Chapitre 1

Mthode de Datation par le Carbone 14 - Rappels - Ver 2.1 Avril 1996 -__________________________________________________________________________________________36

RAPPELS

I - Rappels sur la structure atomique

La matire qui nous entoure est constitue d'atomes, et ces atomes sont lis entre eux de diverses faons. A chaque type correspond un lement chimique.Un atome est constitu essentiellement d'un noyau, disposant de presque toute la masse, charg d'lectricit positive, et d'un nuage d'lectrons ( cortge d'lectrons ) qui gravitent autour du noyau selon des orbites bien dfinies pour chacun d'entre eux.

Ces lectrons ont une masse trs petite par rapport celle du noyau et portent une charge lectrique ngative. La somme des charges ngatives des lectrons est compense par la charge positive du noyau.

Mais les atomes ne peuvent s'approcher les uns des autres qu' des distances respectueuses, en raison de la forte rpulsion lectrostatique entre noyaux. La gravitation des lectrons dans le champ lectrostatique central cre par le noyau est rgie par les lois de la mcanique quantique que l'on peut noncer ainsi: un lectron lorsqu'il dcrit une orbite correspondant une nergie donne caractristique, ne rayonne pas d'nergie. Cette orbite correspond un mouvement stable dans l'atome ou "tat stationnaire".Par contre cet lectron rayonne lorsqu'il passe d'un tat stationnaire un autre, et conformement la thorie classique de l'lectromagntisme, il perd son nergie en mettant un rayonnement analogue la lumire.

II - Rappels sur la structure du noyau

Le noyau est form de la runion de protons et de neutrons, particules lementaires, les unes charges positivement, les autres lectriquement neutres. Protons et neutrons sont intimement lis par des forces trs puissantes, dont on connait mal la nature et dont le rayon d'action est trs faible.Les neutrons et protons sont appels nuclons.

Le proton : noyau d'hydrogne dit lgercharge : +e = 1,6021892.10-19 coulombmasse : 1,6726485.10-27 kg soit environ 1837 fois celle de l'lectronconstitution : 3 quarks lis entre eux par des bosons appels gluons.

Le neutron :charge = 0masse : 1,6749543.10-27 kg soit environ 1839 fois celle de l'lectronconstitution : 3 quarks galement lis par des gluons.

Le nombre atomique Z correspond au nombre de protons. Il est gal au nombre d'lectrons priphriques de sorte que la charge totale de l'atome est nulle. Z est le numro ou le rang de la case de la classification priodique.

Classification priodique

Pour un mme lement, on peut avoir divers noyaux de mme Z, mais comportant un nombre de neutrons diffrents. Ce sont les ISOTOPES.Ils ont les mmes proprites chimiques puisque le nombre des lectrons externes est rigoureusement le mme. Par contre, leur masse diffre. Certains isotopes sont stables d'autres radioactifs ( instables). La stabilit est lie au rapport du nombre de neutrons sur le nombre de protons. Le nombre de masse d'un noyau correspond au nombre total de nuclons ( protons+neutrons ).

Un noyau ( ou un atome ) est reprsent ainsi : A X Z

A = N + Z , A tant le nombre total de nuclons ( protons + neutrons ).

Les atomes peuvent tre distingus par leur masse, diffrentes dans divers systmes d'units :- le systme S.I. c'est dire en kilogramme- systme des masses atomiques, c'est dire un systme de nombres proportionnels la masse relle des atomes. Comme il y a une infinit de systmes de nombres, un a t choisi judicieusement comme rfrence et c'est le chiffre 12 pour l'isotope 12 du carbone : 12C = 12,00000

Ceci a pour consquence intresante de confrer au proton et au neutron des masses atomiques trs voisines de 1 :Mp = 1,007 276 468Mn = 1,008 664 904Me = 0,000 548 580 26

Il en rsulte que le nombre entier le plus voisin de la masse atomique d'un noyau ( ou d'un atome ) est le nombre total de protons et de neutrons dans le noyau, c'est dire A.

Une masse atomique exprime en gramme s'appelle la masse molaire et elle reprsente alors la masse du nombre d'Avogadro d'entits en question.

mg

Mg

=

D

mg : masse molaire, Mg : masse atomique, : nombre d'Avogadro = 6,022045.1023

l

=

Mg

mg

Exemple pour le proton :

mg = 1,007276468 / 6,022045.1023 mg = 1,6726485.10-24

= 1,007276468 / 1,6726485.10-24 = 6,022045.1023

On retrouve bien ici le nombre d'Avogadro partir de la masse atomique et de la masse molaire du proton.

On peut ainsi relier le systme S.I. avec le systme des units de masse atomique ( u.m.a. ), l'unit de masse atomique tant par dfinition la masse du 12me de l'atome de carbone 12 :

1

1

2

1

2

u

m

a

g

.

.

.

.

=

l

= 1,6605655.10-24 gramme

La masse atomique d'un atome est toujours infrieure la somme des masses atomiques de son noyau et de ses lectrons car le systme est li, il y a eu perte de masse lors de sa formation.

Les masses peuvent tre aussi exprimes en units d'nergie puisqu'il y a quivalence masse-nergie d'aprs la relation : W = mc2

L'unit d'nergie souvent utilise est l'lectron-volt, nergie acquise par une charge lmentaire sous une diffrence de potentiel de 1 volt.

D'aprs W = q.V , on a :

1 eV = 1,6021892.10-19 joules

On en tire, puisque c = 299 792 458 m.s-1

1 g = 8,987551.1013 joules = 5,60954.1032 eV

1 u.m.a. = 931 501 200 eV

III - L'mission -

Ce sont des particules charges ngativement de masse beaucoup plus petite que les particules alpha; elle est gale celle des lectrons. Leur vitesse varie de l'une l'autre de sorte que pour un rayonnement Bta donn on a tout un spectre d'nergie.

Les lectrons - se distribuent en un spectre continu caractris par une nergie maximale Emax.

Le rayonnement bta est form d'lectrons de diffrentes nergies. Pour un isotope prcis, des lectrons de toutes sortes de vitesses comprises entre une vitesse maximum et minimum sont mis. Si on porte le nombre de dsintgrations qui ont conduit un lectron d'nergie donne en fonction de l'nergie, on obtient ce que l'on appelle un spectre continu.

Dans chaque dsintgration Bta une particule est mise en mme temps que l'lectron et l'nergie est partage au hasard entre les deux particules. Cette seconde particule, non observable, aurait une trs petite masse et une charge nulle, appele l'anti-neutrino. Son interaction avec la matire est si faible qu'elle a peu prs une chance sur deux de traverser quelques centaines d'annes lumire d'eau sans interagir. L'nergie maximale du spectre - est tablie prcisment dans le cas o l'anti-neutrino est mis pratiquement sans nergie.

L'mission Bta d'lectrons ngatifs apparat lorsque le noyau est instable, parce que contenant trop de neutrons par rapport aux protons.Ainsi, elle suit frquemment les ractions nuclaires dans lesquelles on introduit un neutron dans un noyau stable.

L'mission Bta est le rsultat de la transformation d'un neutron exdantaire ( jection d'un lectron ) en proton.

n p + e- + v e- + v = - donc n p + -

n neutron c'est la dsintgration p proton Bta- e- lectron v anti-neutrino

Comme la masse du neutron est suprieure celle du proton, cette transformation s'accompagne de libration d'nergie, laquelle acclre l'lectron et l'anti-neutrino. La perte d'une charge ngative quivaut au gain d'une charge positive.

IV - Schma de dsintgration.

Ed = M( X ) - M( X' )Ed = nergie de dsintgrationM( X ) = Masse de l'atome avant dsintgrationM( X' ) = Masse de l'atome rsiduel ( aprs dsintgration )

Cette formule simplifie ( masse de l'anti-neutrino nglige et nergie de recul de l'atome rsiduel nglige ) permet de tracer des schmas de dsintgration, dont le schma type est dcrit ci-dessous :

V - Formules mathmatiques de base pour le calcul d'activit.

Soit N le nombre de noyaux radioactifs d'une espce donne dans une source, l'instant t. Le nombre N des noyaux qui vont se dsintgrer dans un court intervalle de temps t suivant cet instant est naturellement proportionnel au nombre N et l'intervalle t considr soit :

N = -N . t , le signe "moins" indiquant que N est de signe contraire t, soit algbriquement ngatif, c'est dire correspondant une diminution de N quand t est positif. Si t diminue jusqu' l'infiniment petit dt, l'expression prcdente peut s'crire : dN = -N . dt, soit :

dN

dt

N

=

-

l

dN

dt

tant le taux de dcroissance, qu'on appelle ( en le prenant positivement ) l'activit de la source, c'est dire le nombre de dsintgrations par unit de temps, l'instant t.

de dN

dt

N

=

-

l

on passe mathmatiquement N = No e -t ( fonction exponentielle )

No tant le nombre de noyaux prsents l'instant pris comme origine du temps. Le temps au bout duquel le nombre de noyaux radioactifs est rduit de moiti ne dpend ni de l'poque considre ni du nombre de ces noyaux. En effet, soit T cette dure :

N = No e -t et N

2

= N = No e -(t + T) conduisent : T = Ln

2

0

6

9

3

l

l

=

,

Cette dure T s'appelle la priode.

Le nombre de dsintgrations par unit de temps, soit l'activit a s'exprime donc par :

a = dN

dt

N

=

-

l

= No e-t = ao e-t a = ao e-t

L'unit de radioactivit du Systme International d'Units ( S.I. ) est le becquerel ( Bq ) correspondant une dsintgration par seconde. Cette unit n'est pas employe en datation par le carbone 14.

1 bq = 1 dsintgration par seconde

1 curie ( Ci ) = 37 gigabecquerels ( GBq )

1 microcurie ( Ci ) = 37 kilobecquerels ( kBq )

LA METHODE

I - Introduction.

La dcouverte de la radioactivit naturelle a marqu un considrable progrs pour l'tude de la Prhistoire. On sait en effet, maintenant depuis environ 50 ans, que le matriel constitutif des stes archologiques contient parfois des radio-lments dont la teneur varie avec le temps et qu'il est ainsi possible de dater des vnements prhistoriques. Mais chaque isotope radioactif ne pourra tre utilis que dans une plage de temps bien dfinie, essentiellement en fonction de sa priode de demi-vie et de sa concentration initiale.

Le radiocarbone ou 14C ou carbone 14, est l'un de ces lments radioactifs. Bien, qu'il ne soit qu'en faible teneur dans la nature, sa dcouverte a t dterminante pour l'tude d'une priode hlas limite de la Prhistoire savoir les 30 ou 40 derniers millnaires.

Cet isotope du carbone fut dcouvert presque fortuitement en 1934 lorsqu'un physicien Amricain, F.N.F. Kurie, exposa de l'azote un flux de neutrons.

Mais la vritable dcouverte du radiocarbone naturel, date de 1946, lorsque Willard Franck Libby mit l'ide d'une production continue de cet isotope dans la nature et tablit les bases thoriques et pratiques de son utilisation en vue de datations en Archologie.

Les premiers rsultats de W.F. Libby en 1949 et 1950 et la mise au point par H.L. De Vries d'un procd trs sensible de mesure de la radioactivit 14C des chantillons, mirent en vidence toutes les possibilits de la nouvelle mthode de datation.

II - D'o vient le carbone 14 ?.

Une partie des neutrons crs dans l'atmosphre par les rayons cosmiques interagissent avec l'azote pour former un isotope radioactif du carbone selon la raction:

14N(n,p)14CRaction mise en vidence par LIBBY en 1946.

Plus prcisment, les protons cosmiques d'origine galactique sont plus ou moins dvis par le champ magntique terrestre. Ceux qui pntrent dans l'atmosphre donnent naissance des neutrons sur les molcules d'oxygne et d'azote de l'air. Aprs leur production, ces neutrons entrent en collision avec les molcules de l'air ; la suite de nombreux chocs, ils sont ralentis et atteignent peu peu l'nrgie thrmique des gaz. Ils donnent alors, avec une probabilit quasi- totale, du carbone 14 sur l'azote de l'air. La raction est la suivante:

146C - + 147N

Le maximum d'intensit des neutrons secondaires se produit dans une bande d'altitude correspondant des pressions rsiduelles de 75 120 g/cm2 ( soit de 18 15 km d'altitude ). On retrouve le mme maxi dans le spectre de taux de production du 14C. Le flux cosmique primaire est largement modul par le champ magntique terrestre et aussi par le champ magntique du vent solaire interplantaire. Il en est de mme pour la production du 14C qui est affecte des mmes variations spatiales et temporelles que le flux de protons. Elle varie en effet d'un facteur 4 5 entre l'quateur et le ple et elle subit des fluctuations notables au cours d'un cycle solaire ( Un cycle solaire dure 11 ans ).

Ceci a pour consquence de rendre difficile le calcul exact du taux de production du 14C ( teneur en 14C dans l'atmosphre ).

A la suite de mesures de flux de neutrons thrmiques faites en ballon l'aide de compteurs BF3, LINGENFELTER et RAMATY (1970), ont calcul les taux de production suivants par cm2 de surface terrestre et par seconde:

Pour le minimum solaire enregistr dans les annes 1953-1954 :

0,91 atome de 14C cm-2 sec-1 l'quateur, 4,99 atomes de 14C cm-2 sec-1 aux ples.

Pour le maximum solaire enregistr dans les annes 1957-1958 :

0,86 atome de 14C cm-2 sec-1 l'quateur,3.50 atomes de 14C cm-2 sec-1aux ples.

Des calculs plus rcents faits pour le cycle solaire entre 1965-1975 ( KORFF et MENDELL,1980 ) confirment et prcisent ces valeurs; ils conduisent un taux de production moyen de 2.25 +-0.1 atomes 14C cm-2 sec-1.

Le carbone 14 ainsi form s'oxyde rapidement, donne une molcule de 14CO2 qui se disperse et marque de faon uniforme par sa radioactivit le gaz carbonique atmosphrique.

Bien que de l'ordre de 25% au cours d'un cycle solaire de 11 ans, les variations du taux de production sont difficiles observer parce qu'elles ne produisent pas un changement trs sensible dans la concentration du 14C atmosphrique.

HOUTERMANS ( 1966 ) a montr en effet qu'une variation priodique de 10 ans dans la production du 14C tait attnue d'un facteur 100. C'est bien ce qui a t trouv en mesurant l'activit du bois prlev dans les couches annuelles d'arbres. L'activit du carbone varie pendant un cycle solaire de 1 2 pour mille.

Ce carbone est rapidement oxyd pour donner du gaz carbonique ( ex : absorb par les plantes au cours de la photosynthse ). Le bois vivant contient donc toujours une certaine proportion de carbone 14, et on a constat que cette quantit tait constante dans le monde, chaque gramme de carbone contenant suffisamment d'isotopes 14C pour qu'un dtcteur enregistre 13.6 dsintgrations par minute et par gramme de carbone ( DPM/g ).

Par exemple, l'orsqu'un arbre est abattu, le bois cesse de vivre, le procesus de photosynthse s'arrte, et il n'y a plus absorption de gaz carbonique.L'isotope 14C est alors libre de se dsintgrer sans compensation, selon la raction suivante :Le carbone 14 est metteur radioactif -

14C 14N + 0e ou encore 14C - + 14N 6 7 -1 6 7

III - Concentration du carbone 14.

Le carbone 14 est l'un des isotopes du carbone : son abondance est de 1,2 10-12 %; les deux autres isotopes sont stables , ce sont le carbone 12 et le carbone 13 prsents rspctivement dans la proportion de 98,89% et de 1,108%.

IV - Priode de dsintgration ( ou demi-vie ).

Elle est thoriquement de 5730 40 ans ( GODWIN, 1962 ) mais suite des conventions internationales de la communaut scientifique du radiocarbone pour viter des confusions, la priode utilise est celle mise en vidence par Willard Libby de 5568 30 ans. Valeur adopte ds 1951 et qui continue d'tre utilise pour le calcul des ges. Le passage de cette dernire priode la nouvelle se fait en multipliant les ges par le facteur : 1,03.

Au bout de 5568 ans on peut donc s'attendre ce que le morceau de bois ne donne que 6.8 DPM/g. Il est ainsi possible d'valuer l'ge d'un spcimen de bois ( ou de tout autre matriau d'origine organique ) d'aprs son degr de radioactivit.

Cette mthode de datation par le carbone 14 a t applique, par exemple du bois prlev dans des tombes gyptiennes que les archologues estimaient vieillies de 4600 ans. On a obtenu un taux de comptage correspondant un ge de 4500 ans, ce qui tait une confirmation frappante du raisonnement des archologues.

Ainsi, formation et dsintgration du carbone 14 se produisent simultanment et se conjugent pour arriver un quilibre radioactif qui maintient constantes la composition isotopique et l'activit spcifique du carbone atmosphrique. Donc cette activit naturelle est trs faible, et elle a t dtermine comme tant gale : 13,56 +- 0.07 dsintgrations par minute et par gramme de carbone.

Soit 13,6 DPM/g de carbone ( KARLEN et Al.,1966)

V - Principe de la datation par le carbone 14

On sait que tout organisme prsente de son vivant la mme radioactivit que le gaz carbonique atmosphrique. A sa mort, les changes gazeux cessent, le 14C n'est plus renouvel, sa radioactivit dcroit alors lentement raison de la moiti tous les 5568 ans, c'est la priode de demie-vie *.( * priode adopte par convention internationnale )

Ainsi si on mesure aujourd'hui l'activit 14C = At d'un bois, on peut en la comparant l'activit du carbone moderne Ao, en dduire le temps t qui s'est coul depuis sa mort. C'est ce que l'on appelle l'ge.

L'ge est calcul partir de la formule de dcroissance exponentielle radioactive:

At = Ao e-t

At activit carbone de l'chantillon ( chantillon archologique )Ao activit carbone moderne ( chantillon standard de rfrence ) ( Lembda ) constante de dsintgration Ln2/T gale 0.69314/TT tant la priode de demi-vie du 14C utilise par convention, soit 5568 ans

Si on introduit la valeur de la priode dans l'quation ci-dessus, on obtient une formule simple pour le calcul des ges:

AGE = log Ao/At * 18,5 103 ans

Tel est le principe de la mthode. Il repose sur l'hypothse que la radioactivit naturelle est rste constante au moins au cours des 40000 dernires annes, autrement dit, on suppose que l'activit 14C d'organismes vivants actuellement est identique celle des mmes organismes qui ont vcu il y a 10000 ans par exemple.

Cette hypothse n'est pas rigoureusement exacte car l'activit du carbone 14 n'a pas toujours t constante dans le temps Fluctuations de la teneur en 14C dans l'atmosphre.

Le principe de la mthode de datation par le 14C consiste donc mesurer l'activit spcifique d'un chantillon, qui est le nombre de rayons - mis par gramme de carbone et par minute, et en dduire par le calcul, le temps coul depuis la mort de l'organisme sur lequel l'chantillon a t prlev.

La dcouverte de W.F. Libby, qui lui valut l'attribution du prix Nobel de Chimie en 1960, fut d'expliquer la teneur en 14C de toute matire carbone. W.F. Libby montra que le bombardement de l'azote par des neutrons se produisait de faon continue dans la nature et que le produit de cette raction, le radiocarbone, faisait partie intgrante de certaines matires carbones de la nature.

VI - Distribution du carbone 14 dans la nature

Bien que la production de radiocarbone soit continuelle comme l'est depuis des millnaires le rayonnement cosmique, il n'y a pas accumulation de carbone 14 parce que cet isotope est radioactif. Cela veut dire que tous les atomes de radiocarbone se dsintgrent spontanment au bout d'un certain temps en mettant un lectron et en redonnant un atome de 14N.

Comme cette dsintgration est un phnomne rgi par les lois de la statistique, si l'on fait la moyenne pour un trs grand nombre d'atomes, sa frquence est absolument constante et elle est dfinie par la priode de l'isotope 14C qui a t mesure par les physiciens. Ces derniers ont dmontr que toute matire carbone isole de la source de production de radiocarbone perd la moiti de sa teneur originelle en 14C et que la concentration de cet isotope diminue de moiti tous les 5568 ans. ( Convention internationale, sinon c'est 5570 ans )

Parmi les lments prsents la surface de la terre, le carbone est l'un des plus importants. Il est trs diversement rparti : - sous forme de gaz carbonique dans l'atmosphre, - sous forme de composs organiques dans la biosphre terrestre et marine, - sous forme de gaz carbonique, de bicarbonates dissous et de carbonates dans les ocans.Des changes constants de carbone se produisent dans ce systme qui constitue le systme changeable.

La rpartition du carbone dans l'atmosphre est connue avec une assez bonne prcision.

C'est dans la biosphre terrestre qui comprend la matire vgtale vivante et morte, c'est dire les vgtaux et les sols, que l'on a le moins d'information.

Le carbone est, par ailleurs, beaucoup plus abondant dans le systme sdimentaire constitu par les roches sdimentaires calcaires, les sdiments marins, les charbons et le ptrole. Dans les roches de formation trs ancienne, le carbone est totalement dpourvu de 14C ( exemple donn pour quelques millions d'annes ).

Les diffrents rservoirs sont supposs en quilibre rciproque vis vis de la teneur en 14C qui est elle-mme homogne dans chacun d'entre eux est considre comme constante puisque l'quilibre radioactif est atteint ( taux de production = taux de dsintgration ).

L'quilibre est rompu lorsque cesse l'inter-connection de l'un des rservoirs et seule la dcroissance radioactive se produit dans le rservoir isol.

Il est donc possible de connaitre le moment o le rservoir a t isol, donc de dater cet vnement, condition que l'chantillon n'ait pas nouveau particip ultrieurement d'une faon quelquonque au cycle du carbone.

A la surface des ocans la plus grande partie du carbone prsent dans l'air s'change avec celui dissous dans les eaux marines et entre dans la constitution des organismes marins; l'autre partie, par la photosynthse, constitue plus ou moins directement les cellules de tous les organismes terrestres.

Pour que l'activit spcifique de 13,6 dpm/g de carbone reste constante, il faut que le systme d'change matire carbone-atmosphre reste ouvert. S'il se ferme pour une cause quelquonque, telle que la mort de l'organisme ou la prcipitation de calcaire , la teneur en 14C va immdiatement commencer dcroitre et continuera le faire rgulirement jusqu' la disparition totale des isotopes radioactifs qui ne sont plus renouvels.

Donc la teneur en radiocarbone sera d'autant plus basse qu'il se sera coul plus de temps depuis l'interruption de l'change avec la source de radiocarbone.

DATER UN ECHANTILLON PAR LE RADIOCARBONE CONSISTERA DONC A MESURER SA TENEUR EN 14C ACTUELLE ET LA COMPARER A CELLE QU'IL AVAIT LORS DE SA FORMATION.

Cette figure prsente les autres mthodes de datation disponibles.

14C : datation par le Carbone 14U/Th : datation par le couple Uranium/ThoriumT.L. : datation par ThermoluminescenceK/Ar : datation par le couple Potassium/ ArgonRb/Sr : datation par le couple Rubidium/StrntiumU/Pb: datation par le couple Uranium/Plomb

ACTIVITE STANDARD INITIALE

I - Historique

Comme la valeur de la radioactivit d'un chantillon ancien est compare celle qui existe actuellement dans la matire carbone vivante, les ges 14C sont donns par rapport au temps prsent ou "avant le prsent" ou "before present" (BP). Mais encore faut-il dfinir l'anne "zro" de rfrence.

Il est ncessaire, pour cela, de revenir sur le principe mme de la datation. Pour que l'on puisse comparer valablement la radioactivit restante de divers chantillons avec leur radioactivit primitive, il faut tre sr que celle-ci est toujours t la mme quelque soit l'poque de la mort des matires carbones, ou, ce qui revient au mme, affirmer que la radioactivit 14C de l'atmosphre soit reste constante pendant les 40 derniers millnaires. Si comme le font penser les tudes sur le cycle du 14C et la bonne correspondance de tous les rsultats obtenus, on est certain qu'il n'y a pas eu de fortes variations, on s'apperoit cependant avec des mesures trs prcises sur des chantillons historiquement dats, que de lgres fluctuations ont pu avoir lieu autrefois.

Mais, beaucoup plus importantes sont les perturbations que l'homme a recemment apportes en troublant de deux faons l'quilibre de la nature. Depuis le dbut de l're industrielle la combustion de matires carbones fossiles, telles que les charbons ou ptroles, a introduit dans l'atmosphre une trs grande quantit de CO2 dpourvu de 14C. On a mesur qu'en 100 ans, pour cette raison, la teneur en 14C des organismes vivants avait baiss de 2%. C'est ce que l'on appelle l'Effet SUESS.

Tout recemment, depuis le dbut de "l're atomique", certaines des explosions nuclaires qui se sont produites l'air libre ont dgag une telle quantit de 14C artificiel que la teneur normale avait augment en 1957 de 7%, en 1961 de 20% et a atteint son maximum en 1964 aux environs de 90%. C'est dire pratiquement double !.Depuis que les grandes expriences thermo-nuclaires dans l'atmosphre ont cess, l'excs de radiocarbone est progressivement absorb par les eaux ocaniques et la teneur du CO2 atmosphrique baisse chaque anne trs sensiblement. Dans ces conditions la comparaison des chantillons anciens avec les actuels perd videmment toute signification pour la datation.

La prsence de ces deux phnomnes une grande importance pour la datation par le carbone 14 car aucun matriau organique rcent ne peut tre utilis comme standard de rfrence.Ainsi, pour palier cet inconvnient, il a fallu prparer un chantillon talon international, l'acide oxalique I du N.B.S. ( National Bureau of Standards de Washington, USA ).L'activit de cet acide oxalique a t dtermine partir d'un chantillon de bois ( trs vieux chne ) n'ayant pas subi encore l'effet SUESS, c'est dire ramass en 1850. Cette mesure a t quand elle, ralise dans les annes 1950 et l'activit obtenue de ce bois trs vieux a t de 103 %. Mais comme entre 1850 et 1950, il y a eu une baisse de la teneur en 14C de l'ordre de 2%, cette activit doit tre ramene 105 % en 1950. ( 103 % + 2 % = 105 % )

Deux faits sont maintenant tablis :

- l'activit moderne avant 1850 est de 100 %- l'activit moderne de 1850 mesure en 1950 est de 105 %

Donc pour se ramener l'activit moderne de 1850, on prend 95 % de cette activit uniquement partir de la mesure de l'acide oxalique I.

C'est dire que l'on prend 95% de 105% pour obtenir une activit moderne de 100%, celle correspondant 1850.

Cette valeur de rfrence est tablie pour que les dates ne changent pas chaque anne, ainsi l'anne 1950 aprs Jsus-Christ a t choisie comme anne "0" des dates BP, soit l'origine du calendrier carbone 14.

L'acide oxalique I ( ancien ) reprsente 95% du standard moderne avec pour valeur de 13C : -19 pour mille.

Depuis maintenant quelques annes, un nouvel acide oxalique ( II ) est utilis par certains laboratoires. Il reprsente 73.68 % du moderne et a pour valeur de 13C :-19 pour mille, mais par convention internationale, cette valeur est ramene -25 pour mille.

De nombreuses tudes comparatives sur les rsultats fournis par les laboratoires du monde entier sont effctues intervalles rguliers dans le temps. Ces tudes ont pour but de proposer tous les laboratoires des chantillons dont les activits sont connues d'une seule personne, et de les prparer jusqu' en fournir un rsultat prcis. Ceci permet de comparer les rsultats entre les divers laboratoires qui ont accpt le protocole et d'tablir la prcision de chacun d'entre eux.

En 1990 par exemple, cinq chantillons ont t analyss par plusieurs laboratoires. Il s'agissait de trouver pour :

Un calcaire ( marbre ) : 0% d'activit ( teneur en carbone 14 ).Un carbonate : 45%"Une cellulose : 130%"Un bois trs vieux : 0%"Un bois mois vieux : 25 %"Un sucrose : 150%"

II - Les fluctuations de la teneur en carbone 14.

Les fluctuations rcentes de la teneur en 14C dans l'atmosphre sont d'une grande amplitude. Elles peuvent tre mesures avec prcision et leurs causes sont connues ( cycle solaire, champ magntique terrestre, etc... ). En fait il n'est pas tout fait "juste" de considrer une production de 14C dite constante depuis des millnaires, comme souvent la communaut scientifique le laissait entendre jusque dans les annes 1980.

En mesurant avec une grande prcision des chantillons bien dats de l're chrtienne, on a constat qu'il pouvait y avoir des diffrences de l'ordre de 70 ans. Ces carts de dates sont peu importants au regard de la prcision des mesures de la teneur en 14C pour cette priode.Mais, lorsqu'on a voulu comparer les dates 14C avec celles du calendrier gyptien jusqu'aux limites de celui-ci, les carts apparurent plus importants, mme en utilisant la valeur la plus exacte de la priode de demi-vie du carbone 14.

Cette dviation entre les deux calendriers fut confirme lorsque, en mesurant les teneurs en 14C des anneaux annuels de certains arbres trs vieux ( Pinus Aristata ou Seoquoi Gigantea ) on constata que la dendrochronologie donnait les mmes dates que le calendrier egyptien.

Ainsi la dviation des dates 14C par rapport au calendrier rel semble bien tablie pour les 9 derniers millnaires.

Divers laboratoires font les mesures ncessaires l'tablissement de "courbes de correction dendrochronologique" permettant le passage du calendrier carbone 14 celui des annes relles avant ou aprs J.C. Actuellement les courbes de correction dendrochronologique permettent de calibrer des dates 14C BP jusqu'aux environs de 11 000 ans BP soit 9940 ans AV J.C.

D'autres laboratoires travaillent eux sur l'laboration de courbes de correction non plus bases sur la dendrochronologie, mais sur l'ge des coraux par la mthode de datation U/Th. Ainsi il est possible maintenant de pouvoir obtenir une estimation de l'ge calibr jusqu'aux environs de 20000 ans AV J.C. soit 18000 BP. Les valeurs obtenues ( peu nombreuses ) permettent par extrapolation mathmatique de produire une courbe de correction relie celle de la dendrochronologie.

FRACTIONNEMENT ISOTOPIQUE

Au cours des quilibres physico-chimiques, des ractions gochimiques et biologiques auxquels il participe, le carbone subit un fractionnement isotopique dont l'amplitude peut atteindre 3% pour le 13C. GRAIG (1954) ayant montr que l'effet isotopique affctant le 14C est le double de celui du 13C, il est donc possible de tenir compte de ce fractionnement. La relation est:

14C = sigma14C-(2sigma 13C+50)(1+10-3sigma14C)

14C est un paramtre qui correspond l'activit 14C normalise au mme rapport 13C/12C.

Le carbone 13 est utilis pour normaliser les ges radiomtriques des chantillons archologiques et aussi corriger les ges des eaux souterraines.La teneur du 13C est mesure par spectromtrie de masse directement sur le CO2 provenant de l'chantillon. Elle est exprime par rapport un talon de rfrence ( Belemnite de la Peedee formation , U.S.A) sous forme de 13C PDB selon la relation suivante avec R = 13C/12C :

13C /oo = Rech

Rstd

Rstd

-

* 100

ou

13C /oo = 13

C

/

12

C ech

-

13

C

/

12

C std

13

C

/

12

C std

* 1000

L'ge radiomtrique prend alors la valeur :

ge( t ) = T

2

Ln

100

+

delta ech

100

+

delta std

Ln

Des fractionnements isotopiques se produisent dans la nature , soit au cours des processus d'assimilations biologiques du carbone par les plantes, soit au cours des processus physico-chimiques tel que la dissolution du gaz carbonique atmosphrique dans l'eau de mer. Il s'en suit des enrichissements ou des appauvrissements d'un isotope par rapport aux autres.

Les modifications de composition isotopique du carbone peuvent tre mises en vidence par la mesure du rapport 13C/12C. Le carbone 13 est un isotope stable dont la concentration est mesurable avec beaucoup de prcision par spectromtrie de masse. Ces mesures isotopiques s'expriment en termes de diffrence , 13C entre le rapport 13C/12C de l'chantillon et le rapport 13C/12C d'un carbone standard.

Par dfinition le 13C de rfrence ( PDB ) est gal 0 pour mille.

Dans le CO2 atmosphrique la valeur du 13C est de : - 6,8 /ooLe 13C des coquilles marines ont des 13C de : - 2/oo + 3/oo ( valeurs peu diffrentes du standard )Le 13C des vgtaux marins submergs : - 8 - 30/ooLe 13C des vgtaux d'eau douce : - 8 - 24/oo

Le 13C des plantes terrestres cycle C-3 est de : - 27/oo Le +13C des plantes terrestres cycle C-4 est de : - 14/oo

Ils correspondent aux deux principaux processus de photoshyntse pour l'assimilation du CO2 atmosphrique. Cycles dit de Calvin C-3 et de Hatch et Slack C-4. Mais certaines plantes ont un 13C intermdiaire.

Tous ces fractionnements mis en vidence par la mesure de l'abondance isotopique du carbone de masse 13, affectent aussi la masse 14. Selon GRAIG (1954) le fractionnement sur le 14C est presque exactement gal, l'quilibre, deux fois le fractionnement sur le 13C.

Pour tenir compte de cet effet, on corrige l'activit mesure en utilisant la formule:

14C/oo = 14C - (2 13C + 50 ) ( 1 + ( 14C / 1000))

Le 14C/oo est la diffrence en /oo entre le rapport 14C/12C de l'chantillon et celui du carbone standard.

14C/oo = 14

C

/

12

C ech

-

14

C

/

12

std

14

C

/

14

C std

* 1000

Le 13C est dtrmin partir du compos carbon utilis pour la mesure de radioactivit, ce qui permet de corriger galement les ventuels fractionnements qui peuvent se produire au cours de la prparation chimique.

La valeur 50 a t choisie de faon que le 14C = 14C lorsque le 13C = - 25/oo, ce qui est normal, la plupart des laboratoires utilisant en effet comme standard 14C, un bois dont le 13C est proche de -25/oo. ( Convention Internationale pour la normalisation )

Ainsi, le 14C donne la valeur de l'activit d'un chantillon par rapport l'activit du carbone moderne de rfrence, aprs les corrections d'effets isotopiques.

Pour 1% de variation de 14C/+12C, on a une difference d'ge de 80 ans.

L'intrt des corrections varie avec l'anciennet des chantillons. Elles sont importantes pour la datation prcise de niveaux recents, elles deviennent ngligeables s'il s'agit de gisements trs anciens. ( > 20000 ans )

Moyennes suggres pour les valeurs de 13C et leur incertitude pour les diffrents matriaux cits ci-dessous par Stuiver et Polach, 1977 et Polach, 1976.

Materiel 13C pour mille par rapport au Standard PDB

Bicarbonate marin 1 1

Carbonate marin 0 2

Carbonate de sol et Carbonate secondaire d'os -5 2

Concrtion calcaire de grotte -8 2

Gaz carbonique atmosphrique -9 2

Apatite d'os et carbonate originel d'os -10 2

Grains, semences, mais, millet -10 2

Plantes marines submerges -12 2

Bicarbonate d'eau douce -12 2

Herbe de zone arride, joncs, Papyrus -13 2

Paille de lin -14 2

Organismes marins -15 2

Plante d'eau douce submerge -16 4

Plante grasse (Cactus, Ananas, etc.) -17 2

Collagne d'os, Cellulose de bois -20 2

Crales (Bl, Avoine, Riz, etc.) -23 2

Graphite, Charbon -23 2

Bois fossile, Charbon de bois -24 2

Bois rcent, Charbon de bois -25 2

Feuille d'arbre, de Bl, de Lin, etc -27 2

Tourbe, Humus -27 3

MESURE DE L'ACTIVITE DES ECHANTILLONS

I - Mesure de la teneur d'un isotope.

Mesurer la radioactivit d'un isotope, c'est compter un par un, pendant un temps relativement long ( 2 3 jours ), tous les atomes de cet isotope qui se dsintgrent pour une masse donne de benzne. Il faut pour cela que chaque dsintgration produise un effet physique dtctable. C'est le cas pour le radiocarbone qui jecte un lctron dont l'nrgie bien que trs faible, peut cependant tre dtcte dans des compteurs scintillation liquide trs sensibles travaillant en bas bruit de fond.Ces appareils sont quips de deux tubes photomultiplicateurs placs en concidence et auxquels est applique une haute tension ( cf : chapitre concernant les compteurs de cet ouvrage ).

II - Principe de mesure.

Le rayonnement bta du carbone 14 excite les molcules d'un scintillateur organique ajout au benzne qui mettent une radiation lctromagntique dont la longueur d'onde est fonction du scintillateur utilis. Cette radiation ( mission ponctuelle ) est transforme par la photocathode du tube PMT en impulsion lctrique elle-mme amplifie par les dynodes.Donc, le 14C prsent dans l'chantillon de benzne met des rayonnements - , qui au contact du liquide scintillant donnent naissance des photons. Ces photons sont d'nergies diffrentes et la courbe thorique de dtction est la suivante ( spectre 14C non quench ) :

Ces photons n'tant pas dans du benzne pur, ils se heurtent des impuretes et voient leurs nergies diminuer. On obtient alors une courbe dcale vers les faibles valeurs.( spectre 14C quench )

Quench = Affaibli = Affaiblissement Lumineux

III - Prparation de la solution scintillante.

Dans les tableaux suivants, on rappelle la nature des deux scintillants qui sont utiliss comme liquide scintillant au laboratoire. Ces scintillants se prsentent sous forme de poudre et sont directement pess sous cette forme avant d'tre en contact du benzne de l'chantillon ou d'un bruit de fond.

Liquide Scintillant Primaire: Buthyl-PBD (2-(4-Biphenylyl)-5-(4-tert-Buthyl-Phenyl)-1,3,4-Oxadiazole)Fluorescence maximale en longueur d'onde : 367 nanometres

Concentration utilise au Laboratoire de Lyon : 0.0028 g par gramme de benzne

Liquide Scintillant Secondaire : bis-MSB 1,4-Di-(2-Methylstyryl)-BenzeneFluorescence maximale en longueur d'onde : 415 nanometres

Concentration utilise au Laboratoire de Lyon : 0,003 g par gramme de benzne

Proprits optiques d'absoption et d'mission du couplage des deux scintillants :

Longueur d'onde de l'absoption maxi :409 nanosecondesLongueur d'onde de l'mission maxi:412 nanosecondes

Proprits optiques d'absoption et d'mission du couplage des deux scintillants compris dans une garde plastique :La nature des scintillants reste du domaine de la confidentialit par la socit Packard Instruments !Longueur d'onde de l'absoption maxi :410 nanosecondesLongueur d'onde de l'mission maxi:425 nanosecondes

LES CONCENTRATIONS SONT CALCULEES ET PREPAREES POUR UN VOLUME TOTAL DE 4 ML DE SOLUTION ( SUR LA BASE DE 3,52 g DE BENZENE D'ECHANTILLON 14C + SCINTILLANT )

Masse volumique du benzne = 0.88 g/litre ( 0.88 * 4ml = 3.52 g )

En sortie du banc de chimie principal, le volume de benzne idal doit tre de l'ordre de 4 ml qui a la pse doit permettre de garantir au moins 3,52 g de benzne.

La prcision du pipetage a t reconnue trs mauvaise, c'est pourquoi lors des prparation de benzne tout est effctu avec la pese.

Pese de la bouteille vide + bouchon + 3,52 g = pese thoriquePese de la bouteille vide + benzne obtenu = pese pratique

Si la pese pratique est infrieure la pese thorique, il y a compensation du poids de benzne de l'chantillon par du benzne mort commercial exempt en 14C pour se ramener 3,52 g.

Le volume est toujours ramene 4 ml dans la bouteille de 7 ml.

IV - Formules du calcul de l'ge d'un chantillon.

L'ge d'un chantillon est possible par la formule suivante :

t = -

8033

*

ln

A

Ao

Ao est la concentration originelle de l'chantillon dater, c'est dire la valeur de l'activit du standard de rfrence ( valeur de l'acide oxalique I ).

A est la valeur de l'activit de l'chantillon obtenue aprs comptage.

La constante 8033 provient de :

Ln2/T T tant la priode du C14 = 5568/Ln2 = 8032.92 soit 8033

V - Erreurs prises en compte pour les calculs d'ges.

- erreur sur la mesure du nombre de coups de l'echantillon- erreur sur la mesure du standard- erreur sur la pese de l'chantillon lors de la dilution- erreur sur le poids de benzne- erreur sur le bruit de fond- erreur sur le 13C pour le fractionnement isotopique.

VI - Difficults de la mesure 14C.

Pour les compteurs scintillation liquide, la quantit d'chantillon analyse se situe gnralement autour de 0,1 3 g de carbone, c'est dire, ramene en poids de benzne rel d'chantillon une valeur comprise entre 0,1 g 3,52 g ( ou plus ) de benzne, dans un volume de 4ml de solution totale. On a vu que le maximum de la radioactivit 14C, celui de l'atmosphre ou des chantillons comtemporains, est de l'ordre de 13.6 dpm/gr de carbone. Les taux enregistrs par les compteurs seront donc au plus de 10 50 dpm. Ces taux de radioactivit sont extrmement faibles.

Or il existe un trs grand nombre d'autres isotopes naturels radioactifs dont leur rayonnement est beaucoup plus intense que celui du 14C. Il est donc ncessaire que le matriel servant la construction des compteurs soit soigneusement slctionn, sinon des radioactivits viendraient se supperposer celle du 14C et prturber toutes les mesures. D'autre part, les rayons cosmiques sont trs pntrants et peuvent donner mille fois plus de coups par minute que la solution mesurer. Aussi pour arriver dtcter la radioactivit 14C, on doit liminer au maximum les rayonnements extrieurs par des blindages de plomb et divers procds lctroniques.

Quelques soient les perfectionnements techniques que l'on puisse faire, il reste toujours un certain taux de radioactivit parasite plus ou moins constant, de l'ordre de 1 10 CPM ( coup par minute ), que l'on appelle le "bruit de fond" ou "mouvement propre".

Le bruit de fond est l'une des principales caractristiques de l'appareillage qui dfinit les limites de la datation.

Il arrive lorsqu'un chantillon est trs vieux d'avoir un nombre de dsintgrations - mises trs faible, et il devient impossible de distinguer le taux de comptage de l'chantillon de celui du bruit de fond du compteur.Le nombre d'impulsions des au 14C ne peut alors plus tre chiffr car il est gal ou infrieur aux fluctuations statistiques du bruit de fond. On arrive ainsi une limite de mesure qui est thoriquement gale 2 fois la fluctuation du bruit de fond.

Enfin chaque instant, la dsintgration d'un atome radioactif est essentiellement alatoire, et le taux de radioactivit d'un corps n'a de signification physique que s'il est pris comme une moyenne sur un nombre de coups assez important, d'o la ncessit de compter chaque chantillon pendant longtemps.

En rsum, les trois principales difficults des mesures de toutes datations 14C sont:

- la ncessit d'avoir un appareillage trs stable et trs sensible, - la connaissance parfaite chaque instant, de son bruit de fond - l'obligation de compter longtemps, par scurit, plusieurs fois et sur des compteurs diffrents, pour avoir une moyenne prcise.

VII - Mode de reprsentation des rsultats.

Le rsultat des comptages de chaque chantillon est exprim en "coups par minutes" (CPM ). On le divise par celui obtenu pour l'chantillon standard d'ge "zro" pour obtenir, en pourcentage, l'activit rsiduelle de l'chantillon dater. Son ge est alors calcul par une formule simple tenant compte de la priode du carbone 14. Mais, comme la radioactivit l'origine des coups enregistrs est un phnomne rgi par les lois de la statistique, le rsultat obtenu est ncessairement entach d'une certaine imprcision que l'on appelle la " Dviation Standard " et qui est gale la racine carr du nombre enregistr, divis par le temps de mesure. L'ge finalement obtenu sera donc toujours accompagn d'une marge statistique en "" dfinissant la prcision avec laquelle le phnomne est mesur, c'est dire, pour une datation l'intervalle de temps dans lequel se trouve la date exacte.

L'analyse statistique montre que la date rlle a 68.5 % de chances de se trouver dans l'intervalle dfini par 1 sigma, 95.8 % de chances d'tre dans l'intervalle de 2 sigma, et 99.7 % de chances d'tre dans l'intervalle de 3 sigma.

Le rsultat d'un ge 14C est toujours donn par le laboratoire 1 sigma.

Exemple : 4521 45 BP

CALIBRATION - CORRECTION DES DATES 14C

I - La calibration des dates 14C par informatique ( D'aprs CALIB3.03 ).

Les programmes de calibration permettent de calibrer les dates radiocarbone conventionnelles exprimes par rapport au calendrier carbone 14, c'est dire en BP ( Before Present ) en un intervalle de temps en annes relles ( Calendrier AV et/ou AP J.C. ) avec galement un calcul de distribution de probabilits. Les laboratoires de radiocarbone donnent les ges 14C BP avec une marge statistique ( cart type ) 1 sigma. Ainsi l'ge conventionnel a 68% de chance d'tre compris dans un intervalle d'ge de 1 sigma centr sur la valeur conventionnelle. Les rsultats de calibration en annes relles reprsentent un intervalle de dates en AV ou AP J.C. On trouve aussi les rsultats de calibration exprims en Cal BP, c'est dire des dates calibres BP exprimes par rapport une chelle en annes calendaires radiocarbone, dont la valeur 1950 est ajoute, mais cette reprsentation n'est pas conseille. L'anne d'origine 0 alors de cette chelle en annes calendaires radiocarbone correspond l'anne 1950 du calendrier en annes relles.

Aucune date dans un intervalle donn ne peut tre plus privilgie qu'une autre car la distribution de probabilits n'est pas une distribution gaussienne.

Les rsultats de calibration, par conventions internationales, doivent tre toujours considrs dans un intervalle 2 sigma, c.a.d. un niveau de confiance 95% et en AV. / AP. J.C.

I A - Introduction

Tout d'abord il est ncessaire de faire un rappel sur la terminologie employe dans la littrature et dans les programmes informatiques de calibration.AP J.C.

AV J.C.

1950

0

0

1950

11000

15000

19000

23000

Cal yr BP

7000

Ce graphique permet de mettre en vidence l'chelle des ges calibrs ( axe X ) exprims en annes relles ( AV / AP J.C. ) et l'chelle des ges calibrs ( axe X ) exprims en annes calendaires radiocarbone ( Cal BP ).

Voici la liste exhaustive des terminologies que l'on rencontre et de leur intprtation relle :

Cal AD = Calendrier annes relles = Dates calibres AP. J.C. 1, 2 ou 3 sigma = Intervalles de dates calibres AP. J.C. 1, 2 ou 3 sigma

FFORTIN Cal BC = Calendrier annes relles = Date calibre AV. J.C. 1, 2 ou 3 sigma = Intervalles de dates calibres AV. J.C. 1, 2 ou 3 sigma

Cal AD / BC = Calendrier annes relles = Dates calibres AV. / AP. J.C. 1, 2 ou 3 sigma = Intervalles de dates calibres AV. / AP. J.C. 1, 2 ou 3 sigma

BP = Before Present = Age 14C BP conventionnel.

Cal BP = Calendrier radiocarbone = Date en anne radiocarbone dont l'origine du calendrier est l'anne 1950 du calendrier annes relles.Une date exprime en Cal BP est une date radiocarbone calibre dont il faut enlever la valeur 1950 pour trouver son "quivalent" sur le calendrier annes relles AV ou AP J.C. Exemple des deux calendriers sur le graphique ci-dessus.L'anne 1950 du calendrier annes relles est l'anne de rfrence ( 0 ) du calendrier radiocarbone.

Avertissement : Afin d'viter toute confusion, les dates sont exprimes soit en ge radiocarbone conventionnel ( 14C BP ) soit en annes relles ( AV et/ou AP. J.C. )

Il existe aussi une terminologie pour exprimer une date en BC, par exemple : 5010 BC. Cette expression signifie une date 14C BP non calibre dont on a soustrait la valeur 1950.Il n'est pas trs recommand d'utiliser cette expression de date !

Le calcul d'un ge radiocarbone d'un chantillon repose sur la supposition que l'activit spcifique du 14C dans le CO2 atmosphrique ait t constante ( 14CO2 ). Cependant cela n'est pas tout fait vrai. L'activit 14C dans l'atmosphre et dans les autres rservoirs (ocans et biosphre ), et , donc celle de l'activit initiale des chantillons dats, a vari dans le temps ( Stuiver et Braziunas, 1993 ). Une courbe de calibration est ncessaire pour convertir les ges radiocarbone conventionnels en annes relles. En mesurant l'ge radiocarbone des cernes de croissance d'arbres trs vieux et d'ge connu, il a t possible de construire une srie de donnes chronologiques de calibration par tranche de 10 annes ( dcade ) pour les annes relles postrieures 6000 AV. J.C. ans et une srie de donnes par tranche de 20 annes ( bidcade ) pour les annes relles postrieures 7890 AV. J.C. ans pour les chantillons en quilibre avec le CO2 atmosphrique. ( Linck et al., 1986 - Pearson et al., 1993 - Pearson et Stuiver, 1993 - Stuiver et Becker, 1993 - Stuiver et Pearson, 1993 )

Une chronologie dite "flottante" ( c'est dire reposant sur des donnes dendrochronologiques pas ncessairement dates ) base aussi sur les cernes de croissance d'arbres permet une extension de la chronologie par tranche de 20 annes ( bidcade ) jusqu'en 9440 AV. J.C.. Une modlisation par informatique a permi de produire une srie de donnes chronologiques par tranche de 20 annes pour la calibration des chantillons marins ( Stuiver et Braziunas, 1993 ). Avec la mthode de datation U-Th ( Uranium-Thorium ) et des mesures radiocarbone sur les coraux ( Bard et al., 1993 ), la courbe de calibration pour les chantillons atmosphriques, et galement pour les marins, a pu tre tendue jusqu' 20000 AV. J.C.. par les mathmatiques statistiques ( courbe trs rgulire lisse par la mthode Spline ) au travers des mesures radiocarbone et ges dtermins tous les 50 ans. II - Considrations Prliminaires.

II A - Choisir une courbe de calibration.

Pour la plupart des chantillons non marins, la courbe atmosphrique reprsente par sa srie de donnes en tranche de 20 annes ( bidcade ), doit tre prfre puisqu'elle est plus rgulire et plus prcise que la courbe atmosphrique reprsente par sa srie de donnes en tranche de 10 annes ( dcade ) et ses extensions pour les vieilles dates.

Les ges autour de 10000 14C BP ( soit entre 9490 et 7890 AV. J.C. ), la srie de donnes utilise pour la calibration est bien base sur la dendrochronologie ( Becker et al., 1991 ) mais qu'elle n'est absolument pas fixe dans le temps dans la mesure o certains points n'ont pu tre fournis.Une trs grande tude sur l'harmonisation des chevauchements des tracs des cernes de croissance d'arbres par Becker ( 1993 ), quivalent une augmentation de 74 annes en ges calibrs, aboutie aux ges absolus AV. J.C de Kromer et Becker ( 1993 ).

Cette harmonisation a t adopte dans les nouveaux programmes. D'autres estimations, celles de Bard et al., 1993 ( augmentation de 75 annes en ges calibrs ) et celles de Stuiver et al., 1993 ( augmentation de 225 annes en ges calibrs ), ont t respectivement ajoutes pour la chronologie dite "flottante".

Pour les chantillons de trs grande prcision ( 30 ans ) plus jeune que 7200 14C BP, la courbe de calibration dont la srie de donnes est par tranche de 10 annes ( dcade ) peut tre utilise pour des comparaisons et rsolutions de haute prcision en temps.

II B - Ajustements systmatiques des drives.

Avant une calibration, un ge radiocarbone doit tre ajust en fonction des ventuelles drives chronologiques qu'un laboratoire peu avoir systmatiquement ( problmes de standards talons ). Cependant suite la rcente tude internationale d'intercalibration entre les laboratoires qui a t faite pour vrifier si certains taient en drive, aucun des laboratoires de radiocarbone participants n'a pu tre identifi dans cette tude ( Scott et al., 1991 ) et pour cela la correction systmatique d'une drive possible n'est pas intgre dans les programmes.

II C - Multiplicateur d'erreur ou facteur d'incertitudes probables sur la date calibre.

La dviation standard accompagnant un ge radiocarbone ( cart type 1 sigma ou encore appele marge statistique ) est rgie par les lois de la statistique sur les coups enregistrs par minute lors du comptage des chantillons.

Les programmes permettent gnralement d'utiliser la dviation standard fournie par le laboratoire sur la date B.P. ou d'augmenter cette marge statistique pour prendre en compte d'autres sources de variations soit en appliquant un facteur multiplicateur appel K soit en ajoutant la variance f2 ( yr2).

Ainsi la dviation standard de l'chantillon ( ) devient soit K ou ( 2 + f2 )1/2.( = comprendre la racine carr )

Le sigma de la courbe de calibration c est automatiquement ajout dans les deux cas pour donner le sigma total de l'ge radiocarbone avant de le calibrer. Le facteur multiplicateur d'erreur de laboratoire est bas sur l'ensemble des conditions de reproductibilit des rsultats et peut tre fourni par chaque laboratoire.

Une valeur de variance f suggre par Clark ( 1975 ) pour la procdure de datation par le radiocarbone est de 50 annes pour les chantillons plus jeunes que 2700 ans 14C BP ou de 60 annes pour les chantillons plus vieux que 2700 ans 14C BP.

II D - Corrections pour les carbonates.

Les organismes marins ( ou d'environnements lacustres ) ont t exposs diffrentes concentrations de la teneur originelle en 14C contrairement leurs homologues dans l'atmosphre.

La calibration d'chantillons marins intgre une correction de temps dpendante du rservoir mondial des ocans. Pour accommoder les effets locaux, la diffrence R en ge d'un rservoir d'une rgion prcise et du modle d'ocan doit tre dtermine. Un guide sur la dtermination des valeurs R et d'un rsum global sur le R sont donns dans l'article de Stuiver et Braziunas, 1993 ( voir rfrences bibliographiques ).

= DELTAR = ge radiocarbone

La courbe de calibration marine doit tre slectionne pour calibrer ces types d'chantillons. Les chantillons postrieurs l'anne 1950 ne peuvent tre calibrs cause de la concentration incertaine de la teneur en 14C de aux bombes nuclaires.Les dficiences des ges radiocarbone dans les rservoirs de sites lacustres sont normalement dtermines partir de l'ge des sdiments les plus hauts ( Stuiver, 1970 ), mais les ges des chantillons lacustres sont calibrs avec la courbe atmosphrique cause des taux d'changes gazeux rapides. L'utilisateur doit soustraire la dficience du rservoir de l'ge radiocarbone R de l'chantillon dans ce cas.

II E - Pourcentage de carbone des chantillons mixtes.Pour les chantillons mixtes dont le carbone est d'origine marine et terrestre, tels que les os humains ou animaux avec une prsence marine ( poisson, mollusques, plancton, etc...) et terrestre ( graine, herbe, etc... ), le pourcentage de carbone d'origine marine par rapport aux autres origines, doit d'abord tre dtermin, tout comme la composition isotopique stable. La valeur du R doit tre determine comme pour des chantillons marins expliqu ci-dessus. La calibration "mixte" est propose dans les programmes desormais.

II F - Correction sur la priode de demi-vie du 14C.

La priode de demi-vie du 14C utilise ( Libby half-life ) pour le calcul des ges radiocarbone conventionnels est de 5568 ans ( Stuiver et Polach, 1997 ). Si l'ge de l'chantillon a t calcul en utilisant la priode de demi-vie de 5730 ans, il doit tre divis par le rapport de 5730/5568 ( soit le facteur 1.029 ) avant toute tentative de calibration.

II G - A propos des ges post-atomiques.

Les chantillons avec des ges radiocarbone "ngatifs" ( c'est dire des chantillons forms depuis le milieu des annes 1960 avec un taux initial de 14C trs lev d la production de14C artificiel cause des bombes nuclaires ) ne peuvent tre calibrs en gnral avec les nouveaux programmes. Ceci s'applique aussi aux chantillons marins quand l'ge radiocarbone moins son R , devient plus petit que 460 B.P.

II H- Correction pour les chantillons de l'hmisphre sud.

A cause du mlange gazeux diffrent entre les 2 hmisphres, les chantillons atmosphriques de l'hmisphre sud produient avant les annes 1850 ( rvolution industrielle quasi-innexistante dans cette hemisphre ) doivent avoir leur ge rduit de 40 annes (Vogel et al, 1993). Pour les chantillons produits depuis 1850 la diffrence entre les hmisphres est trs petite et peut tre nglige.

II I - A propos des chantillons tendus sur plusieurs annes calendaires.

Les chantillons composs de matriels disperss sur plus de 30 annes calendaires sont mieux calibrs avec la moyenne du nombre de dplacements sur la courbe de calibration. Cela rduit le dtail dans la courbe de calibration, trop fourni dans ce cas, et minimise le nombre d'intervalles et d'intercepts.

III - La correction 13C pour le fractionnement isotopique.

Un ge radiocarbone conventionnel implique une correction pour le fractionnement isotopique au travers de la procdure de normalisation avec un standard 13CPDB d'une valeur de - 25 o/oo.Donner un ge radiocarbone sans la correction isotopique peut entrainer une erreur sur l'ge radiocarbone de 400 ans et parfois plus ( sutout pour les carbonates marins ).

Cette option est destine faire la correction dans le cas des laboratoires n'ayant pas normaliss leurs dates, ou de corriger les dates anciennes dans la littrature dont la normalisation n'a pas t spcifie. Ne pas l'utiliser pour corriger nouveau les ges conventionnels fournis par les laboratoires, au risque de produire des erreurs.

D'autres estimations additionnelles peuvent tre trouves dans l'article de Fritz et Fontes (1980). L'incertitude par dfaut de 2,5 pour mille pour le 13C, qui correspond une incertitude de 5 pour mille pour le 14C ou 40 annes radiocarbone, est approprie pour la plupart des estimations. L'estimation de l'incertitude sur le 13C sera ajoute l'erreur de l'chantillon si aucune date "incorrecte" n'est utilise.

Note : Une date dit "incorrecte" signifie sans normalisation par le 13C.Une date radiocarbone conventionnelle signifie une normalisation par le 13C. ( le plus courant )

IV - Mthodes de calibration.

IV A - Calibration avec la mthode des intercepts avec la courbe.

Les ges radiocarbone sont calibrs partir des intercepts de l'ge radiocarbone plus ou moins une ou deux fois la dviation standard de l'ge, et de l'interpolation linaire faite sur les points de la courbe de calibration slectionne. La dviation standard de chaque donne constituant la courbe de calibration est inclue dans la dviation standard totale de la courbe pour la propre drivation d'une plage (segment) d'intercepts (Stuiver et Pearson, 1986 ). Les plages de temps de moins d'une anne sont ignores.

IV B - Calibration avec la mthode des distributions de probabilits.

La distribution de probabilits P(R) des ges radiocarbone R autour d'un ge radiocarbone U est suppose normale avec une dviation standard gale la racine carr du sigma total. En replaant R avec la courbe de calibration g(T), P(R) est dfinie comme suit :

[(g(T) - U2 / 22] P(R) = exp - ______________ [((2)1/2)]Pour obtenir P(T), la distribution de probabilits le long de l'axe (X) des annes calendaires, la fonction P(R) est transforme en anne calendaire dpendante de la dtermination de g(T) pour chaque anne calendaire et par le transfert de la portion de distribution de probabilits correspondante sur l'axe de T.

Les probabilits sont classes et sommes pour trouver l'intervalle de confiance 68,3 % (1 sigma) et l'intervalle de confiance 95,4 % ( 2 sigma ) et les zones relatives sous la courbe de probabilits pour les deux intervalles calculs. Les plages de temps calibres de moins d'une anne ou qui comprennent moins d'1 % de probabilits sont ignores. Pour les chantillons avec une dviation standard trs large ( 250 ans ) les probabilits sont calcules par intervalle de 10 annes, plutt que par anne. La zone totale sous la courbe de probabilits est normalise 1. Pour tracer les figures proposes, les probabilits peuvent tre "renormalises" de telle manire que le maximum de probabilits soit gal 1. IV C - A propos du total des sigma.

Le sigma d'un ge qui est calibr, reprsente la dviation standard de l'ge 14C, o, de la combinaison avec le facteur multiplicateur d'erreur de laboratoire K ou de la variance de laboratoire ajoute f2 . Le sigma total est soit :

pour 1 sigma : [ (KS)2 C2 ]1/2 oupour 1 sigma : [ S2 C2 f2 ]1/2

S = dviation standard de l'chantillonC = dviation standard de la courbe qui est interpole entre les points de donne pour chaque Intercept avec l'ge radiocarbone R.( 1/2 = de la formule )

Les chantillons marins sont traits de la mme manire, exept que l'utilisateur doit bien raliser que le R et l'incertitude sur ce R pour chaque chantillon, sont bass en fonction de leur localisation de site ( Stuiver et Braziunas, 1993 ). Le sigma total pour un chantillon marin est soit :

1 sigma : [ (KS)2 C2 + ( incertitude du R )2 ]1/2

ou

1 sigma : [ S2 C2 + ( incertitude du R )2 + f2 ]1/2

Pour les chantillons dont le carbone est d'origne mixte ( marin et terrestre ) de p% de carbone marin et de ( 100-p )% de carbone terrestre, le sigma total est soit :

1 sigma : [ (KS)2 (( 1-p/100) C atmosphrique )2 + ( p/100 C marin )2 + ( incertitude du R p/100 )2 ]1/2

ou

1 sigma : [ S2 (( 1-p/100) C atmosphrique )2 + f2 + ( p/100 C marin)2 + ( incertitude du R p/100 )2 ]1/2La covariance entre la courbe marine et atmosphrique est nglige.

IV D - A propos des valeurs arrondies lors des calculs.

Les rsultats des ges calibrs sont arrondis l'anne prs ce qui peut tre trop prcis dans certains cas. L'utilisateur est averti que pour les chantillons dont la dviation standard de 1 sigma est suprieure 50 ans, le rsultat de l'ge calibr est arrondi 10 annes prs.

Les dtails sur les sries de donnes utilises pour construire les diffrentes courbes de calibration sont donns dans l'article de Stuiver et Reimer, 1993.

V - Prsentation des courbes disponibles depuis dcembre 1993.

V A - Courbe atmosphrique 1 - Limites : de 0 18360 annes 14C BP.

Les points de donnes de cette courbe sont bass sur les donnes dendrochronologiques et sur les donnes rsultant des analyses faites sur les coraux par la mthode de datation U-Th. Les donnes sont tablies par tranche de 20 annes ( bidcade ). Cette courbe est recommande pour la plupart des chantillons non marins. Elle intgre galement les dernires corrections sur le radon.

( Stuiver et Quay, 1991 pour les donnes sur le radon - Stuiver et Pearson, 1993 - Pearson et Stuiver, 1993 - Pearson et al., 1993 - Linick et al., 1986 - Kromer et Becker, 1993 - Bard et al., 1993 en ce qui concerne les autres donnes ) Composition des donnes de cette courbe :La srie de donnes sur les cernes par anne entre 1951 et 1954 AP J.C.+La srie de donnes sur les cernes par tranche de 10 annes entre : 9440 AV. J.C. et 1950 AP. J.C. +La srie de donnes partir des coraux entre :20000 AV. J.C et 9450 AV. J.C. +Les points fournis par les donnes sur les coraux pour une extension linaire de 1000 ans :Jusqu' 26430 AV. J.C. utilise uniquement pour une estimation sur les intervalles d'ges.

V B - Courbe atmosphrique 2 - Limites : de 0 7210 annes 14C BP.Cette srie de donnes ( par dcade ) est utilise lorsqu'une rsolution de temps pour des donnes de haute prcision est ncessaire et elle est compose comme suit :( Stuiver et Becker, 1993 )La srie de donnes dendrochronologique par dcade entre :6000 AV. J.C. et 1955 AP. J.C.+L'extension linaire de la courbe. A utiliser uniquement pour une estimation sur les intervalles d'ges uniquement.

V C - Courbe marine - Limites : de 460 18760 annes 14C BP.

Cette srie de donnes qui est base partiellement sur un modle informatique d'change en carbone des ocans utilisant la courbe DATATSET 1 aussi en entre, doit tre utilise pour tous les chantillons marins. Les chantillons post -1950 ( soit avant 460 14C BP ) ne peuvent tre calibrs. Cette courbe est compose comme suit :( Stuiver et Braziunas, 1993 - Bard et al., 1993 )

La srie de donnes ( par bidcade ) obtenue partir du modle de rservoir marin entre :9450 AV. J.C. et 1950 AP. J.C.+Les donnes sur les coraux entre :20000 AV. J.C. et 9450 AV. J.C.La partie de courbe entre 9800 et 9450 AV. J.C. a t ajuste.+Les points fournis par les donnes sur les coraux pour une extension linaire de 1000 ans :Jusqu' 26430 AV. J.C. A utiliser uniquement pour une estimation sur les intervalles d'ges.

V D - Courbe mixte - Limites : Dpendantes du pourcentage du carbone marin.

Une courbe de calibration "composite" sera calcule pour chaque chantillon en fonction du pourcentage p% de carbone marin prsent dans l'chantillon. Une correspondance entre la courbe Atmosphrique 1 ( 1-p)% et la courbe Marine est alors utilise pour ce type de calibration.

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COMPTEUR A SCINTILLATION LIQUIDE

NOUVELLE GENERATION : Sries 2000 CA/LL et 2260 CA /XL PACKARDANCIENNE GENERATION : Srie 3033 TRI CARB

I - Particule - ( Bta moins ) et production de photons.

Lorsqu'un atome de 14C se dsintgre, il met une particule - et un neutron, qui se partagent alatoirement l'nergie du noyau de carbone 14. La particule - ( qui seule joue un rle dans le comptage en scintillation liquide ) possde ainsi une nergie, sous forme cintique, comprise entre 0 et 156 KEV. Elle va transmettre cette nergie, par collisions, aux molcules du milieu dans lequel elle se trouve, c'est dire la solution scintillante comprenant le solut ( liquide scintillant ) et le solvant ( benzne de l'chantillon ).

Le solvant transforme l'nergie reue de la particule - en nergie d'excitation et transmet cette nouvelle nergie aux molcules du solut. Celles-ci sont donc excites et retournent dans leur tat fondamental en mettant un photon lumineux. Le nombre de photons mis est proportionnel l'nergie de la particule - c'est dire environ 10 photons par KEV.

Figure 1

II - La dtection des photons.

Le solvant ( benzne ) et le solut ( liquide scintillant ) sont introduits dans un flacon de comptage en verre contenant trs peu de potassium 40 ( 40K ).

Ce flacon de comptage est ensuite plac dans un compteur scintillation liquide o il descend dans la chambre de comptage pour se trouver entre deux tubes photomultiplicateurs ( PMT ) diamtralement opposs. Les photons mis sont attirs et absorbs l'intrieur de chaque PMT par une photocathode ( diffrence de potentiel ), qui produit leur passage des photolectrons chargs ngativement. Ces derniers sont ensuite acclrs par plusieurs dynodes ( potentiel positif ), dclenchant une cascade d'lectrons.

L'impulsion lectrique dtecte sur l'anode finale de chaque PMT, a une amplitude proportionnelle au nombre de photons dtects. Il y a aussi des lectrons produits pour diverses origines :- par la diffrence de potentiel cre par les dynodes,- par l'application de la haute tension sur les PMT,- par la migration thermique des lectrons.Ces lectrons sont ceux qui produisent gnralement le bruit de fond dit "lectronique" ou encore "le mouvement propre de l'appareil". Pour supprimer ces impulsions de bruit, les compteurs sont quips d'un systme de dtection d'impulsions de concidence, c'est dire que le signal provenant de chaque PMT est enregistr dans un circuit lectronique qui ne produira un vritable signal de sortie que si les signaux des PMT arrivent en mme temps. Le temps de rsolution de l'appareil en concidence est de 20 nanosecondes. La particule - dissipe son nergie en 5 nanosecondes.

Figure 2

Si les impulsions ont satisfait la condition de concidence, alors elles sont sommes, amplifies, stockes en mmoire et accumules pour donner le nombre de dsintgrations.

L'analyse spectrale est faite en "multicanaux", c'est dire que tous les canaux d'nergie situs entre 0 et 2000 KEV ( soient deux mille canaux ) sont sollicits pour la dtection. Le spectre d'nergie de la particule - obtenu ( entre 0 et 156 KEV ) est reprsent comme sur la figure 3.FFORTIN

Figure 3

Cependant, le spectre enregistr par le compteur, n'a pas vraiment cet aspect de spectre "thoriquement parfait" pour plusieurs raisons, car :

- il faut qu'une dsintgration produise au moins deux photons pour tre dtecte (Concidence des PhotoMultiplicateurs). Par consquent, pour une nergie en-dessous de 3 KEV, elle n'est pas enregistre, c'est le produit de l'effet Cerenkov entre 0 et 3 Kev. Invitablement, parce que les photons sont mis dans toutes les directions, certains seront perdus et non perus par le rflecteur prsent dans la chambre de comptage. Donc la probabilit qu'une mission de photons active chacun des PMT dcrot avec la dcroissance de l'nergie de la particule -,

- la photocathode d'un PMT n'est pas efficace 100 %. Il y a un Effet Quantique. L'efficacit quantique est d'environ 30 % ( soit seulement 30 photolectrons convertis pour 100 photons mis ). Cela cr un seuil de dtection en dessous duquel un vnement ne peut pas tre dtect ( seuil de concidence ),

- d'autres sources de radiation peuvent perturber la dtection de l'activit 14C ( radiations cosmiques, centrale nuclaire, matriaux de construction du laboratoire, potassium des flacons de comptage, bruit de fond lectronique des PMT etc ... )

- certains processus physico-chimiques qui se produisent dans la solution scintillante en cours de comptage sont trs perturbateurs et interfrent gravement dans les comptages.

III - Les interfrences de comptage.

III A - Le "Quenching" ou affaiblissement lumineux.

C'est l'interfrence la plus importante car elle provoque une diminution du nombre de photons mis par l'chantillon. Il existe deux sortes de "quenching" :

- Quenching Chimique : Il cause des pertes d'nergie lors du transfert entre le solvant et le solut. L'nergie de la particule - ne passe pas forcment aux molcules du solvant, elle peut aussi tre absorbe par les molcules de l'chantillon. De mme une molcule excite de solvant peut transfrer son nergie l'chantillon plutt qu'au solut. Toute l'nergie de la particule - n'est donc pas forcment transforme en photons.

- Quenching Color : Il rsulte d'une attnuation des photons mis par la solution. Lors de leur passage travers le milieu, les photons peuvent tre absorbs ou disperss. La longueur d'onde de la lumire peut-tre change, si la solution est colore, en une valeur pour laquelle les PMT sont moins efficaces.

Un chantillon quench voit son spectre se dcaler vers les basses nergies.

Figure 4

III B - Luminescence - Chimiluminescence / Photoluminescence.

La luminescence : Un vnement ( impulsion ) issu d'un seul photon est enregistr comme un coup faisant partie de la probabilit d'avoir des vnements concidant en haute activit de luminescence. La distribution de la hauteur des impulsions, dpend seulement du scintillement sur l'intensit de la raction. Le pic maximum de l'impulsion est aux environs de 6 KEV.

Figure 5

Pour liminer les concidences venant de la luminescence, les vnements venant de l'un des PMT sont retards. On enregistre alors les signaux de concidence. En mme temps on enregistre les signaux venant des deux PMT sans dcalage dans le temps. En fait on enregistre les signaux venant des 2 PMT, on les compare avec le systme de concidence sans dcalage de temps, puis en dcalant les signaux de l'un des PMT d'un temps au moins gal au temps de rsolution de concidence. On compte les vnements de concidence dans les deux cas. Il est clair que lorsqu'il y a dcalage, seuls seront enregistrs les vnements ne provenant pas des dsintgrations 14C. On aura seulement les vnements de concidence de la luminescence. On soustrait ces deux nombres au nombre de coups venant des dsintgrations 14C.

La chimiluminescence est la production de la lumire suite une raction chimique dans la solution scintillante.

La photoluminescence rsulte de l'exposition du mlange scintillant la lumire du soleil ou de lampes ultra-violet.

La chimiluminescence a un taux de dcroissance ( dsactivit ) relativement lent ( de 50 minutes plus d'un jour en fonction de la temprature ) alors que la photoluminescence disparat relativement vite et ce en moins de 10 minutes. Ces deux phnomnes se manifestent surtout aux basses nergies, avec un maximum vers 6 - 8 KEV.

III C - lectricit statique.

Ce phnomne ne perturbe pas beaucoup le comptage si les flacons sont en verre, vitant ainsi tous les problmes lis au plastique. Mais comme certains comptages se font avec des flacons en verre placs dans des gardes en plastique scintillant spcial, il est quand mme recommand de faire attention. En effet un tel plastique peut se charger en lectricit statique et se dcharger en mettant un train d'impulsion pouvant tre confondues avec celles provenant d'une dsintgration.

III D - Variation du volume de la solution.

Quand le volume de solution scintillante diminue, la lumire mise tombe sur des parties de PMT moins efficaces, les photons tant moins bien dtects s'ils tombent sur les bords des PMT plutt qu'au centre. La dtection est donc moins efficace ( moins nergtique ) pour les petits volumes, crant un effet semblable au quenching. Les rayons utiliss pour produire le spectre Compton du standard externe, ncessitent une certaine masse de solvant pour interagir et produire les lectrons Compton.Avec la dcroissance de volume, la masse dcrot et le nombre d'lectrons Compton est rduit. Les calculs dynamiques du tSIE sont tels que les variations sont virtuellement limines avec des volumes partir de 50 microlitres ( micro-flacon ) jusqu' 20 ml dans les plus gros flacons.

III E - Bruit alatoire.

Introduit dans les circuits lectroniques par des interfrences de ligne ( haute tension ) ou des bruits de frquence radio ( moteurs, relais ), il contribue sporadiquement aux impulsions de bruit de fond. C'est surtout un problme pour les comptages en bas bruit de fond.

III F - Bruit de Fond.

Il a plusieurs origines :

- le bruit de fond instrumental, li au fonctionnement des PMT ( peu nergtique).- un vnement de scintillation ( c'est dire une mission spontane de photolectrons par la photocathode ), produisant des photons l'intrieur de l'un des PMT ( devant le corps de l'enveloppe ), sera vue par l'autre PMT. Ces vnements arrivent gnralement dans le temps de rsolution de concidence, et apparaissent comme des impulsions de bruit de fond de basse nergie.

- des scintillations de bruit de fond peuvent tre gnres par les radiations cosmiques, par les radiations dues au potassium 40 contenu dans le verre des flacons de comptage, par les faces avant des PMT et par des radiations dues au tritium (3H) contenu dans l'eau utilise pour la production de l'actylne lors de l'hydrolyse du carbure de lithium. Ces impulsions de bruit de fond couvrent une grande gamme d'nergie.

Tous ces phnomnes se superposent la dtection des impulsions uniquement dues aux dsintgrations. Divers systmes lectroniques existent, surtout dans les compteurs de nouvelle gnration du type 2260 CA/ XL, pour les discriminer en grande partie. Cependant, on ne peut liminer tout le bruit de fond ( terme gnral englobant l'ensemble des impulsions cres par les interfrences de comptage cites ci-dessus ), et la seule solution consiste ne travailler que sur une partie du spectre d'nergie.

Figure 6

Figure 7

III G - Effet de paroi.

Les solvants contenus dans certains liquides scintillants pntrent les parois des flacons en plastique qui alors indirectement affectent les rendements de comptage de l'chantillon. Le spectre d'nergie de l'chantillon n'est pas distordu par ce phnomne, mais le spectre du standard externe ( COMPTON ) pour calculer le Quenching du solut de l'chantillon, peut devenir fortement distordu.Le mlange scintillant qui se rpand sur les parois du plastique du flacon de comptage, se convertit en un extra plastique scintillant intermdiaire et du fait de la dispersion des lectrons Compton, des photons de basses nergie seront mis. La distribution de l'nergie est dpendante de l'nergie de la source externe. La dtermination du tSIE est indpendante de ce phnomne de paroi.

III H - Le tritium 3H.

Les atomes d'hydrogne de la molcule de benzne proviennent de l'eau utilise pour produire l'actylne, qui peut contenir du tritium d'origine thermonuclaire et introduire une erreur malgr les caractristiques nergtiques diffrentes du tritium ncessitant des conditions d'amplification et de discrimination diffrentes de celle du carbone 14 sur l'appareil.

IV - Les rgions d'intrt.

IV A - Introduction.

Le spectre qu'enregistre le compteur est l'addition du spectre 14C de l'chantillon dater et du bruit de fond li au fonctionnement de l'appareil. On ne va prendre en compte que la partie du spectre o le bruit de fond est le moins important : cette zone est appele rgion d'intrt ou fentre d'nergie. Sa borne infrieure est situe vers 12 KEV, permettant d'liminer les impulsions dues la photoluminescence et la chimiluminescence, ainsi que celles lies aux PMT ( Effet Quantique et Cerenkov ). La limite suprieure est aux environs de 70 - 80 KEV. En effet, bien qu'en thorie le spectre 14C s'tend jusqu' 156 KEV, on observe qu'au del de 80 KEV, il ne reste pratiquement que des impulsions de bruit de fond.

On conoit donc qu'avec toutes les interfrences de comptage ( principalement le Quenching ) et le fait qu'on ne prenne en compte qu'une partie du spectre d'nergie, la valeur qu'indiquera le compteur est "loin" d'tre le nombre de dsintgrations rellement produites par l'chantillon. Le nombre que le compteur donne est exprim en CPM ( coups par minute ), alors qu'on exprime le nombre de dsintgrations qui ont t rellement produites ( activit de l'chantillon ) en DPM ( dsintgrations par minute ). Les DPM sont donc toujours suprieures aux CPM. Ainsi on peut dfinir le rendement ou efficacit de comptage comme suit :

E (%) = CPM

DPM

* 100

IV B - Techniques de comptage avec les anciens compteurs ( modles 3033).

Ces appareils sont quips de deux tubes PMT placs en concidence, auxquels est applique une tension de 3740 volts. Pour rduire le bruit de fond lectronique, l'ensemble du corps principal de mesure ( protg dans une gaine de plomb pour l'isoler du rayonnement cosmique ) est plac dans une enceinte thermostate 8,5 0,5 degrs.

Deux canaux indpendants gain et discriminateur d'nergie, un discriminateur de concidence et un prslecteur de temps compltent le dispositif. Ces appareils ne sont pas quips de chargeur automatique d'chantillons, ni d'imprimante.

Le rglage de la fentre d'nergie est effectu de manire ce que le bruit de fond soit le plus bas possible et le rendement maximum. On appelle cette fentre d'nergie le canal CD dont ses seuils infrieurs et suprieurs sont respectivement placs aux environs de 12 70 KEV. On dtermine aussi sur le spectre un deuxime canal appel AB, plus petit que CD. Ces deux canaux permettent d'avoir une indication sur le degr de Quenching, donc aussi sur le rendement, et d'obtenir par la mthode du rapport des canaux, une courbe de Quenching ( rendement ).

Figure 8Pour tablir cette courbe ( figure 8 ), on utilise du carbone 14 marqu trs actif donnant au dpart 100 000 DPM par exemple. On introduit ce carbone 14 actif en volume identique dans cinq flacons-talon de comptage. On ajoute ensuite dans chacun des flacons-talon une quantit diffrente de chloroform CCL4 ( Quencheur trs puissant ) de faon obtenir une diminution d'activit allant de 100 000 50 000 DPM, par seuil de 10 000 DPM.

On place les flacons-talons dans le compteur normaliser. Lorsque le canal CD ( fentre d'nergie la plus large ) se bloque 900 000 coups ( max. autoris par l'lectronique des chelles de comptage ), on relve le temps de comptage coul pour atteindre 900 000 coups et la valeur obtenue dans le canal AB. On divise alors la valeur CD ( soit 900000 ) par le temps pour obtenir une valeur en CPM ( coups par minute ) pour CD.Ensuite on divise la valeur CPM calcule prcdemment pour le canal CD par la valeur DPM du carbone 14 actif quench prsent dans le flacon-talon. La valeur obtenue est enfin multiplie par 100 pour tre exprime en pourcentage de rendement. Ainsi le rendement du compteur pour une activit DPM connue dans le canal CD est dtermin. Aprs le calcul du rendement, on procde au calcul du rapport de l'chantillon qui consiste diviser la valeur en coups du canal AB par celle du canal CD ( AB/CD ). On effectue la mme opration pour l'ensemble des flacons-talon jusqu' obtenir l'ensemble des cinq valeurs de rendement et de rapport d'chantillon. Il est possible ensuite de tracer la courbe de Quenching ( ou de rendement ) de l'appareil dans sa configuration en cours.

En abscisse seront places les valeurs de rapport AB/CD et en ordonne, seront places les valeurs de rendement. Rendement = f ( AB/CD )Avec les thormes d'interpolation, on peut tablir cette courbe, qui prsente gnralement une allure de cloche. On doit alors vrifier que la partie la plus haute et la plus plate de cette courbe se trouve bien dans le canal CD ( optimisation du rendement du compteur ). Ainsi, chaque fois que l'on mesure un chantillon, on peut, grce au rapport AB/CD, connatre son rendement, qui est de l'ordre de 60% environ. Lors du calcul de l'ge d'un chantillon on se ramnera 100%.

IV C - Les compteurs rcents.

Ils sont quips, pour les nouveauts les plus intressantes :- d'un passeur automatique d'chantillons pouvant grer jusqu' 720 flacons de comptage en 7ml, - d'une informatique permettant de visualiser et grer les spectres,- et sont dots de PMT ultra-sensibles de nouvelles technologies, etc ....

En plus de leur gaine de plomb pour liminer les rayons cosmiques, ils sont quips d'une lectronique permettant de discriminer le bruit de fond. Il existe dans ces compteurs un systme d'analyse de forme des impulsions qui permet de diffrencier celles issues d'une dsintgration 14C ou celles issues d'un bruit de fond. Les impulsions 14C ont gnralement une composante rapide et une composante lente, les autres sont composes d'un train d'impulsions dont une majeur et rapide suivie d'une suite d'impulsions de faible nergie appeles " after pulses"( figure 9 ).

Figure 9

Pour faire une meilleure distinction entre ces deux natures d'impulsions, on fait passer les photons mis au travers d'un plastique scintillant spcial ayant la particularit de ralentir l'mission des photons, ainsi les "afterpulses" peuvent tre analyses correctement.

On peut de cette faon supprimer la plupart des impulsions suivies "d'afterpulses", c'est dire gnralement celles issues d'un bruit de fond. Ce plastique scintillant spcial se prsente sous la forme d'un porte chantillon ( uniquement utilis pour les compteurs de nouvelle gnration 1985-1990 n'tant pas quips l'origine au niveau de leur chambre de comptage de ce plastique ), dans lequel on place un flacon de comptage de 7 ml. Ce porte chantillon prend le nom de garde plastique.

Pour les compteurs de nouvelle gnration 1990-1995, quips d'origine de ce plastique scintillant dans leur chambre de comptage, l'utilisation d'une garde en plastique n'est pas recommande au risque de perdre en efficacit de comptage. En effet si on ajoute deux fois la prsence de ce plastique scintillant, il y a attnuation de l'mission des photons, et donc un phnomne de Quenching non dsir. D'ailleurs le bruit de fond n'est pas rduit pour autant !

Grce aux dispositifs lectroniques dont ils sont quips, les compteurs nouvelle gnration ont un bruit de fond beaucoup plus bas que les anciens modles. Cependant, les impulsions parasites ne sont pas totalement limines et on doit encore travailler avec des rgions d'intrt ( fentre d'nergie ). L'utilisateur a la possibilit de dfinir des protocoles, c'est dire dfinir pour une srie de flacons les conditions de comptages, telles que, le temps, les fentres d'nergie, etc...

Le tSIE :

Le degr de Quenching est indiqu grce un standard externe et exprim sous l'appellation tSIE. ( Transformed Spectral Index of the External Standard : Index Spectral de la Transforme Inverse sur le Standard Externe ). Cet indicateur de Quenching est indpendant des conditions de comptage. Il a pour vocation d'liminer toutes les distorsions de spectre provoques par les variations de volume, les quenching chimiques et optiques, etc...

Avant chaque comptage d'un chantillon 14C ou de bruit de fond, le compteur place la source de standard externe ( Barium 133 de 8 - 10 micro-Curies ) sous le flacon en le touchant. L'mission GAMMA trs nergtique de la source de Ba traverse le verre du flacon et vient exciter le solut de la solution scintillante ( de la mme manire que le ferait de rayonnement Bta ). Il y a alors interv