Photoionisation VUV de molécules d’intérêt astrophysique : aspects fondamentaux et quantitatifs

VUV photoionisation of astrophysical molecules : fundamental and quantitative aspects

• Auteur / Autrice : Oliver Harper
• Direction : Séverine Boyé-Péronne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, molécules, rayonnement atmosphérique
• Date : Soutenance le 03/07/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences moléculaires d'Orsay (2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Nahon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Amanda Jane Ross, Ian R. Sims, Astrid Bergeat, Christian Alcaraz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Amanda Jane Ross, Ian R. Sims

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement synchrotron

Mots clés libres

VUV

Photoionisation

Molécule

Radical

Laser

Synchrotron

Spectroscopie

VUV

Photoionisation

Molecules

Radicals

Laser

Synchrotron

Spectroscopy

Résumé

L’évolution de la matière diluée dans les milieux astrophysiques tels que le milieu interstellaire, les atmosphères planétaires ou la coma des comètes, résulte d'une photochimie très complexe faisant intervenir en particulier un grand nombre d'espèces stables et réactives en phase gazeuse. Cette photochimie est induite par le rayonnement galactique ou par le rayonnement solaire dans le domaine spectral de l'ultra-violet du vide (VUV, longueur d’onde < 200 nm). Une bonne compréhension de cette évolution nécessite une modélisation précise de la photochimie de ces milieux, en prenant en compte l'ensemble des réactions chimiques et des processus photo-induits. Dans ce contexte, le travail principal de cette thèse porte sur le processus de photoionisation (M + hν -> M+ + e-).Un des buts de cette thèse était de déterminer des paramètres quantitatifs, souvent jamais mesurés, pour décrire le processus de photoionisation de composés d’intérêt astrophysique, en particulier d’espèces réactives. Pour ce faire, le montage moyenne – haute résolution (SAPHIRS) de la ligne DESIRS du synchrotron SOLEIL et le nouveau montage laser haute résolution (VULCAIM) de l’ISMO basé sur un spectromètre de photoélectrons à énergie cinétique nulle (ZEKE) ont été utilisés pour mener diverses études expérimentales. Cette thèse présente aussi le développement de cette nouvelle expérience, unique en France, et la caractérisation de ses principales performances.Un paramètre quantitatif important est la section efficace de photoionisation, reliant le nombre d’ions produits au nombre initial d’espèces neutres. Pour les espèces réactives, ce paramètre est rarement connu à cause des difficultés inhérentes à ce type de mesures. Ce travail présente deux mesures de sections efficaces de photoionisation (pour les radicaux NH2 et OH) et quelques résultats préliminaires sur d’autres sections efficaces de radicaux. D’un point de vue pratique, ces sections efficaces permettent indirectement de quantifier d’autres processus de relaxation (i.e. la photodissociation) en utilisant des expériences pompe VUV – sonde VUV, qui sont aussi décrites dans le manuscrit.En plus de l’importance de ces expériences pour les applications, ces études permettent d’obtenir des informations fondamentales et détaillées sur le processus de photoionisation, surtout via la spectroscopie de photoélectrons. Au synchrotron SOLEIL, la structure vibronique du dicarbone, C2, a été étudiée au voisinage de son premier potentiel d’ionisation adiabatique. L’énergie de la transition X+ ← X, interdite à un photon, a été obtenue pour la première fois en utilisant un seul spectre expérimental. Au laboratoire, le nouveau laser VUV s’est montré très performant pour des expériences de spectroscopie VUV à des résolutions rarement atteintes dans ce domaine spectral (jusqu’à 0.06 cm-1). L’utilisation de ce laser pour la spectroscopie de photoélectron couplée à une technique d’analyse d’images révèle la possibilité d’entreprendre des études de photoionisation à haute résolution avec un meilleur rapport signal sur bruit, ce qui permettra la détermination de nouvelles informations spectroscopiques concernant la structure rovibronique d’un grand nombre de cations, et en particulier d’espèces radicalaires.

The evolution of diluted matter in various astrophysical media (interstellar space medium, planetary atmospheres, comets) results from complex photochemistry involving many stable and reactive species in the gas phase. This photochemistry is induced by galactic fluxes or by solar radiation in the vacuum ultra-violet spectral domain (VUV, wavelength < 200 nm). An accurate model of the photochemistry of these media is required to understand this evolution. This model must account for all photo-induced processes through pertinent quantitative parameters measured in laboratory experiments. One of these processes is photoionisation (M + hν -> M+ + e-), which is the focus of this thesis.One of the aims of this PhD work was to determine quantitative and often unprecedented parameters to describe photoionisation processes of compounds of astrophysical interest, in particular of reactive species. These were determined experimentally using the medium high-resolution SAPHIRS setup of the DESIRS beamline of the SOLEIL synchrotron and using the new high-resolution laser setup (VULCAIM) of ISMO based on a Zero Electron Kinetic Energy (ZEKE) photoelectron spectrometer. This thesis also presents details on the development of this new setup, unique to France, and on the determination of its main characteristics.An important quantifying parameter is the photoionisation cross section, relating the number of produced ions to an initial quantity of neutral species. This parameter is not always available in the literature due to experimental challenges, especially for unstable species. This work presents two photoionisation cross section measurements (NH2 and OH free radicals) and some preliminary work on other free radical cross sections. From a practical point of view, these cross sections also allow the indirect quantification of other relaxation processes using VUV pump –VUV probe experiments (e.g. photodissociation), which are also featured in the manuscript.On top of the application value of these experiments, these studies offer fundamental insights, mainly via photoelectron spectroscopy, into the fine details of photoionisation processes. At the SOLEIL facility, the vibronic structure of the dicarbon radical, C2, has been investigated in the vicinity of its first adiabatic ionization potential, and the energy of the one-photon forbidden transition X+ ← X has been derived for the first time using only one experimental spectrum. At the ISMO laboratory, the new VUV laser has shown to have the capabilities of undertaking spectroscopic studies at a resolution (down to 0.06 cm-1) rarely seen in the VUV range. The use of this laser for photoelectron spectroscopy combined with an imaging technique promises to be able to perform high-resolution photoionisation studies with improved signal-to-noise ratio. It will lead to unprecedented spectroscopic information on the rovibronic structure of a number of cations, in particular for radical species.