Amélioration de la sensibilité de détection de la spectroscopie rotationnelle millimétrique dans les écoulements supersoniques uniformes pour des applications d’astrophysique de laboratoire

Improving the sensitivity of mm-wave rotational spectroscopy in uniform supersonic flows for laboratory astrophysics applications

• Auteur / Autrice : Omar Abdelkader Khedaoui
• Direction : Ian R. Sims
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 01/06/2022
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique (Rennes)
• Jury : Président / Présidente : Robert Georges
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lam Nguyen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Chazot, Kirill Prozument‎

Mots clés

Mots clés contrôlés

Jets (astrophysique)

Spectroscopie

Mots clés libres

CRESU

Jet supersonique

Spectroscopie rotationnelle

Astrophysique de laboratoire

CRESU

Supersonic flow

Rotational spectroscopy

Laboratory astrophysics

Résumé

Dans cette thèse, nous présentons la conception et le développement de deux nouveaux instruments afin d’optimiser les conditions expérimentales pour des applications d'astrophysique de laboratoire. L’objectif est d’étudier les processus collisionnels en phase gazeuse d'intérêt astrochimique à basse température en utilisant la technique CPUF (chirped pulse in uniform flow). Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet CRESUCHIRP, un programme pluriannuel visant à construire un nouvel appareil CRESU (Cinétique de Réaction en Ecoulement Supersonique Uniforme) couplé à deux spectromètres CP-FTmmW (Chirped-Pulse Fourier Transform mm-Wave) dans le but de déterminer les rapports de branchement des réactions d’intérêt astrochimique. Bien que la spectroscopie CP-FTmmW soit très bien adaptée aux applications à basse température, son efficacité est affectée par de nombreuses difficultés techniques, la plus notable étant l'élargissement collisionnel, un phénomène induit par les collisions qui atténuent le signal moléculaire des espèces étudiées. Une série de mesures spectroscopiques avec un spectromètre en bande Ka a été réalisée à température ambiante pour évaluer son impact en utilisant deux molécules d'intérêt astrochimique, l’acrylonitrile et le benzonitrile sont mis en collisions avec l’hélium. Les résultats illustrent la nécessité d'optimiser l'environnement du CRESU pour permettre une détection quantitative des produits de réaction. Dans ce travail, nous présentons le développement de l'appareil SKISURF (SKImmed uniform SUpeRsonic Flow), où le flux CRESU est échantillonné via un skimmer dans un processus d'expansion secondaire, ayant lieu dans un environnement à température et pression beaucoup plus basses en créant des conditions favorables pour la détection du signal moléculaire. Un spectromètre en bande E est utilisé pour la caractérisation et la réalisation des premières mesures du rapport de branchement de la réaction CN+ éthylène à 35 K, le sondage a été effectué à une température de ~ 5 K. Un système d’une tuyère de Laval pulsée a été conçu, construit et caractérisé comme deuxième technique pour augmenter la sensibilité du CPUF. Il repose sur la pulsation des jets du CRESU à une fréquence synchronisée à l’aide d'un hacheur aérodynamique placé en amont de la tuyère de Laval ce qui permet d'augmenter l'efficacité du pompage et de réduire l'effet de pression. Il permet également de générer des flux à des températures beaucoup plus basses que celles de l'appareil CRESU classique, jusqu'à ~ 6 K. Le système présente aussi un avantage économique car il réduit la quantité de gaz et d'espèces consommés. Les aspects de la conception et la caractérisation à l'aide de méthodes numériques et expérimentales des instruments nouvellement développés sont évoqués.

In this thesis we present the design and the development of two novel instruments to optimize the experimental conditions for laboratory astrophysics applications to study gas phase collisional processes of astrochemical interest at low temperatures using the CPUF (chirped pulse in uniform flow) technique. CRESU (Cinétique de Réaction en Ecoulement Supersonique Uniforme) apparatus coupled with two Chirped-Pulse Fourier Transform mm-Wave (CP-FTmmW) spectrometers with the aim of the determination of branching ratios of multi-channel reactions relevant to astrochemistry. Although CP-FTmmW spectroscopy is very well suited for low temperature applications, its sensitivity is challenged by many technical difficulties, the most notorious is pressure broadening, a phenomenon induced by collisions that attenuates the molecular signal of the species studied. A series of spectroscopic measurements with a Ka band spectrometer were carried out at room temperature to assess its impact using two molecules of astrochemical interest, vinyl cyanide and benzonitrile colliding with a helium buffer. The results illustrate the need to optimize the CRESU environment to allow sensitive detection of reaction products. In this work we present the development of the SKISURF (SKImmed uniform SUpeRsonic Flow) apparatus, where the CRESU flow is sampled via a skimmer in a secondary expansion process, into a much lower temperature and pressure environment creating favorable conditions for the detection of the molecular signal. An E band spectrometer is used for the characterization and conducting the first measurements of the branching ratio of the CN+ ethylene reaction at 35 K, the probing has been carried out at a temperature of 5 K. A pulsed Laval nozzle system has been designed, built and characterized as a second technique to increase the sensitivity of CPUF. It relies on pulsing the CRESU flows at a synchronized frequency with the use of an aerodynamic chopper upstream of the Laval nozzle which helps to increase the pumping efficiency and reduce the pressure effect. It also allows to generate a much lower temperature flows than the classic CRESU apparatus down to ~ 6 K. In addition, the system presents an economical advantage as it reduces the amount of gas and species consumed. The design aspects and the characterization using both numerical and experimental methods of the newly developed instruments are discussed.