La spectrométrie de masse par accélérateur (SMA)

La détermination de la quantité de carbone 14 dans un échantillon peut se faire directement par la mesure du nombre de particules bêta émises par le radioisotope ou par comptage des atomes de radiocarbone. Cette dernière technique utilise la spectrométrie de masse par accélérateur (SMA) qui permet de transformer les atomes de carbone de l'échantillon en un faisceau d'ions mesurables par des techniques très sensibles de la physique nucléaire en éliminant une grande partie les isobares du carbone 14.La technique SMA a l'avantage d'utiliser des échantillons d'une taille environ 1000 fois inférieure à celle nécessaire pour le comptage bêta et d'utiliser des temps très courts (environ 30 minutes). Ceci permet un plus grand choix des échantillons représentatifs de l'événement à dater et plus de statistique en utilisant des matériaux différents. La possibilité de multiplier les analyses permet d'établir une chronologie détaillée.La quantité nécessaire pour procéder à l'analyse varie de 5 mg à 2 g selon le matériau et son état de conservation. Le projet national 14C par SMA regroupe, autour d'un nouvel accélérateur Tandétron totalement dédié à la mesure du carbone 14, les laboratoires français des Sciences de la Terre, des Sciences du Climat et de l'Environnement et l'Archéologie et la Muséologie, c'est-à-dire des Sciences de l'Homme et de son Environement. L'accélérateur, fabriqué aux Etat Unis par National Electrostatic Corporation, possède une capacité de 5 000 analyses par an (ce qui multiplie par 5 les possibilités de mesure par SMA en France), une précision améliorée d'un facteur 2 et une quantité de carbone pouvant descendre à 50 µg. Cet accélérateur sera monté sur le site du CEA de Saclay à l'automne 2002 et son utilisation sera coordonnée au sein d'une nouvelle UMS (unité mixte de service). Les premières mesures auront lieu début 2003. Ce projet regroupe divers partenaires : CEA, CNRS (INSU, SC, SHS), Ministère de la Culture, IRD, IRSN. La préparation des échantillons est partagée par le laboratoire de l'UMS et par les laboratoires de préparation du CDRC et du C2RMF.Une journée de travail intitulée Archéologie, patrimoine culturel et datation par le carbone-14 par spectrométrie de masse par accélérateur (SMA), et à laquelle ont participé une centaine d'archéologues, conservateurs et scientifiques concernés par ce nouveau projet, a eu lieu le 22 mars 2002 au C2RMF pour préparer le programme national dans le domaine des sciences humaines et de la muséologie. Le compte-rendu de cette journée 14C se trouve sur le site du Ministère de la culture et de la communication. La découverte de Libby et la calibration de la techniqueLa technique de datation par le radiocarbone a été initiée par Willard Frank Libby de l'Université de Chicago dans les années 50. Libby a reçu le prix Nobel de chimie en 1960 pour la "Méthode d'utilisation du carbone 14 pour la détermination de l'âge en archéologie, géologie, géophysique et dans d'autres disciplines ".La technique a été testée sur des échantillons des tombes égyptiennes entre 2000 et 5000 av J-C et publiée par J. R. Arnold et W. F. Libby dans la revue Science en 1949. Des mesures postérieures ont montré des dates plus jeunes que celles attendues ce qui a nécessité une calibration. Pour connaître la fluctuations de la quantité de carbone 14 dans l'atmosphère dans le temps, les scientifiques ont alors recours à la dendrochronologie pour la période qui couvre les 11 800 dernières années. Au-delà de ces dates c'est les coraux, datés par leur contenu en uranium-thorium, qui permettent d'aller jusqu'à 20 000 ans. Les deux courbes sont reliées par extrapolation et d'autres dates obtenues par cette même technique ont établi une courbe de calibration jusqu'à 40 000 B.P. Les dates radiocarbone s'expriment en années B.P. (before present) c'est-à-dire avant 1950. Pour convertir les dates conventionnelles BP en date de notre calendrier il faut faire intervenir les courbes de calibration publiées dans la revue Radiocarbon. Il faut aussi introduire certaines corrections comme le fractionnement biologique dû à l'absorption différente des isotopes du carbone selon le type de plantes et la correction pour les matériaux marins qui ne contiennent pas les mêmes quantités de carbone 14. L'accélérateur de particules est l'élément central du système AMS. © C2RMF, J. Salomon La préparation des échantillonsPour réussir une datation par le radiocarbone il est essentiel de sélectionner un échantillon représentatif de l'événement à dater et de s 'assurer, par la stratigraphie et le contexte, qu'il ni a pas eu de contamination par du carbone plus récent. Chaque échantillon doit être emballé dans un containeur non contaminant, référencé et porter l'indication de son lieu de trouvaille. Pour les objets de musée il faut signaler l'existence d'un consolidant ou de conservateurs qui contaminent l'objet.Au laboratoire de préparation la surface de l'échantillon (partie la plus contaminée) est éliminée. L'échantillon subit ensuite un traitement chimique selon le type de matériau suivi d'une transformation en dioxyde de carbone et azote. Une partie du gaz est réservé pour la mesure des isotopes stables du carbone et de l'azote ce qui permet d'une part de confirmer le bon déroulement de la séparation chimique et d'autre part de donner des informations sur le type d'alimentation et les conditions climatiques des organismes ainsi que de corriger le fractionnement isotopique. Le reste du gaz est réduit à une pastille de graphite pour mesure à l'accélérateur.