L'analyse par activation neutronique

François Widemann
Directeur de Recherche au CNRS
Laboratoire de Recherche des Musées de France, Paris

• Champs d'application
• Etudes de cas

Principe et bref historique

La méthode consiste à irradier un échantillon et un étalon de composition connue dans un flux de neutrons thermiques, c'est-à-dire très lents. Un noyau atomique de symbole chimique X, de numéro atomique Z et de masse atomique A capture avec une probabilité intrinsèque que l'on appelle section efficace un neutron, formant un noyau radioactif de même numéro atomique Z, mais de masse A+1. Ce noyau se transmute en général par radioactivité dans un noyau d'un autre élément de symbole Y, de numéro atomique Z+1 et l'ensemble de la chaîne de réaction est finalement :

On relève le spectre final de rayons gamma du noyau-fils. Leur énergie est caractéristique de ce noyau et donc du noyau-père. En comptant le nombre de rayons gamma émis, on obtient une mesure du nombre d'atomes du type initial, donc un dosage de l'élément X. Dans son principe, la méthode remonte à la découverte de la radioactivité artificielle par Frédéric et Irène Joliot-Curie en 1934. Ambrosino à Paris, Sayre à Brookhaven, Gordus à Ann Arbor ont fait les premières caractérisations d'objets archéologiques dans les années 50 avec des détecteurs INa et les premiers sélecteurs multicanaux à tubes. Mais la méthode n'a pris son essor pratique dans les applications à la géochimie et à l'archéologie que vers le milieu des années 60 avec le développement des semi-conducteurs, la mise au point de détecteurs de rayons gamma au germanium, apportant un progrès considérable dans la résolution des spectres, et le développement d'analyseurs muticanaux et de l'électronique à bas bruit de fonds; aussi vers la même époque avec la diffusion de l'informatique qui seule permet de traiter l'énorme quantité de données à corriger pour les temps de décroissance radioactive et résoudre les cas de chevauchement de pics dans les spectres. Isadore Perlman et son groupe du Lawrence Berkeley Laboratory dans les années 70 ont porté cette technique au très haut degré de précision qui en fait encore celle qui sert à contrôler l'étalonnage de toutes les autres pour de nombreux éléments [Perlman 72]. En France, c'est au Laboratoire Pierre-Süe à Saclay que la méthode est appliquée dans les meilleures conditions. En particulier, le retour du coeur du réacteur des échantillons irradiés par convoyeur rapide permet d'y étudier les radioéléments de périodes très courtes.

On mesure donc à l'aide d'un détecteur semi-conducteur au germanium le spectre de rayons gamma émis lors de la désexcitation du noyau final. On choisit pour la mesure de chaque élément un pic photoélectrique le plus intense et le plus dégagé de chevauchements correspondant à l'absorption d'un rayon par le détecteur. L'aire de ce pic est une mesure de l'abondance de l'élément initial.

Cette technique occupe une place très particulière parmi les méthodes analytiques de plusieurs points de vue.

1. par son incomparable sensibilité pour le dosage d'éléments peu abondants.

Pour la plupart des techniques analytiques physico-chimiques la variation de sensibilité d'un élément à l'autre est relativement peu importante, un ou au plus deux ordres de grandeur. En général les éléments abondants sont faciles à doser, et les limites de détection empêchent essentiellement le dosage des éléments peu abondants. La capture neutronique est le schéma le plus important pour rendre compte de la nucléogenèse, processus qui a permis la formation des planètes du système solaire, composées d'éléments lourds, de Z élevé, alors que le soleil dont elles sont issues est constitué d'éléments très légers. La probabilité de formation d'un élément est la composition des probabilités des captures successives qui ont permis, en partant des éléments légers du soleil, en passant par la chaîne des éléments intermédiaires (Figure 1) .

Figure 1

Diagramme de Segré : nombre de protons en fonction du nombre de neutrons dans les noyaux. La zone des noyaux stables ou de périodes assez longues est très étroite. La formation des noyaux lourds à partir des noyaux légers est un processus de captures et transmutations successives, dont les probabilités composées entraînent une tendance à la décroissance rapide des abondances quand Z augmente.

On explique ainsi la loi, valable pour les éléments pas trop légers, qui lie l'abondance naturelle N des éléments dans les roches principales (roches volcaniques, granites, argiles par exemple) et leur section efficace de capture neutronique :

N. = constante

Ainsi, l'A.A.N. en quelque sorte compense la rareté d'un élément par une plus grande sensibilité (Figure 2) et l'on dose sans difficulté par exemple l'iridium dans une argile, où sa teneur est en général aux environs de 0,5 . 10^-9 ( 5 dix-milliardièmes). On y dose avec une sensibilité comparable l'aluminium dont la teneur est de 10 à 20%. C'est la seule technique qui présente une telle gamme de dosages. Dans une autre technique, à supposer qu'un élément aussi peu abondant soit détecté, le signal de l'élément abondant couvrirait celui de l'élément faible jusqu'à le rendre indécelable.

Figure 2

Variation du produit N. de l'abondance naturelle des éléments par la section efficace de capture neutronique en fonction de la masse atomique A.

Hormis l'abondance naturelle, certains éléments peuvent être plus ou moins faciles à doser suivant le schéma de désexcitation des niveaux du noyau descendant. Le phosphore, par exemple, ne peut être dosé par cette méthode : exceptionnellement le noyau-fils est directement produit à son état fondamental par la radioactivité . Elle n'est donc pas suivie d'émission . Le plomb ne donne qu'un radioélément de période trop courte pour être mesuré pratiquement.

2. c'est la seule méthode non-destructive qui permet une analyse de l'ensemble du volume d'un échantillon.

Ceci se comprend facilement : les neutrons ne sont pas arrêtés par les barrières de potentiel atomiques qui arrêtent les particules chargées très près de la surface d'un matériau. Après capture, les rayons qui sont des ondes électromagnétiques, en général de haute énergie, sont aussi très pénétrants. A l'aller des neutrons comme au retour des rayons vers le détecteur, l'absorption reste marginale; elle est d'ailleurs prise en compte par de petites corrections linéaires.

Les spectres enregistrés avec leurs paramètres d'accompagnement sont traités par un programme d'ordinateur qui donne les teneurs dans les éléments détectés. En général, on doit tenir compte des dispersions des teneurs dans le gisement ou la production étudiés : on constitue leur(s) groupe(s) de compositions caractéristiques définis dans des systèmes mathématiques d'agglutination-différenciation comme la classification ascendante hiérarchique, ou l'analyse factorielle discriminante [Sayre 77]. Un échantillon isolé peut alors être rattaché à un groupe défini au préalable.

Une dernière remarque. L'idée revient périodiquement dans les revues que certains éléments sont plus fréquemment discriminants que d'autres dans les problèmes habituels et que l'on pourrait gagner du temps en éliminant les éléments inutiles [Kuleff 96]. Je pense que c'est une très mauvaise idée. Si un élément, dans une famille de roches, par exemple, présente à peu près toujours la même teneur, si l'on tombe sur un gisement où il est nettement différent, c'est alors précisément cet élément qui va en représenter le meilleur discriminant. D'autre part, on a intérêt à constituer des bases de données toutes compatibles entre elles et les éléments "inutiles" ne seront pas toujours les mêmes selon ce que l'on cherche. Je crois donc qu'il vaut mieux constituer la collection d'éléments la plus large possible, y compris en conservant la case d'éléments qui ne sont pas toujours détectés. L'iridium n'a jamais servi en géochimie ou dans les recherches d'origine d'objets archéologiques. On aurait pu penser à l'éliminer. Dix ans après, on s'en serait mordu les doigts quand cette trace s'est révélée comme la signature de la grande météorite dont la chute a marqué la limite crétacé-tertiaire par l'extinction massive des dinosaures.