Effets d'irradiation par des ions de grande énergie dans de la glace H₂O et applications astrophysiques

par Jean Bénit

Thèse de doctorat en Terre, Océan, Espace

Sous la direction de Jean-Pierre Bibring.

Soutenue en 1987

à Paris 11 , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .

mots clés

• Ion de grande énergie
• Vents de particules
• Temps de vol
• Cavités stellaires
• Glace
• Irradiation
• Ions
• Système solaire
• Érosion
• Spectroscopie
• Nuages moléculaires
• Rayonnement cosmique

Résumé

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale des effets induits par l'irradiation d'ions de grande énergie (0,1 à 4,5 MeV/uma) dans des glaces, fabriquées par condensation sous vide de gaz sur des supports refroidis à 80 K. Les ions émis pendant l'irradiation ont été analysés grâce à un spectromètre de masse par temps de vol. Les cibles ont été étudiées in-situ en infrarouge, par un spectromètre à Transformée de Fourier. Les principaux résultats concernent tout d'abord les processus conduisant à l'érosion des glaces induite par l'irradiation. Elle provient principalement de la dissociation des molécules constitutives des glaces, suivies de recombinaisons en composés volatils pouvant diffuser hors des cibles irradiées. On obtient ainsi des taux d'érosion très élevés, qui dépendent linéairement de l'épaisseur des cibles traversées par les ions incidents. Ceci atteste de ce que l'érosion se produit tout au long de la trace des ions dans la cible. En second lieu, il a été possible de suivre la désorption d'ions depuis la surface irradiée. L'ensemble des espèces ionisées ont été détectées, jusqu'à des masses supérieures à 400 uma. Un des résultats les plus marquants est l'abondance relative élevé d'amas ionisés de grande masse. Enfin, nous avons mis en évidence la synthèse de composés moléculaires nouveaux dans les glaces irradiées. L'ensemble de ces résultats a des implications astrophysiques directes. En particulier, ils permettent de rendre compte de la présence de composés moléculaires complexes dans de nombreux sites, dans le Système Solaire (comètes, satellites), dans les nuages interstellaires et les cavités stellaires

Titre traduit

Irradiation effects induced in H₂O ice by high energy ions and astrophysical implications

Résumé

This thesis presents the study of radiation effects induced in H20 ice by MeV/u ions: desorption of ionized species, "erosion" of the irradiated film and molecular synthesis within the ice. The desorption is analysed by time of flight mass spectroscopy. We describe the mass spectra of the desorbed ions, both positively and negatively charged, up to 400 uma. The absolute yields are given, as well as their dependence with the energy and energy loss of the primary ions. The "erosion" of the ice is analysed by infrared spectroscopy, on line during the irradiation. Absolute yields are derived, as a function of the ions beam flux, the mass and energy of the ions, and the thickness of the samples. A linear dependence of the yield with the thickness is interpretated as follows: the erosion comes primarely from the dissociation of the molecules all along the ion tracks. Some astrophysical implications of the results are discussed in the framework of irradiation of icy material in a variety of environments: magnetospheres of giant planets, cometary nuclei, circumstellar shells and molecular clouds. Lt is emphasized that the irradiation by energetic ions plays a major role in cosmochemistry.