Le hacheur aérodynamique : un nouvel instrument dédié aux processus réactionnels à ultra-basse température

The aerodynamic chopper : a new apparatus dedicated to reactive processes at ultra-low temperature

• Auteur / Autrice : Sébastien Morales
• Direction : Ian R. Sims
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes1996-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ingénierie -- Instruments

Cosmochimie

Aérodynamique supersonique

Cinétique chimique

Basses températures

Résumé

L’étude des processus réactionnels dans les milieux dit «extrêmes » s’avère d’un intérêt majeur par ses multiples enjeux et domaines d’applications (physico-chimie théorique, astrophysique…). La technique CRESU (Cinétique de Réaction en Ecoulement Supersonique Uniforme) développée et exploitée par l’Equipe Astrochimie Expérimentale pour l’étude de collisions moléculaires à basse température (jusqu’à ~15 K) se révèle être le dispositif le plus adapté à ce type d’environnement. Cette méthode consiste à générer un écoulement supersonique uniforme via la détente isentropique d’un gaz au travers d’une tuyère de Laval. Cependant, elle est limitée par deux contraintes majeures : les énormes quantités de gaz consommées et les grandes capacités de pompage nécessaires à l’obtention de très basses températures. La première partie de cette thèse présente un exemple des possibilités de la technique CRESU via une étude de cinétique chimique entre le radical CN et une série d’hydrocarbures (le 1,3-butadiène, le butyne, le propane et le propène) dans la gamme de température 23-300 K. L’ensemble des réactions étudiées montre une réactivité importante avec une constante de vitesses dépassant les 10-10 cm3 molécule-1 s-1, même à basse température. L’implication des résultats pour la réactivité à basse température ainsi que pour la modélisation de l’atmosphère de Titan y est discutée. Enfin, la seconde partie de ce manuscrit expose la conception, le développement et les performances d’un nouveau moyen d’essai fondé sur l’évolution de la technique CRESU vers un mode pulsé. Ce nouvel instrument nommé Hacheur Aérodynamique permet de s’affranchir des inconvénients du dispositif CRESU en réduisant fortement les capacités de pompage nécessaires à son fonctionnement. Les résultats obtenus par le prototype démontrent le fort potentiel de ce nouvel instrument au travers de la caractérisation des écoulements pulsés ainsi créés et de deux études de cinétique chimique à 22 K (CN+O2 et CN+C3H8). Le Hacheur Aérodynamique permet d’étendre la gamme des composés étudiés aux espèces chimiques onéreuses ou exigeant une synthèse. Il offre également la possibilité d’accroître le rayonnement des techniques en jet supersonique uniforme en autorisant leur développement dans des laboratoires aux capacités de pompage limitées. D’après les résultats présentés, il semble raisonnable de prédire que le Hacheur Aérodynamique permettra dans un futur proche de descendre à des températures inférieures à 10 K, voire de s’approcher du sub-Kelvin.

Studies on reactive processes under extreme conditions has proved to be of great interest for its multiple applications (reaction rate theory, astrophysics,. . . ). The CRESU technique (Cinétique de Réaction en Ecoulement Supersonique Uniforme) has been developed in the Rennes Experimental Astrochemistry team for the study of molecular collisions at very low temperatures (down to  15 K). This technique, based on the use of a Laval nozzle which generates a cold supersonic flow by an isentropic expansion, is the best adapted method for this kind of study under such conditions. However, the technique is limited by two main constraints : the large consumption of gas and the large pumping capacity necessary to obtain very low temperatures. The first part of this thesis presents an example of the possibilities of the CRESU technique – kinetic studies of the reaction between the CN radical and several hydrocarbons (1,3-butadiène, butyne, propane and propene) over a temperature range of 23 to 300 K. The majority of the reactions studied are rapid, with rate constants greater than 10-10 cm3 molécule-1 s-1, even at low temperature. Implications of these results for both low temperature reactivity and the modeling of Titan’s atmosphere are discussed. Finally, the second part of this manuscript describes the development, design and performance of a new invention, based on an evolution of the CRESU technique toward a pulsed mode. This new apparatus, called an “Aerodynamic Chopper”, allows us to avoid some of the CRESU technique’s disadvantages, reducing strongly the necessary pumping capacity. Results obtained with the prototype demonstrate the great potential of this new apparatus by characterizing the pulsed flow and studying chemical kinetics at 22 K (CN+O2 et CN+C3H8). The Aerodynamic Chopper will enable us to study costly or difficult to synthesize compounds and broaden the use of uniform supersonic flow techniques by making possible their development in laboratories with limited pumping capacity. From these results, it is reasonable to predict that the Aerodynamic Chopper will enable us, in the immediate future, to reach temperatures below 10 K, and eventually even to approach sub-Kelvin temperatures.