WP 2 : PIXXL (Particle Induced X-rays eXpanded to Large objects ligne d’imagerie PIXE à champ large pour l’accélérateur AGLAE)
Responsables du Work Package :
Thomas CALLIGARO, Claire PACHECO, Ina REICHE
Partenaires
OBJECTIFS
Le volet instrumental d’ESPADON vise à développer des outils et des méthodes analytiques spécifiquement conçus pour contribuer à l’Objet Patrimonial Augmenté. Ces nouveaux outils permettront notamment de produire des données l’aide de méthodes analytiques de pointe, spatialisées en 3D à la source et t environnées des métadonnées analytiques.
Dans cette optique, le second workpackage d’ESPADON dénommé PIXXL pour « Particle Induced X-rays eXpanded to Large objects », a pour objectif de doter l’accélérateur de particules AGLAE1 du C2RMF2 d’une nouvelle ligne de faisceau permettant l’imagerie par faisceaux d’ions à large champ (jusqu’à 1 m²) d’objets patrimoniaux de grandes dimensions. PIXXL permettra de collecter des cartographies analytiques (distribution des éléments chimiques) sur de larges zones à la surface de grands objets aux formes complexes, voire sur l’intégralité de leur surface. Directement spatialisées au moment de l’acquisition, les données produites par PIXXL seront spécialement formatées et organisées pour faciliter leur partage au sein d’ESPADON en vue de leur intégration à l’Objet Patrimonial Augmenté.
Intérêt de l’imagerie PIXE à grand champ
L’essor de l’analyse des matériaux à l’aide de faisceaux d’ions produits par accélérateur a permis d’importantes avancées dans la connaissance du patrimoine. La technique PIXE employant des protons de quelques MeV émerge par sa facilité de mise en œuvre et de solides atouts dans ce domaine d’application : ses excellentes performances analytiques (large gamme d’éléments mesurés simultanément, sensibilité aux éléments traces, bonne précision) se combinent à une capacité d’imagerie directement applicable sur l’objet, sans préparation ni dommage. Sa grande efficacité permet d’acquérir rapidement des cartes de répartitions d’éléments chimiques : un spectre est acquis en une fraction de seconde en chaque point de la surface de l’objet, réduisant la dose d’irradiation appliquée et donc le risque de modification. Parfois comparée à l’analyse par fluorescence de rayons X (XRF), méthode très répandue dans l’étude du patrimoine, la méthode PIXE est plus efficace pour les éléments chimiques légers (11<Z < 26) et les éléments plus lourds par leurs raies à basse énergie. De plus, la profondeur analysée (une centaine de µm) qui varie en fonction de l’énergie des protons permet de déterminer la répartition en profondeur des éléments (méthode PIXE différentielle). Enfin, la capacité à déplacer rapidement le faisceau de protons qui est au cœur de la PIXE cartographie, n’a pas équivalent avec des faisceaux de rayons X (Figure animée 5).
Fondé sur une approche innovante et s’appuyant sur des technologies de pointe, PIXXL adopte résolument la vision du programme ESPADON, en parfaite complémentarité et cohérence avec les imageries par rayons X du WP1, les spectroscopies photoniques du WP3 LUMIÈRE, des données localisées spatialement du WP4 en s’appuyant sur l’architecture des données numériques élaborée dans le WP7.
PIXXL relève le défi historique de l’analyse par accélérateur des grands objets : les tableaux de chevalet, panneaux de vitraux, bas-reliefs décorés, etc. Il permet d’extrapoler à grande échelle les progrès accomplis depuis plusieurs années auprès de l’accélérateur AGLAE, grâce à l’Equipex New AGLAE et les programmes de recherche européens, dans le domaine de la cartographie IBA microscopique4, de l’analyse d’objets aux formes complexes5 et de la maîtrise des risques d’irradiation6,7,8. PIXXL repose sur trois piliers :
• La construction d’une ligne produisant un faisceau extrait de protons de 4 MeV focalisé sur 0.2 mm (figure 1). En déplaçant l’objet sous ce faisceau et enregistrant les données avec un système de détection très performant, cette ligne livrera des cartographies élémentaires avec une résolution spatiale permettant de distinguer les plus petits détails visibles à l’œil nu (figure 2).
• La réalisation d’un porte-objet robotisé en X/Y/Z capable de recevoir des objets de grande taille (2m x 2 m) et de les déplacer sous ce faisceau afin d’en cartographier tout ou partie de leur surface (jusqu’à 1 m²) en tenant compte de leur forme grâce à un scanner optique 3D.
• L’intégration d’un système de vision et de capteurs optiques (spectres de réflectance et de photoluminescence) et chimiques (composition élémentaire par LIBS et moléculaire par SWIR) permettant de monitorer en temps-réel la zone analysée afin de prévenir tout risque de d’altération des objets sous faisceau.
INSTRUMENTATIONS
L’analyse des œuvres du patrimoine à l’aide de radiations ionisantes comme un faisceau de protons peut induire des modifications dans les matériaux fragiles et affecter leurs propriétés mécaniques, optiques ou chimiques. Les communautés scientifiques et du patrimoine ont mis au point deux stratégies pour sécuriser l’analyse par radiations :
1) appliquer le protocole ALARA – As Low As Reasonably Achievable – préconisant l’exposition minimale permettant d’obtenir l’information recherchée, tout en restant sous le seuil d’endommagement des matériaux les plus sensibles, et
2) enregistrer les mesures au sein d’un ‘passeport d’irradiation’ pour garder la mémoire des zones exposées et éviter un cumul d’expositions préjudiciable. Avec PIXXL, les données d’irradiation seront systématiquement localisées et enregistrées dans le passeport d’irradiation, qui sera lui-même intégré à l’OPA.
S’il est possible de déterminer les limites de dose à ne pas dépasser pour les matériaux les plus fragiles, du fait de leur complexité leur comportement sous faisceau reste imprévisible. Une solution consiste à rester largement sous le seuil d’endommagement et à surveiller l’objet sous le faisceau en temps réel.
Certaines des méthodes développées dans le cadre d’ESPADON (par ex. projet MONIONS) ont pour objectif de développer et d’intégrer des moniteurs de dommages, basés sur des méthodes optiques (spectrométries de réflectance et de photoluminescence) et chimiques (analyse élémentaire par spectrométrie laser (LIBS) et moléculaire par infrarouge ondes courtes (SWIR).
A l’instar de toutes les données produites par New AGLAE, celles délivrées par la ligne PIXXL seront intégrées dans la plateforme Euphrosyne, dont le prototype est déployé à New AGLAE depuis 2022 et toujours actuellement en développement avec le SNUM du ministère de la Culture. Cette plateforme donnera aux utilisateurs français et étrangers l’accès à distance à l’ensemble des données FAIR produites par PIXXL ainsi qu’aux logiciels de traitement.
Formats des données
Les données produites par PIXXL s’appuieront sur de nouveaux formats d’archivage, à la fois flexibles et évolutifs ainsi qu’interopérables et pérennes (FAIR). Les format ouverts et publics comme HDF5 seront favorisés, permettant l’interopérabilité des données produites au sein d’ESPADON par les WP instrumentaux (WP1, 2
3 et 4) et celui dédié aux données (WP7). Les missions thématiques permettront d’harmoniser cet aspect au sein d’ESPADON : PIXXL est naturellement impliqué dans la mission sur l’interopérabilité instrumentale et les stratégies analytiques, mais aussi dans celle interopérabilité des données et leur accessibilité dans le système d’information ainsi que dans la mission de la spatialisation 3D et intégration des données 2D multi-échelle.
Au niveau international, dans le contexte de l’ERIC E-RIHS, la ligne PIXXL sera accessible à tout chercheur dans le cadre d’un accès transnational. Les données de recherche produites par la future ligne PIXXL seront accessibles via DIGILAB, l’accès aux données numériques.
Traitement des données
De nouvelles méthodes, fondées notamment sur l’intelligence artificielle, seront mises à profit pour relever le challenge du traitement couplé de ces grands volumes de données multimodal. Les premières approches couplant les cartographies obtenues par XRF, réflectance et photoluminescence montrent un potentiel très important de celle approche9,10. Tous ces aspects sont développés en étroite collaboration avec le WP7 sur les données numériques.
Exemple
La Vierge et l’Enfant entre deux candélabres, dite aussi Madone aux candélabres
Stuc polychromé d’après Antonio Rosselino (1427-1479), Musée des beaux-arts de Strasbourg, inv MBA 587
Cet objet de grande taille (77 cm x 52 cm x 10 cm), relativement lourd (30 kg) et possédant un relief considérable (Figure 2) permet d’illustrer l’approche de PIXXL.
Après avoir été placé sur un chevalet motorisé, un modèle 3D de la surface du stuc (https://sketchfab.com/3d-models/rossellino-madone-aux-candelabres-e080a2d029bd4b3695001d50e1b23fc3) a été capté par un digitaliseur 3D. Sur la base de ces coordonnées spatiales Les coordonnées spatiales des points du modèle (figure 3) permettent le positionnement de l’objet sous le faisceau et la spatialisation des cartes de composition au sein de l’OPA.
Le stuc est déplacé mécaniquement à faible vitesse (2 mm par seconde) devant le faisceau de l’accélérateur défléchi rapidement dans la direction verticale par un champ magnétique, tout en maintenant à chaque instant sa surface (figure 3) au point focal du dispositif (voir animation 5). Les détecteurs collectent des rayons X émis par les matériaux de la surface de l’objet, ici les couches picturales de la polychromie. Le traitement des datacubes enregistrés fournit une imagerie des éléments chimiques présents, ici celles de l’or des dorures et du mercure du pigment vermillon (figure 4), utiles pour appréhender la technique artistique et guider la restauration de l’objet.
Figure 2 : Stuc polychromé La Vierge et l’Enfant entre deux candélabres, dite aussi Madone aux candélabres, d’après Antonio Rosselino et sa surface en relief.
Figure 3 : Modèle 3D de la surface du stuc enregistré par un scanner optique juste avant l’analyse, avec les points de spatialisation
Figure 4: Balayage combinant déflection de faisceau et déplacement de l’objet pour obtenir des cartes de répartition chimiques (ici mercure et plomb de la polychromie).
L’analyse des œuvres du patrimoine à l’aide de radiations ionisantes comme un faisceau de protons peut induire des modifications dans les matériaux fragiles et affecter leurs propriétés mécaniques, optiques ou chimiques. Les communautés scientifiques et du patrimoine ont mis au point deux stratégies pour sécuriser l’analyse par radiations :
1) appliquer le protocole ALARA – As Low As Reasonably Achievable – préconisant l’exposition minimale permettant d’obtenir l’information recherchée, tout en restant sous le seuil d’endommagement des matériaux les plus sensibles, et
2) enregistrer les mesures au sein d’un ‘passeport d’irradiation’ pour garder la mémoire des zones exposées et éviter un cumul d’expositions préjudiciable. Avec PIXXL, les données d’irradiation seront systématiquement localisées et enregistrées dans le passeport d’irradiation, qui sera lui-même intégré à l’OPA.
S’il est possible de déterminer les limites de dose à ne pas dépasser pour les matériaux les plus fragiles, du fait de leur complexité leur comportement sous faisceau reste imprévisible. Une solution consiste à rester largement sous le seuil d’endommagement et à surveiller l’objet sous le faisceau en temps réel.
Certaines des méthodes développées dans le cadre d’ESPADON (par ex. projet MONIONS) ont pour objectif de développer et d’intégrer des moniteurs de dommages, basés sur des méthodes optiques (spectrométries de réflectance et de photoluminescence) et chimiques (analyse élémentaire par spectrométrie laser (LIBS) et moléculaire par infrarouge ondes courtes (SWIR).
A l’instar de toutes les données produites par New AGLAE, celles délivrées par la ligne PIXXL seront intégrées dans la plateforme Euphrosyne, dont le prototype est déployé à New AGLAE depuis 2022 et toujours actuellement en développement avec le SNUM du ministère de la Culture. Cette plateforme donnera aux utilisateurs français et étrangers l’accès à distance à l’ensemble des données FAIR produites par PIXXL ainsi qu’aux logiciels de traitement.
Formats des données
Les données produites par PIXXL s’appuieront sur de nouveaux formats d’archivage, à la fois flexibles et évolutifs ainsi qu’interopérables et pérennes (FAIR). Les format ouverts et publics comme HDF5 seront favorisés, permettant l’interopérabilité des données produites au sein d’ESPADON par les WP instrumentaux (WP1, 2
3 et 4) et celui dédié aux données (WP7). Les missions thématiques permettront d’harmoniser cet aspect au sein d’ESPADON : PIXXL est naturellement impliqué dans la mission sur l’interopérabilité instrumentale et les stratégies analytiques, mais aussi dans celle interopérabilité des données et leur accessibilité dans le système d’information ainsi que dans la mission de la spatialisation 3D et intégration des données 2D multi-échelle.
Au niveau international, dans le contexte de l’ERIC E-RIHS, la ligne PIXXL sera accessible à tout chercheur dans le cadre d’un accès transnational. Les données de recherche produites par la future ligne PIXXL seront accessibles via DIGILAB, l’accès aux données numériques.
Traitement des données
De nouvelles méthodes, fondées notamment sur l’intelligence artificielle, seront mises à profit pour relever le challenge du traitement couplé de ces grands volumes de données multimodal. Les premières approches couplant les cartographies obtenues par XRF, réflectance et photoluminescence montrent un potentiel très important de celle approche9,10. Tous ces aspects sont développés en étroite collaboration avec le WP7 sur les données numériques.
Exemple
La Vierge et l’Enfant entre deux candélabres, dite aussi Madone aux candélabres
Stuc polychromé d’après Antonio Rosselino (1427-1479), Musée des beaux-arts de Strasbourg, inv MBA 587
Cet objet de grande taille (77 cm x 52 cm x 10 cm), relativement lourd (30 kg) et possédant un relief considérable (Figure 2) permet d’illustrer l’approche de PIXXL.
Après avoir été placé sur un chevalet motorisé, un modèle 3D de la surface du stuc (https://sketchfab.com/3d-models/rossellino-madone-aux-candelabres-e080a2d029bd4b3695001d50e1b23fc3) a été capté par un digitaliseur 3D. Sur la base de ces coordonnées spatiales Les coordonnées spatiales des points du modèle (figure 3) permettent le positionnement de l’objet sous le faisceau et la spatialisation des cartes de composition au sein de l’OPA.
Le stuc est déplacé mécaniquement à faible vitesse (2 mm par seconde) devant le faisceau de l’accélérateur défléchi rapidement dans la direction verticale par un champ magnétique, tout en maintenant à chaque instant sa surface (figure 3) au point focal du dispositif (voir animation 5). Les détecteurs collectent des rayons X émis par les matériaux de la surface de l’objet, ici les couches picturales de la polychromie. Le traitement des datacubes enregistrés fournit une imagerie des éléments chimiques présents, ici celles de l’or des dorures et du mercure du pigment vermillon (figure 4), utiles pour appréhender la technique artistique et guider la restauration de l’objet.
Figure 2 : Stuc polychromé La Vierge et l’Enfant entre deux candélabres, dite aussi Madone aux candélabres, d’après Antonio Rosselino et sa surface en relief.
Figure 3 : Modèle 3D de la surface du stuc enregistré par un scanner optique juste avant l’analyse, avec les points de spatialisation
Figure 4. Balayage combinant déflection de faisceau et déplacement de l’objet pour obtenir des cartes de répartition chimiques (ici mercure et plomb de la polychromie).
ACTUALITÉS
Après la conception du workpackage PIXXL, une phase de tests intensifs a été menée en aout 2022 pour valider le concept et les choix techniques, tant du point de vue des prérequis de l’accélérateur AGLAE que de la capacité à effectuer des cartographies de grande taille et les résultats publiés11. Un marché public a été lancé en juin 2023 pour l’acquisition des éléments de la nouvelle ligne de faisceau et l’intégration de son pilotage dans le contrôle de l’accélérateur AGLAE. Les fournisseurs ont été choisis et notifiés en décembre 2023. L’installation des premiers éléments est planifiée pour le printemps 2024, avec la mise en place simultanée des infrastructures de radioprotection dans la salle de l’accélérateur. En parallèle, le programme MONIONS (développement de moniteurs des matériaux fragiles sous faisceaux d’ions) sur les couches picturales, notoirement fragiles a été initié grâce à un financement du CNRS
ANR-21-ESRE-0050
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© 2023 Fondation des Sciences du Patrimoine. Tous droits réservés.
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