/#note3
Calligaro, T., Castelle, M., Lebon, M., et G. Mauran, Analyse par fluorescence des rayons X portable: quantification, imagerie, où en est-on?, Instrumentation portable. Quels enjeux pour l’archéométrie ?,C. Benech, N. Cantin, M.-A. Languille, A. Mazuy, L. Robinet, A. Zazzo (éd.), France, 2019, p. 21‑42.
Dussubieux, L., Pinchin, S.E., Tsang, J., et C.S. Tumosa, Non-destructive elemental analysis: reliability of a portable X-ray fluorescence spectrometer for museum applications, I. Verger (éd.), ICOM Committee for Conservation 14th Triennial Meeting The Hague 12-16 September 2005, London, 2007, p. 766‑773.
Ferretti, M., The investigation of ancient metal artefacts by portable X-ray fluorescence devices, J. Anal. At. Spectrom., 29, 10, 2014, p. 1753‑1766.
Vega, E., Les appareils de fluorescence X portable, Dillmann, D., et Bellot-Gurlet, L., Circulation et provenance des matériaux dans les sociétés anciennes, Sciences archéologiques, Paris, 2014, p. 299-307.