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Un nouvel accélérateur pour la datation du carbone 14

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Un nouvel appareil de spectrométrie de masse par accélérateur a été inauguré le 8 avril 2004 au centre CEA de Saclay par le CNRS, le CEA, le ministère de la Culture et de la Communication, l'IRSN1 et l'IRD2. L'appareil, nommé Artemis3, doit permettre d'analyser plus de 4500 échantillons par an pour mesurer la concentration du carbone 14. Il trouve des applications dans des domaines aussi divers que l'environnement, le climat, l'archéologie et la muséographie. Son fonctionnement sera assuré par le Laboratoire de mesure du carbone 14 (LMC14).

Peinture préhistorique

Depuis sa découverte par Willard Franck Libby en 1949, la mesure du carbone 14 (14C) a considérablement progressé notamment grâce à la Spectrométrie de masse par accélérateur (SMA) qui permet de compter les atomes de 14C plutôt que de mesurer la radioactivité de l'échantillon. Cela a permis d'analyser des échantillons beaucoup plus petits (moins du milligramme de carbone au lieu de plusieurs grammes) nettement plus rapidement (en moins d'une heure au lieu de plusieurs jours à plusieurs semaines).

Le spectromètre de masse par accélérateur installé à Gif-sur-Yvette (Essonne) au début des années 80 était consacré à la mesure du 14C pour environ la moitié de son temps et à celle d'autres radioisotopes (10Be, 26Al et 119I) pour l'autre moitié. Ce type de machine a beaucoup évolué depuis et celle de Gif est désormais assez largement dépassée pour les mesures de 14C par les machines actuellement sur le marché. Elle répondait en effet de moins en moins à l'évolution des besoins en datation 14C de la communauté nationale et au maintien de sa compétitivité dans le contexte européen et international, tant d'un point de vue quantitatif (débit maximum de 900 analyses/an) que qualitatif (précision des mesures et taille des échantillons).

La demande des laboratoires opérant dans le domaine de l'environnement et du climat ainsi que celle de la communauté archéologique et muséographique a été estimée à environ 4500 mesures par an. Ce constat a abouti à la création, par le CNRS, le CEA, l'IRSN, l'IRD et le ministère de la Culture et de la communication, d'un laboratoire de mesure du carbone 14 centré autour de l'acquisition d'une machine de nouvelle génération fabriquée par National Electrostatics Corporation (Wisconsin, USA). Le montant global du projet s'élève à 4500k€. Une subvention Sesame4 de la région Ile-de-France est venue compléter l'ensemble du financement des tutelles scientifiques. Cet appareil, nommé Artemis, fonctionnera en automatique 24h/24h et permettra un débit d'analyses d'au moins 4500 par an.

Principe de la méthode de datation par le carbone 14

Le carbone 14 est un isotope radioactif du carbone. La période radioactive du 14C, qui correspond au temps au bout duquel le nombre d'atomes est divisé par 2, est de 5730 ans. Le 14C est formé dans la haute atmosphère soumise au bombardement des rayons cosmiques. À l'échelle planétaire, un équilibre s'établit entre la production du 14C et sa disparition par désintégration. La valeur d'équilibre est d'un atome radioactif de 14C pour 1 000 milliards d'atomes de 12C non radioactif. Ce rapport se retrouve dans les organismes vivants, par la photosynthèse pour les plantes et par la chaîne alimentaire chez les animaux. A la mort de l'organisme, l'incorporation de 14C cesse et le nombre d'atomes 14C diminue par décroissance radioactive. En comparant le rapport 14C/12C de l'échantillon avec celui d'un échantillon standard dont l'âge est connu, on peut en déduire l'âge de l'échantillon. On peut ainsi remonter jusqu'à 50000 ans environ.

Quelques applications

Une des applications les plus connues du grand public concerne la datation directe des peintures préhistoriques utilisant du noir de charbon de bois, parmi lesquelles on peut citer la grotte Chauvet-Pont d'Arc. Mais de nombreuses autres applications existent. Le 14C est devenu un outil irremplaçable pour l'étude des climats du passé où il donne accès à une chronologie précise de l'enchaînement des évènements climatiques du Quaternaire récent, indispensable à la compréhension du système climatique à partir de mesures sur des matériaux divers prélevés dans des archives naturelles : sédiments marins et lacustres, stalagmites, coraux, arbres. Le 14C est également un traceur du cycle du carbone, cycle clé du système climatique et acteur central dans la problématique actuelle de l'effet de serre. Son dosage dans les différents composés carbonés présents dans l'atmosphère, l'océan ou sur les continents apporte une contrainte supplémentaire sur les flux échangés entre les différents grands réservoirs et sur les temps de résidence du carbone à l'intérieur de ces mêmes réservoirs. La mesure de l'âge 14C de sédiments contenant du matériel volcanique permet également d'étudier la fréquence des éruptions volcaniques et des glissements de terrain associés.

La datation des eaux souterraines par le 14C permet d'évaluer leur temps de résidence et leur vitesse de circulation. Elle donne ainsi accès à une information capitale pour optimiser la gestion des ressources : le taux de renouvellement des nappes. Cette datation est également utilisée pour obtenir des indications sur l'étanchéité naturelle des sites étudiés pour un éventuel stockage profond des déchets nucléaires.

Enfin, la mesure du 14C dans la biosphère est indispensable pour mener des études radioécologiques hors et sous influence des installations nucléaires. Elle est un des moyens d'étudier et de suivre l'impact de leur fonctionnement sur l'environnement et sur l'homme.

Nota :

1Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire.
2Institut de recherche pour le développement.
3Accélérateur pour la recherche en sciences de la terre, environnement, muséologie installé à Saclay.
4Afin de maintenir et de développer les pôles d'excellence de la recherche francilienne, le Conseil régional propose diverses aides financières, sous forme de subventions destinées principalement aux laboratoires publics et parapublics Ces soutiens financiers concernent notamment l'aide aux investissements à caractère structurant (appels à propositions Sesame : Soutien aux Equipes Scientifiques pour l'Acquisition de Moyens Expérimentaux).

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