Analyse et imagerie élémentaire in situ à profondeur définie des œuvres peintes par fluorescence X en mode macro et confocal – DepthPaint

Les méthodes utilisées sont principalement basées sur la fluorescence X (FX):
-Macro-FX: l’équipement comporte une tête montée sur une platine X-Y motorisée permettant un déplacement le long de l'œuvre. La tête comprend un générateur de rayons X, un détecteur SDD de rayons X et une caméra microscope. Un collimateur est situé à l'extrémité de la source de rayons X pour projeter un faisceau parallèle. Le détecteur est placé à une distance de 15 mm de la surface des peintures. Les données (une matrice de pixels contenant chacun un spectre) sont stockées au format EDF, et traitées avec le programme open source PyMCA, permettant d’obtenir des cartographies élémentaires en noir et blanc au format PNG.
-FX en mode confocal (CXRF) : l’appareil (LouX3D) utilise un système confocal composé de deux optiques à rayons X, une lentille de type full-lens dans le canal d'excitation à la sortie du tube à rayons X et une autre du type poly-CCC devant le détecteur, un micro-volume ellipsoïdal peut ainsi être défini par le chevauchement des focii des deux optiques. L'œuvre d'art est déplacée dans le volume de sondage avec une précision de l'ordre du micromètre, un balayage en profondeur peut être effectué, permettant d'explorer les distributions élémentaires à l'intérieur de l'échantillon. Les distances à l’œuvre sont de 6-11mm. Dans ce dispositif, l'objet est placé sur une platine X-Y-Z motorisée, et éloigné de la tête de mesure. La gamme d'énergie des systèmes est limitée par la transmission de l'optique entre 3 et 20 keV. Le temps d'acquisition par spectre à chaque profondeur d'analyse est d’autour de 100 s. Les spectres FX obtenus pour chaque valeur de profondeur sont ajustés à l'aide du programme PyMCA afin d’obtenir une représentation normalisée des intensités des éléments dans chaque profondeur, indiquant la localisation des différentes couches.
-FX portable (FX-1D) : est une méthode efficace, rapide, non-invasive, sûre et solidement établie pour mesurer des points isolés sur des œuvres d'art et obtenir des informations sur la composition élémentaire, en utilisant un faisceau de rayons X de petit diamètre et un détecteur.
-µFX au synchrotron : similaire à la FX ponctuelle, utilise comme source des rayons X produits par un synchrotron, typiquement avec un diamètre du faisceau de quelques µm.
-Analyse de coupes stratigraphiques par MEB-EDX : les coupes transversales sont analysées à l'aide d'un microscope électronique à balayage couplé à la spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie.
-Imagerie hyperspectrale : technologie aussi nommée Reflectance imaging spectroscopy, permettant d'obtenir l'image d'un tableau résolue dans un grand nombre (généralement plus d'une centaine) de bandes spectrales. Grâce à la représentation des bandes spectrales en deux dimension la répartition de certains pigments peut être visualisée sur la peinture.

Durant ces premiers 18 mois, la plupart des objectifs fixés ont été atteints :
-Recrutement du doctorant et sa formation aux différents équipement de FX et traitements de données. Familiarisation efficace avec l’analyse des œuvres précieuses du patrimoine culturel (une mission à la grotte de Font–de-Gaume pour discuter la démarche à suivre lors des prochains analyses, formation à la FX portable avec des tableaux de grande taille à l’atelier du C2RMF de Versailles, analyses d’échantillons préhistoriques à la ligne PUMA du synchrotron SOLEIL)
- Constitution de l’état de l’art dans le domaine de l’analyse FX en mode confocal. Comparaison des équipements existants dans différents laboratoires
- Remise en état du l’ancien équipement CXRF LouX3D et test de ses performances avec des échantillons métalliques minces, montrant que le dispositif continuait à fonctionner de façon correcte, et analyse d’un tableau test.
-Premières analyses complètes d’un tableau en cours de restauration au C2RMF « Vierge à l’Enfant entourée de saints et donateur ». Rapports sur les analyses de FX-2D et en mode confocal combinées montrant d’une façon non-invasive les modifications complexes de cette peinture. Des informations dans trois zones d’intérêt du tableau ont été trouvées avec l’analyse de quatre coupes stratigraphiques analysées avec MEB-EDX et scan latéral (y) avec le prototype de CXRF LouX3D, traitement des données obtenues avec la FX-2D, 22 profils en profondeur (z) avec le dispositif de FX en mode confocal LouX3D et l’imagerie hyperspectrale. Les différents résultats ont été montrés lors des conférences inART 2022, MA-XRF 2022, et un article en cours de soumission (proceedings inART).
-Traitement des données de l’analyse et de l’imagerie chimique par micro-FX et absorption X obtenues en 2020 à la ligne PUMA du synchrotron SOLEIL d’échantillons calcaires de la grotte préhistorique de Font-de-Gaume et réalisation d’un poster présenté à la conférence GMPCA 2022.
- Développement du design de l’équipement, sélection des solutions techniques (tube XRF, mouvements mécaniques)
-Achat progressif des composantes. Pour le moment, un détecteur SDD de rayons X a été acheté, et un marché d’achat public PUMA a été lancé pour l’acquisition de deux lentilles polycapillaires et d’un tube de rayons X.

Néanmoins, des difficultés ont aussi surgi. Ici quelques difficultés rencontrées sont mentionnées avec les solutions proposées :
-La planification de l’achat des composantes n’est pas totalement maitrisée du fait que les fabricants ont des difficultés à respecter les délais de livraison (due au contexte de la crise actuelle).
-Il y a eu de délais supplémentaires au moment de la remise en marche du dispositif CXRF LouX3D pour pouvoir le rendre conforme par rapport aux règles de radioprotection.
-Difficulté à établir une planification des analyses des œuvres de test à longue terme due à leur disponibilité irrégulière et peu prévisible au C2RMF

Dans la section « Enjeux et objectifs » peuvent être consultés les objectifs, et dans la section « Résultats », ceux auxquels on est arrivé. Pour la prochaine année (période octobre 2022- octobre 2023), nos perspectives sont les suivantes :
- Analyser d’autres peintures avec la FX stationnaire en mode confocal LouX3D ainsi qu’avec la MA-XRF pour étendre la diversité des systèmes de couches picturales considérée. Cette étude devrait avoir une durée de six à huit semaines.
-Publication de l’article soumis à EPJ+ après la conférence inArt 2022 sur les résultats obtenus sur le tableau « Vierge à l’Enfant entourée de saints et donateur » avec différentes techniques, notamment la MA-XRF et la FX en mode confocal.
- Acheter les composants manquants, et assembler progressivement l’instrument à mesure que les pièces arrivent.
-Programmer la partie software de l’instrument (contrôle d’acquisition des données, traitement de routines et traitement de données).
-Mettre en place du partenariat avec l’entreprise BRUKER sur un possible développement conjoint de certaines parties.
-Une fois l’instrument en fonction, le tester sur des échantillons modèles :des échantillons métalliques fins, mais aussi le tableau test précédemment utilisé dans la mise en marche du LouX3D. Cette étude devrait avoir une durée de quatre semaines.
- Analyser des échantillons de grottes du Nord d’Espagne en µFX à la ligne PUMA, synchrotron SOLEIL. Le temps d’analyse avec le traitement des données est estimé autour de quatre à cinq semaines.
-Participer à deux colloques scientifiques (instrumentation, évaluation des données scientifiques, patrimoine culturel) à l’échelle nationale et internationale.
-Comparer les performances de notre nouvel instrument avec d’autres prototypes de CXRF. Ceci aurait une durée de trois à quatre semaines.
- Rédiger la notice technique et le manuel de l’instrument.
-Certifier l’instrument par rapport au règlement de la radioprotection
- Soumettre un premier article présentant les premiers résultats de l’application de l’instrument. Durée de la préparation de quatre à six semaines.
- Réaliser une mission dans la grotte de Font-de-Gaume avec l’instrument développé. La mission aura une durée d’une semaine, avec le traitement des données (deux à quatre semaines). Si possible, une mission dans un musée pour analyser des peintures de chevalet sera aussi réalisée.

- Soumission d’un article Tapia et al. dans EPJ+ suite à la conférence inArt. Titre : « Efficiency of combined MA-XRF and CXRF to give non-destructive insights about changes of a historical painting ».
-Oral à la conférence MA-XRF (Delft, 26-27 septembre 2022). Titre : « Advantages and limits of MA-XRF on paintings with important iconographic changes»
-Poster présenté à la conférence inART (Paris, 28juin-1juillet 2022). Titre : « Non-destructive confocal XRF depth profiling combined with MA-XRF and SEM-EDX of a historical painting gives new insights about its history »
-Poster présenté à la conférence GMPCA (Chambéry, 2-6 mai 2022). Titre : « Analyse et imagerie chimique par micro-fluorescence et absorption X d’échantillons calcaires de la grotte préhistorique de Font-de-Gaume »
-Présentation d’un poster à la journée des doctorants de l’ED 388, 17/06/2022. Titre « Non-destructive confocal XRF depth profiling combined with MA-XRF and SEM-EDX of a historical painting gives new insights about its history »
-Présentation d’un oral à la journée des doctorants du C2RMF, 04/07/2022. Titre : « Réalisation d’un appareil portable d’analyse par fluorescence X combiné en mode imagerie (MA-XRF) et confocal (cXRF) et applications aux œuvres peintes du patrimoine culturel »

Ce projet vise à développer la spectrométrie de fluorescence X (FX) en mode confocal in situ (C-XRF) combinée à la fluorescence X en mode macro (MA-XRF) pour l’analyse et l’imagerie élémentaires en profondeur des figures préhistoriques des grottes ornées et des peintures historiques des musées. Le système analytique qui sera développé est un prototype portable pour la C-XRF qui est en outre équipé d'un détecteur FX et de platine de translation X, Y, Z qui permettent la réalisation simultanée de la C-XRF et de la MA-XRF. Ce dispositif expérimental possède une tête légère et mobile, ce qui permet un meilleur contrôle des analyses et des variations de la composition des peintures en profondeur, sans contact et sans déplacer les œuvres. Notre hypothèse de recherche est que nous pouvons améliorer la caractérisation des matériaux patrimoniaux complexes en utilisant des instruments mobiles qui permettent une sélection plus précise des échantillons en choisissant mieux la zone étudiée et en contrôlant précisément le volume analytique. Les analyses ainsi réalisées permettent de déterminer avec précision, de manière qualitative et semi-quantitative, la composition chimique couche par couche des œuvres peintes. Des informations plus fiables sur la création et la séquence de création des figures préhistoriques peuvent être obtenues avec ces méthodes. Pour les peintures de chevalet, une meilleure vision des stratigraphies complexes sera obtenue en combinant la MA-XRF et la C-XRF portable et réduira considérablement le nombre d’échantillons à prélever.
Le nouveau dispositif sera testé au niveau de sa performance et validé. Une procédure semi-automatique d'acquisition et d'évaluation des spectres sera développée. Afin de permettre une analyse durable et de limiter au maximum les dégâts d’irradiation sur les œuvres, les limites sécurisées des analyses seront définies avant d’effectuer des analyses et de faire de l'imagerie in situ, d’une part sur les œuvres pariétales paléolithiques de la grotte de Font-de-Gaume en Dordogne et d’autres part sur les œuvres peintes des musées nationaux étudiées par le C2RMF. Ces nouvelles données seront intégrées dans la base de données du C2RMF et seront ainsi accessibles ouvertement aux autres scientifiques.