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Lucile Beck invente des techniques nucléaires au service du patrimoine

Portraits de chercheurs Article publié le 10 novembre 2021 , mis à jour le 25 novembre 2021

Lucile Beck est chercheuse en sciences du patrimoine au Laboratoire de mesure du carbone 14 (LMC14 – Univ. Paris-Saclay, CEA, CNRS, Ministère de la culture et de la communication). Passionnée par les sciences du patrimoine, elle développe de nouvelles techniques par faisceau d’ions pour l’analyse et la datation de matériaux archéologiques.

Lucile Beck passe un baccalauréat de technicien chimiste en 1983 et ne se destine initialement pas à faire de longues études : « Dans ma famille, on ne connaissait pas les formations post-bac et je suis quasiment la première à avoir franchi le pas ». Pourtant, forte d’un intérêt et d’une facilité manifeste pour les sciences physiques, elle se lance dans un parcours universitaire. Elle obtient un DEUG (un ancien diplôme de niveau bac+2), une licence et une maîtrise dans ce domaine à l’Université Paris-Sud à Orsay, et prépare le concours du Certificat d'aptitude au professorat de l'enseignement du second degré (CAPES).

Puis, Lucile Beck tombe sur le catalogue d’une exposition qui porte sur les sciences au service de l’art organisée par le Laboratoire de recherche des musées de France (LRMF, aujourd’hui C2RMF), situé dans le palais du Louvre : « J’ai eu un coup de foudre instantané et à partir de ce moment, j’étais sûre de vouloir me spécialiser dans ce domaine ». Elle effectue un DESS (Diplôme d'études supérieures spécialisées, un ancien diplôme de niveau bac + 5 équivalent aujourd’hui à un master) de mesures physiques appliquées à l’archéologie à l’Université de Bordeaux, au cours duquel elle réalise un stage au LRMF. En 1988, elle est sollicitée par le laboratoire spécialisé sur les techniques nucléaires pour l’étude des anciennes monnaies, le Centre Ernest Babelon à Orléans, pour réaliser une thèse qu’elle soutient en 1991. « J’ai développé des techniques par faisceau d’ions pour l’étude des techniques de l’orfèvrerie romaine et mérovingienne. C’était la première fois que des dorures anciennes étaient caractérisées grâce aux ions. » 

 

La technique des faisceaux d’ions

C’est à cette l’occasion que Lucile Beck utilise son premier accélérateur de particules, un générateur Van de Graaff. Il produit des protons ou des ions d’hélium accélérés qui bombardent l’échantillon à analyser afin d’en déterminer la composition élémentaire. « L’intérêt de ces techniques nucléaires pour caractériser des matériaux précieux est qu’elles sont non destructives et qu’elles ne les rendent pas radioactifs. » L’analyse par faisceau d’ions met en œuvre des techniques spectroscopiques par émission de rayons X, gamma ou de particules radiodiffusées (expérience de Rutherford). Ces dernières fournissent notamment des profils de concentrations entre la surface et l’intérieur de l’objet sans pour autant devoir le sectionner. Ces observations sont traditionnellement effectuées sous vide, mais pour le patrimoine culturel, par exemple pour des statues imposantes, il n’est pas possible d’étudier ces objets dans ces conditions. On utilise alors des faisceaux extraits à l’air ambiant dont le perfectionnement a été motivé par ces applications. « Ces techniques sont au service du patrimoine, mais en retour le patrimoine "booste" leurs développements. »

 

De multiples expériences au CEA

Lucile Beck intègre en 1991 le service conception expérimentale de la mesure au sein de la direction des applications militaires du CEA. Le centre la sollicite pour ses compétences en spectrométrie des rayonnements, dans le cadre du développement de diagnostics pour les essais nucléaires. Puis, Lucile Beck décide de diversifier ses expériences : « Au CEA, nous avons la chance de pouvoir suivre des parcours très diversifiés et de changer facilement de département ». C’est pourquoi, en 1995, elle rejoint l’équipe de paléomagnétisme - qui étudie le champ magnétique terrestre passé - au Centre des faibles radioactivités, aujourd’hui Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (LSCE - Université Paris-Saclay, CNRS, CEA, UVSQ). En 1998, elle entre à l’Institut national des sciences et techniques nucléaires (INSTN) pour initier les étudiants de l’école Centrale, de Supélec, de l’Université Paris-Sud et les enseignants de lycée et collège aux techniques d’analyse nucléaire. Elle crée, entre autres, une formation sur les méthodes de datation et poursuit en parallèle ses recherches numismatiques sur l’argenture des monnaies romaines. 

 

Au C2RMF : l’analyse par faisceau d’ions appliquée à la science du patrimoine 

En 2005, Lucile Beck obtient une mise à disposition auprès du C2RMF durant cinq ans et intègre l’équipe de l’Accélérateur grand Louvre d’analyse élémentaire (AGLAE) dont elle prend la direction en 2008. Elle y développe des techniques d'analyse dédiées à la science du patrimoine culturel et gère les aspects règlementaires en matière de radioprotection. 

Durant cette période, la chercheuse se consacre notamment à l’étude de l’art rupestre préhistorique. Pour la première fois dans ce domaine, des instruments portables couplant fluorescence et diffraction des rayons X, et de spectrométrie Raman - pour caractériser la composition moléculaire des pigments - sont installés in situ, dans les grottes de Rouffignac et de Villars dans le Périgord. « Dans la première grotte, nous avons analysé les phases cristallines du dioxyde de manganèse, pigment noir utilisé par les hommes préhistoriques pour dessiner. Nous avons déduit qu’un seul type de pigment avait été utilisé pour réaliser la célèbre frise des dix mammouths, alors que pour d’autres représentations les pigments sont plus variés. Ce résultat suggère qu’ils ont probablement été réalisés par un groupe restreint d’individus et sur un laps de temps très court. » 

 

La direction de la plateforme JANNuS

Ce détachement prend fin en 2010, et le CEA lui propose de prendre la tête du Jumelage d'accélérateurs pour les nanosciences, le nucléaire et la simulation (JANNuS), un nouveau laboratoire dédié aux recherches sur les effets de l'irradiation dans les matériaux. Il comprend trois accélérateurs couplés, ce qui en fait une des deux installations au monde capable d’irradier les matériaux des centrales nucléaires avec trois natures d’ions différentes et de manière simultanée. Cela aide à comprendre la modification de ces matériaux au cours du temps, afin d’augmenter leur durée de vie, de limiter les arrêts de maintenance et de concevoir des matériaux résistants à des taux de radiation très élevés pour les réacteurs du futur. 

Grâce à l’ensemble de ses travaux et à ses découvertes scientifiques, qui contribuent au développement des accélérateurs, Lucile Beck reçoit l’ordre national du Mérite en 2013. 

 

La direction du LMC14

En 2015, la chercheuse prend la direction du Laboratoire de mesure du carbone-14 (LMC14), la plateforme nationale pour la datation au carbone 14 rattachée au LSCE. Les échantillons qui y sont mesurés concernent des études paléoclimatiques, environnementales, archéologiques, et de surveillance autour des centrales nucléaires, ou commanditées par des musées. Grâce à ces travaux de recherche, elle développe une méthode de datation de matériaux traditionnellement non datés par le carbone 14. Il s’agit notamment du blanc de plomb, un pigment synthétisé depuis le IVe siècle avant J.-C. Lucile Beck et sa doctorante démontrent que lors de sa fabrication, il incorpore du carbone d’origine organique, ce qui est la clé pour l’application de la méthode. « Nous avons ajouté un matériau important pour l’art à la liste des composés datables par le carbone 14 ! » 

 

Le Centre collaborateur Atoms for Heritage

Puisque Lucile Beck aime multiplier ses implications, elle participe également activement au nouveau partenariat signé entre l’Université Paris-Saclay et l’Agence internationale de l’énergie atomique (AIEA), le Centre collaborateur Atoms for Heritage. Il a pour objectif de préserver le patrimoine et de lutter contre le trafic illicite d’objets patrimoniaux, afin de favoriser des applications nucléaires pacifiques au service de la société. La chercheuse, qui travaille depuis longtemps avec l’AIEA, contribue à l’une des vocations de ce partenariat, qui est de former et d’informer, à un niveau international, les scientifiques qui n’ont pas accès aux techniques nucléaires pour la caractérisation et la datation de matériaux anciens.