L’examen d’une relique. Fluorescence aux rayons X, analyse chimique, photographie infrarouge, radiographie et spectroscopie visible et ultraviolette.
Robert W. Mottern
Shroud of Turin Research Project
Colorado Springs, CO
1979
Mottern, R. W. (1979). The testing of a relic. [L’examen d’une relique.] Shroud of Turin Research Project. https://www.shroud.com/pdfs/Mottern%20ASNT%201979%20OCR.pdf
L’examen d’une relique. Fluorescence aux rayons X, analyse chimique, photographie infrarouge, radiographie et spectroscopie visible et ultraviolette.
INTRODUCTION
Enchâssé pendant 400 ans à Turin, en Italie, un linge de lin portant les images de face et de dos d’un homme, est cru par beaucoup être celui de Jésus de Nazareth. Visibles, à côté des images du corps, sont des taches ressemblant à du sang et des marques de brûlure en forme de fouet courant sur toute la surface du tissu.
Une question dominante pour le scientifique américain moyen est : comment l’image s’est-elle formée sur un ancien morceau de linge ? Un projet de recherche privé a été formé pour étudier cette question. Un groupe de tests non destructifs a été réalisé à Turin, en Italie, durant la période du 9 au 13 octobre 1978. L’objectif principal était de collecter des données qui permettraient de caractériser l’image.
TESTS
Six tests majeurs furent réalisés. Ceux-ci étaient : fluorescence aux rayons X, analyse chimique, photographie infrarouge, radiographie et spectroscopie visible et ultraviolette.
Un dispositif spécial fut construit pour soutenir une pièce fragile de tissu et son tissu support protecteur. Le tissu de support avait été ajouté en 1532 après qu’un incendie eut presque détruit le lin. Le tissu a des dimensions de 4,3 mètres sur 1,1 mètre. Le tissu fut étendu sur le cadre horizontal et maintenu le long des marges avec des aimants. Les zones extérieures à la largeur du cadre, soit 20 cm de chaque côté s’étendant sur toute la largeur du cadre, furent retirées seulement pour certains tests, tels que la radiographie et la fluorescence aux rayons X.
Fluorescence aux rayons X
Le tube à rayons X utilisé pour la radiographie fut utilisé pour exciter une feuille d’étain. Un collimateur en plomb fut installé à l’extrémité du tube à rayons X (Figure 1). Le tube était placé de manière à ce qu’un faisceau de 30 kVp X, tombant sur la feuille, excite et produise des rayons X- alpha qui furent filtrés par une feuille d’argent placée sur le collimateur. Un détecteur Si(Li) fut monté coaxialement au-dessus du tube à rayons X. Une tête plombée avec un collimateur de 4 mm de diamètre fut placée devant le détecteur. Ce dispositif était à une distance de 10 centimètres du tissu.
Le détecteur à rayons X et l’électronique furent montés sur un lourd trépied de caméra. Il fut possible de déplacer et positionner facilement les instruments sous le tissu. De plus, la disposition permettait un accès rapide à toutes les zones du tissu.
Les signaux issus du détecteur furent alimentés dans un préamplificateur puis dans un amplificateur linéaire à 512 canaux, et les données spectrales furent accumulées par increments de 15 minutes. Des lignes de rayonnement caractéristiques du titane furent utilisées pour calibrer le système.
Deux positions furent utilisées pour les détecteurs. Des énergies détaillées et des valeurs d’énergie calibrées furent déterminées. Des données d’étalonnage furent collectées avant et après les données de test.
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FIGURE 1 — Source de rayons X et blindage et collimation des détecteurs.
Analyse chimique
Des échantillons de traces de matériaux de surface furent obtenus au moyen d’un ruban adhésif. Le ruban et l’adhésif étaient composés d’hydrocarbure pur. Un rouleau spécialement conçu fut utilisé pour appliquer l’adhésif sur des zones sélectionnées du tissu de lin. Après avoir soigneusement retiré les rubans, ceux-ci furent fixés, face adhésive vers le haut, sur des lames de microscope et identifiés. Des mesures photométriques spectrales furent effectuées sur chaque zone avant et après l’application de l’adhésif. Toutes les lames furent stockées dans une boîte en plastique qui était hermétiquement scellée.
Les rubans sont en cours d’examen au microscope et analysés par la méthode micro Raman. Des analyses supplémentaires seront effectuées par résonance de spin électronique, spectroscopie électronique, microsonde ionique et microscope électronique à balayage.
Photographie
Des mosaïques avec des réductions 5,6:1 et 22:1 furent réalisées sur toute la surface du tissu. Pour chaque section, une série successive d’expositions fut réalisée avec des filtres rouge, vert et bleu pour la séparation des couleurs. Dans une autre série, des filtres de transmission ultraviolets furent utilisés pour améliorer le contraste. Pour détecter la fluorescence dans une autre série, des filtres de transmission ultraviolet furent utilisés sur les sources lumineuses, tandis que des filtres bloquants ultraviolets furent utilisés sur l’objectif de la caméra. Pour une autre série, le spectre visible fut divisé en intervalles de 100 angströms par une série de filtres.
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Des zones spécifiques d’intérêt furent photographiées à un agrandissement approximatif de 3:1. D’autres zones furent photographiées à travers un microscope avec une capacité de zoom de 3× à 50× et un accessoire pour appareil photo 35 mm. De plus, des paires stéréoscopiques sur film 35 mm furent réalisées.
Infrarouge
Un film sensible à l’infrarouge fut utilisé pour photographier les images et les taches sur le tissu. En plaçant des filtres sur les objectifs, des photographies par microscope et par caméra furent réalisées dans la région du proche infrarouge.
Des mesures de réflectance, en fonction de la longueur d’onde, furent effectuées dans les plages de 3 à 5 microns et de 8 à 14 microns. Toutes les mesures furent numérisées et enregistrées sur bande pour analyse ultérieure.
La thermosensibilité, dans les plages de 3 à 5 et de 8 à 14 microns, fut enregistrée par une caméra thermographique. Le tissu fut illuminé par une lumière tungstène non filtrée. Les images thermographiques furent enregistrées sur film Polaroid pour analyse ultérieure.
Radiographie
Une radiographie à faible énergie fut effectuée à 15 kVp. La source de rayons X avec un foyer carré de 1,5 mm fut positionnée à 1 mètre au-dessus du tissu de lin. Un panneau de 20 cm de large fut retiré du cadre du côté opposé à la source. Un film de radiographie 36 cm × 43 cm, contenant un film de type DR et TR, fut placé au-dessus de l’ouverture. En suivant le périmètre du tissu, un film à la fois fut déplacé verticalement sur un quart de la largeur du tissu (approximativement 27,5 cm). Deux autres packs de films furent placés, l’un près de l’ouverture dans le cadre et l’autre dans un emplacement adjacent au premier. Lorsqu’un panneau était retiré, un autre adjacent était inséré. L’équipement source-rayons X était aligné avec la nouvelle ouverture, et davantage d’exposition fut réalisée ; l’ensemble du tissu fut radiographié dans trois expositions successives.
Un cadre en aluminium, approximativement 1,25 m sur 1,5 m, fut suspendu sur le côté source du tissu. Le tissu fut maintenu avec des aimants situés à des intervalles de 20 cm sur le cadre. Dans une série, les films furent placés horizontalement et identifiés par paires de numéro de film. Ainsi, chaque radiographie identifiait des ombres et leur numéro de film correspondant.
Une chambre noire fut installée dans un emplacement adjacent. Tous les films furent développés manuellement peu après l’exposition. Dans une autre salle, les films furent localisés et les films traités firent l’objet d’un examen préliminaire. Toute correction nécessaire de l’exposition fut relayée à l’équipe des tests.
Spectroscopie visible et ultraviolette
Un réflectomètre spécial (Figure 2) fut construit. Il fut utilisé de façon interchangeable pour les mesures de réflectivité et de fluorescence.
Pour les mesures de réflectivité, une lampe à arc xénon fut utilisée, alimentée à travers un monochromateur. Le faisceau du monochromateur fut imagé sur une zone de 6 mm par 30 mm du tissu. Les mesures de réflectivité furent réalisées de 350 à 750 nanomètres. De 420 à 750 nanomètres, des filtres de transmission passante furent placés avant le monochromateur détecteur. La largeur de bande du monochromateur détecteur était de 8 nanomètres. Les filtres utilisés étaient des filtres interférentiels en magnésium.
Pour les mesures de fluorescence, la source lumineuse utilisée était une lampe à arc au mercure. Le monochromateur source fonctionnait à 365 nanomètres. Un filtre de transmission ultraviolet était inséré devant la lentille. Une lumière visible transmise était insérée juste avant le monochromateur détecteur. Le monochromateur détecteur fut utilisé de 390 à 700 nanomètres. La largeur de bande était de 8 nanomètres pour les mesures de fluorescence.
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les balayages de réflectivité et de fluorescence furent également effectués sur des échantillons de tissus provenant du Musée égyptien de Turin. De plus, des balayages furent effectués sur des papiers filtre qui avaient été brûlés et enduits de divers pigments de peinture.
FIGURE 2 – Diagramme fonctionnel du réflectomètre/fluorimètre.
RÉSUMÉ DES RÉSULTATS
Plus de 100 heures de temps de test furent partagées par des équipes scientifiques italiennes, suisses et américaines. Chaque fois que possible, deux tests ou plus furent conduits en même temps durant le programme continu jour et nuit. L’équipe américaine seule prit presque 600 photographies, exposa et développa plus de 60 paires de films radiographiques. Un total de 25 spectres de fluorescence aux rayons X fut enregistré. Quatre-vingt-cinq balayages de réflectance infrarouge et 18 thermogrammes furent enregistrés. Trente-six échantillons pour des analyses chimiques furent obtenus. En plus des balayages spectroscopiques de 34 zones du tissu, 13 balayages furent réalisés sur des échantillons de tissus provenant du Musée égyptien de Turin.
Les détails des méthodes de test et les premières analyses des données seront publiés dès que possible. Le travail futur impliquera le balayage informatisé des négatifs et des thermogrammes, ainsi que la corrélation et la comparaison des données. Des tests et expériences en laboratoire viendront compléter les données originales.