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

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

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