Datation radiocarbone par spectrométrie de masse par accélérateur

  • La spectrométrie de masse par accélérateur détecte le carbone 14 présent dans les échantillons.
  • La datation AMS consiste à accélérer des ions à de très hautes énergies cinétiques, avant de procéder à une analyse de masse.
  • Les échantillons sont convertis en graphite avant la datation.
  • Bien qu’elle soit plus chère que la datation radiométrique, la datation AMS permet une plus grande précision et l’analyse nécessite moins de matière.
  • En plus de la géologie et de l’archéologie, la datation AMS est également utilisée dans d’autres domaines, comme dans la recherche biomédicale et dans les recherches en sciences océanographiques.

Il existe deux techniques pour mesurer le contenu en radiocarbone des échantillons : par datation radiométrique ou par spectrométrie de masse par accélérateur (AMS).

Les deux méthodes de datation par le radiocarbone sont utilisées principalement pour déterminer la teneur en carbone dans les artefacts archéologiques et les échantillons géologiques. Elles utilisent des standards modernes comme l’acide oxalique ainsi que d’autres références. Bien qu’elles donnent des résultats de haute qualité, elles sont fondamentalement différentes dans leurs principes.

La datation radiométrique détecte les particules bêta émises lors de la désintégration du carbone 14, alors que la spectrométrie de masse par accélérateur compte le nombre d’atomes de carbone 14 présents dans l’échantillon. Les deux méthodes ont leurs avantages et leurs inconvénients.

La spectrométrie de masse par accélérateur

Un spectromètre de masse détecte des atomes spécifiques grâce à leur masse atomique. Ils n’ont pas la sensibilité suffisante pour distinguer deux atomes isobares (atomes de différents éléments avec une même masse atomique, comme dans le cas du carbone 14 et de l’azote 14, le plus répandu des isotopes d’azote).

Grâce à la physique nucléaire, les spectromètres de masse ont été affinés pour séparer un isotope rare d’un élément de masse proche, aboutissant à la méthode AMS. Il est devenu possible de détecter un atome de carbone 14 présent dans un échantillon, tout en ignorant les isotopes abondants qui peuvent troubler le signal.

Fonctionnement de l’analyse AMS

radiocarbon AMS lab

Elle se compose essentiellement de deux étapes : la première phase consiste à accélérer les ions jusqu’à une très haute énergie cinétique, avant de passer à la deuxième phase consistant en l’analyse de masse.

Deux systèmes d’accélération sont couramment utilisés dans la datation par AMS. Le cyclotron et l’accélérateur électrostatique Tandem.

Analyse AMS dans un accélérateur Tandem

Après le prétraitement, les échantillons sont convertis en graphite solide, en vue de leur entrée dans le spectromètre. Cela est réalisé par conversion en dioxyde de carbone, qui est ensuite transformé en graphite en présence d’un catalyseur métallique. Cette étape de combustion introduit également d’autres éléments comme l’azote 14.

Les quelques milligrammes de graphite ainsi obtenus, ainsi que les matériaux de référence, sont pressés sur des pastilles métalliques, qui seront montées sur l’appareil pour l’analyse.

Des ions de césium bombardent la cible, produisant des atomes de carbone ionisés négativement, qui passent ensuite à travers les dispositifs de focalisation, et un aimant d’injection, avant d’atteindre l’accélérateur tandem, où ils seront accélérés grâce à une différence de tension de deux millions de volts.

A ce stade, les autres atomes chargés négativement sont instables et ne peuvent atteindre le détecteur. Les atomes de carbone chargés négativement, toutefois, atteignent l’éplucheur (gaz ou feuille de métal) où ils perdent des électrons et apparaissent avec une charge positive triple. Les autres molécules, ne pouvant avoir cette charge, sont alors éliminées.

Les carbones triplement chargés positivement sont de nouveau accélérés loin de la borne positive et passent à travers une série de dispositifs de focalisation où l’analyse de masse à lieu.

Un champ magnétique est appliqué aux particules chargées en mouvement, qui va les faire dévier. Si les particules chargées ont la même vélocité mais des masses différentes, comme dans le cas des isotopes de carbone, les particules les plus lourdes dévieront moins. Des détecteurs sont placés à différents angles pour compter les particules.

À la fin d’une série de test AMS, les résultats permettent de connaître la quantité de carbone 14 dans l’échantillon, ainsi que des carbones 12 et 13. À partir de ces données, il est possible de déterminer le ratio de concentration des isotopes.

Avantages de l’analyse AMS

Le plus grand avantage de la datation par la méthode AMS par rapport à la méthode radiométrique est la taille réduite de l’échantillon nécessaire. Entre 20 et 500 milligrammes suffisent dans la plupart des cas, par rapport à 10 grammes pour le bois et le charbon dans les méthodes conventionnelles, et 100 grammes d’ossements et de sédiments. Il y a globalement un facteur 1000 entre les deux méthodes.

La datation étant un processus destructif, une analyse par AMS, qui ne réclame que des quantités infimes, est la méthode de prédilection pour les archéologues avec de petits artefacts, et pour tous ceux qui ont des matériaux rares ou coûteux.

Leur sensibilité accrue les autorise à étudier des particules aussi fines que du sang, des céréales ou des graines.

Le temps d’analyse est lui aussi réduit par rapport à une analyse radiométrique, qui peut durer de un à deux jours. Quelques heures suffisent habituellement pour un échantillon.

Enfin, il convient de noter que les mesures obtenues atteignent généralement une plus grande précision avec un bruit de fond plus bas.

Inconvénients de la datation par AMS

Un accélérateur à spectrométrie de masse est un outil puissant, mais très coûteux à construire et à entretenir. Plusieurs millions de dollars sont nécessaires.

La petite taille des échantillons rend le contrôle des contaminations plus délicat. Un prétraitement rigoureux est nécessaire afin de les éviter, et de minimiser les erreurs éventuelles lors du processus de datation.

Autres applications de l’analyse AMS

La spectrométrie de masse par accélérateur est souvent associée à l’archéologie, à la géologie et à l’océanographie, mais elle est également utilisée par des laboratoires biomédicaux qui utilisent des échantillons marqués avec du carbone 14 pour l’élaboration de médicaments.

Elle peut être utilisée en pharmacocinétique, profilage métabolique, toxicologie et microdosage.

Elle sert à déterminer les niveaux d’abondance naturelle de carbone 14 dans les océans ainsi qu’à dater les dépôts sédimentaires. Cette méthode a permis de construire une carte tridimensionnelle de la distribution de carbone 14 dans le carbone inorganique dissous.

Télécharger PDF