L’analyse par la méthode PIXE à haute énergie au cyclotron Arronax : application à la recherche de l’indium dans les monnaies d’argent nantaises (1550-1626)

La méthode PIXE à haute énergie au cyclotron Arronax

La méthode d’analyse non-destructive PIXE (Particle Induced X-ray Emission) est une technique éprouvée, généralement utilisée avec des faisceaux de protons de quelques MeV (106 electronvolt). Elle a aussi été appliquée occasionnellement avec des faisceaux de plus haute énergie (quelques dizaines de MeV) pour analyser des objets d’art et du patrimoine culturel [1]. Elle permet une grande profondeur d’analyse et une forte probabilité de production des rayons X de type K pour les éléments lourds (voir figure 1). Grâce à cette méthode, des pièces de monnaies anciennes présentant des couches de corrosion de quelques dizaines de µm en surface ont pu être analysées sans nettoyage préalable [2].

Figure 1. Probabilité de production (section efficace) des rayons X de type K pour des protons incidents d’énergie 3 MeV et 70 MeV et des particules alpha de 68 MeV en fonction du numéro atomique Z de l’élément cible. Cette probabilité est plus grande à haute énergie pour les éléments de numéro atomique élevé (Z>25) qu’avec des protons de 3 MeV.

Ainsi, la méthode PIXE à haute énergie est une méthode bien adaptée pour analyser les éléments traces, comme l’indium, dans des pièces de monnaie d’argent.

Le GIP ARRONAX développe, en collaboration avec le laboratoire Subatech, une plateforme d’analyse non destructive utilisant les protons, deutons et particules alpha jusqu’à 70 MeV et reposant sur la technique PIXE. Une méthodologie spécifique a été développée pour l’analyse de cibles multicouches [4] et des mesures de sections efficaces de production des rayons X avec des faisceaux de haute énergie [5] ont été réalisées afin de permettre des analyses quantitatives précises.

L’argent de Potosí et les circuits atlantiques de l’argent

Les mines d’argent de Potosí, situées dans la Bolivie actuelle, ont été découvertes en 1545 [6]. L’exploitation minière y commença rapidement et le premier convoi d’argent vers l’Espagne eut lieu en mars 1548. Comme toutes les autres richesses venues du Nouveau Monde, l’or et l’argent étaient débarqués au port de Séville. De 1536 à 1548 cet argent était surtout mexicain, le métal potosien venant gonfler les importations à partir de 1549. En 1556, les principautés des Pays-Bas furent rattachées à la couronne espagnole par l’héritage de Philippe II. Le monarque s’assura alors que ses précieuses possessions flamandes recevaient aussi leur part de l’argent extrait des colonies américaines. C’est ainsi que les ateliers monétaires français situés dans les cités portuaires de la façade atlantique (Bayonne, Bordeaux, La Rochelle et Nantes, auxquels il faut ajouter Rennes via Saint-Malo, et Angers par la Loire et la Maine) se sont soudainement retrouvés au cœur du circuit de l’argent reliant l’Amérique du Sud au royaume d’Espagne et aux Pays-Bas espagnols. Entre 1575 et 1625, la Monnaie de Nantes convertit cent trente tonnes d’argent espagnol en pièces françaises, la positionnant au premier rang des ateliers monétaires du royaume.

L’indium, élément trace de l’argent de Potosí

Une étude menée au cyclotron CERI (CNRS, Orléans) à l’aide d’un « mini réacteur » à neutrons thermalisés permettant une analyse non destructive, a montré que l’indium sous forme d’élément trace pouvait être spécifique à l’argent de Potosí [7].

Objectifs

Nous souhaitons quantifier l’indium présent dans les monnaies d’argent produites à l’atelier de Nantes. Les récents progrès dans la connaissance historique des relations commerciales liant Nantes à l’Espagne au XVIe siècle permettent de relancer les investigations sur l’argent de Potosí. Retrouver cet argent permettra de dater plus précisément son arrivée à Nantes, d’en quantifier la part dans le fonctionnement de l’atelier monétaire local et donc d’apprécier ses retombées sur les économies régionales et nationales. De plus, puisque l’argent est « le nerf de la guerre », ces analyses permettront aussi de savoir quelle fut la contribution de l’argent de Potosí dans le soutien financier que les catholiques bretons reçurent du roi Philippe II. Rappelons que la Guerre de la Ligue ensanglanta la province de 1588 à 1598 et que le parti catholique, dirigé par le duc de Mercœur, avait Nantes pour capitale. C’est pour cette raison qu’y fut signé le fameux édit de tolérance.

Méthodologie

Le corpus
Pour mener cette étude, le corpus disponible se compose d’un ensemble de pièces de monnaie issu de collections privées et du musée Dobrée (Département de Loire-Atlantique). Il s’agit de :

  • Testons d’argent frappés à Nantes entre 1556 et 1575
  • Francs et demi-francs d’argent frappés à Nantes entre 1576 et 1587
  • Quarts et huitièmes d’écu d’argent frappés à Nantes entre 1578 et 1625
  • Jetons d’argent de la Mairie de Nantes frappés entre 1582 et 1620
  • Monnaies frappées à Potosi du XVIe au XVIIIe siècle
  • Monnaies frappées à Séville et Burgos au XVIe siècle
Figure 2. Teston d’Henri III frappé à Nantes en 1575 à base d’une mixture d’argent européen et potosien.

Dispositif expérimental

Une expérience PIXE préliminaire avec un faisceau de particules alpha de 68 MeV a été menée (Figure 3). Un détecteur HPGe blindé a été utilisé pour détecter les rayons X émis durant ces irradiations. Trois pièces de monnaie d’argent respectivement datées de 1561, 1575 et 1599 ont été choisies pour couvrir différentes périodes d’approvisionnement de l’argent métal.

Figure 3. Le dispositif PIXE au cyclotron Arronax

Résultats préliminaires

La figure 4 présente un spectre de la pièce de monnaie de 1599 (à gauche). Les pics les plus intenses sont ceux de l’argent. Le pic Kα situé à gauche du pic Kβ de l’argent est celui de l’indium. Les spectres des trois pièces, zoomés dans la région de l’indium, sont présentés à droite. L’intensité du pic de l’indium est corrélée avec la date de fabrication des pièces, le plus intense correspondant à la pièce la plus récente.

Figure 4. A gauche, spectre de rayons X pour la pièce de monnaie 1599 ; à droite, spectres pour les trois pièces de monnaies, 1561, 1575 et 1599, avec un zoom sur la région des rayons X Kα de l’indium.Le temps d’irradiation de chaque pièce était d’environ 1500 secondes.

Cette évolution du pic de l’indium corrobore les connaissances historiques liant l’origine du métal à la période de fabrication. La quantité d’indium mesurée dans la pièce de 1599 est de l’ordre de 10 µg/g. Cette valeur est plus grande que celle mesurée par ailleurs avec d’autres pièces d’argent potosiens [3, 4, 5], plutôt autour de 5 µg/g. Cet écart apparent peut être dû à notre forte incertitude. En effet, la limite de détection est proche de la concentration de l’indium pour cette expérience préliminaire.

Résultats attendus

Pour pouvoir mener à bien les études sur tout ou partie du corpus, la limite de détection doit être améliorée pour atteindre quelques µg/g dans la région de l’indium. Des travaux sont en cours pour y parvenir, ainsi que pour diminuer le temps d’irradiation ce qui permettrait d’augmenter le nombre de pièces analysées. Les analyses menées au GIP ARRONAX seront croisées avec la technique XRF réalisées à l’Institut des Matériaux de Nantes (IMN) et au laboratoire Arc’Antique de Grand Patrimoine de Loire-Atlantique, et qui permet des analyses de surface non invasives avec une mise en œuvre moins contraignante. Afin de proposer des résultats quantitatifs, la XRF nécessite cependant une calibration devant être optimisée car elle dépend des matériaux utilisés. Les méthodologies proposées par les constructeurs sont généralement issues de matrices industrielles, nécessitant une adaptation pour les matériaux du patrimoine.

La combinaison de ces différentes techniques vise à mieux appréhender le potentiel de la méthode PIXE à haute énergie pour ces applications. Elle permettra aussi de sélectionner les pièces de monnaies d’argent les plus intéressantes pour une analyse sous faisceau.

Grâce à la méthode PIXE à haute énergie, la recherche d’autres traceurs que l’indium, comme le mercure et l’or, sera aussi investiguée [7] et la teneur en argent des pièces sera mesurée en profondeur dans le volume afin d’obtenir des informations sur les techniques d’extraction et de purification de ce métal en vue de la fabrication des pièces. Les résultats de ces analyses devraient donc permettre d’apporter des éléments nouveaux de compréhension quant à la production et à la circulation monétaire, éclairant ainsi l’histoire et l’économie associées.

Références bibliographiques

[1]     T. Dupuis et al, Preliminary experiments: High-energy alpha PIXE in archaeometry,
Nucl. Instr. and Meth. B 268 (2010) 1911–1915.

[2]      A. Denker et al, Influence of corrosion layers on quantitative analysis,
Nucl. Instr. and Meth. B 239 (2005) 65–70.

[3]      D. Ragheb et al, Development of a PIXE method at high energy with the ARRONAX cyclotron,
Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 302, 895-901, (2014).

[4]      A. Subercaze et al, High energy PIXE: A tool to characterize multi-layer thick samples,
Nucl. Instr. and Meth. B 417, 41-45, (2018).

[5]      M. Hazim et al, High energy PIXE: New Experimental K-shell Ionization Cross Sections for Silver and Gold and Comparison with Theoretical Values from ECPSSR/RECPSSR Models,
Nucl. Instr. and Meth. B, 479, 120-124 (2020).

[6]      G. Salaün, « La Monnaie nantaise, le commerce espagnol et l’argent américain (1550-1575) », Bulletin de la Société Archéologique et Historique de Nantes et de Loire-Atlantique, p. 315-356, 2021.

[7]      M.F. Guerra, « The mines of Potosí: A silver Eldorado for the European economy », dans Ion beam study of art and archaeological objects, G. Demortier, A. Adriaeans (dir.), Directorate – General for Research, European Communities, 88-94, 2000.

Pour citer ce billet : Gildas Salaün, Alexandre Gillon, Charbel Koumeir, Stéphane Lemoine, Guy Louarn, Charlène Pelé-Meziani, Noel Servagent, Quentin Mouchard, Vincent Métivier, Ferid Haddad, Les carnets de l’archéométrie, 14/11/2023, https://gt3cairn.hypotheses.org/?p=1389

Gildas Salaün, Chargé des collections de numismatique, sigillographie, ethnographie africaine et océanienne, service conservation, Grand patrimoine de Loire-Atlantique, gildas.salaun@loire-atlantique.fr

Alexandre Gillon, Doctorant, CNRS, IMT Atlantique, Nantes Université, SUBATECH, F-44000 Nantes, France, gillon@subatech.in2p3.fr

Charbel Koumeir, Ingénieur de recherche GIP ARRONAX, associé au CNRS, IMT Atlantique, Nantes Université, SUBATECH, France,  koumeir@subatech.in2p3.fr

Stéphane Lemoine, Conservateur-restaurateur, laboratoire Arc’Antique, Grand Patrimoine de Loire-Atlantique, stephane.lemoine@loire-atlantique.fr

Guy Louarn, Enseignant-chercheur, Institut des Matériaux Jean Rouxel (IMN), CNRS Université de Nantes, louarn-g@univ-nantes.fr

Charlène Pelé-Meziani, Ingénieur d’études en science du patrimoine, laboratoire Arc’Antique, Grand Patrimoine de Loire-Atlantique, charlene.pele-meziani@loire-atlantique.fr

Noel Servagent, Enseignant-chercheur, CNRS, IMT Atlantique, Nantes Université, SUBATECH, France, noel.servagent@subatech.in2p3.fr

Quentin Mouchard, Post-doctorant, CNRS, IMT Atlantique, Nantes Université, SUBATECH, France, quentin.mouchard@subatech.in2p3.fr

Vincent Métivier, Professeur, CNRS, IMT Atlantique, Nantes Université, SUBATECH, France, vincent.metivier@subatech.in2p3.fr

Ferid Haddad, Professeur, CNRS, IMT Atlantique, Nantes Université, SUBATECH, France, ferid.haddad@subatech.in2p3.fr

Anne Lepennec, chargée de communication et d’animation scientifique Arronax Nantes, anne.lepennec@univ-nantes.fr



Citer ce billet
ckoumeir (2023, 14 novembre). L’analyse par la méthode PIXE à haute énergie au cyclotron Arronax : application à la recherche de l’indium dans les monnaies d’argent nantaises (1550-1626). Les carnets de l’archéométrie. Consulté le 15 juin 2024, à l’adresse https://doi.org/10.58079/p939

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