Spectroscopie de photoionisation de radicaux d'intérêt astrophysique dans l'ultraviolet du vide

Photoionization spectroscopy of radicals of astrophysical interest in the vacuum ultraviolet

• Auteur / Autrice : Ning Chen
• Direction : Séverine Boyé-Péronne, Béranger Gans
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/11/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences moléculaires d'Orsay (2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Kevin M. Hickson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Héloïse Dossmann, Clément Lauzin, Christian Alcaraz, Géraldine Feraud, Jennifer Noble
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Héloïse Dossmann, Clément Lauzin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photoionisation

SOLEIL, Projet

Sources de rayonnement synchrotron

Lasers

Spectroscopie ultraviolette sous vide

Mots clés libres

Radical

VUV

Laser

Synchrotron

Photoionisation

Spectroscopie

Radical

VUV

Laser

Synchrotron

Photoionization

Spectroscopy

Résumé

L'évolution de la matière dans les environnements astrophysiques, tels que le milieu interstellaire, est gouvernée par des processus chimiques complexes impliquant de nombreuses espèces stables et radicalaires en phase gazeuse. L'identification et l'étude des molécules interstellaires constituent des étapes fondamentales pour comprendre les processus chimiques dans l'espace, offrant des perspectives sur la compréhension de l'origine de la vie dans l'univers, les processus de formation des étoiles et la caractérisation des environnements interstellaires. La quête d'identification des espèces interstellaires et la construction de modèles chimiques reposent largement sur des études expérimentales en laboratoire. Ce travail de doctorat est dédié à la génération de nouvelles données spectroscopiques de haute qualité en laboratoire pour des espèces en phase gazeuse d'intérêt astrophysique, en mettant particulièrement l'accent sur les espèces radicalaires, en utilisant des techniques de spectroscopie de photoionisation. Mes travaux peuvent être divisés en deux composantes principales : 1) le premier aspect implique l'exploration d'un dispositif de source de radicaux stable et efficace pour produire des radicaux in situ ; 2) le deuxième aspect consiste à développer et utiliser des techniques de spectroscopie de photoionisation à haute résolution permettant l'investigation de la structure (ro)vibronique des cations de radicaux. Cette thèse documente des expériences sur le montage VULCAIM à haute résolution spectrale à l'ISMO et sur le montage SAPHIRS à moyenne résolution sur la ligne DESIRS du synchrotron SOLEIL. L'installation VULCAIM, unique en France et l'une des trois seules au monde, possède la capacité de fournir un rayonnement laser VUV accordable à haute résolution entre 6 et 17 eV. Cette thèse met l'accent sur des développements effectués sur cet appareil unique, y compris l'introduction d'un laser OPO largement accordable pour étendre la gamme du laser VUV, l'exploration de sources de radicaux par pyrolyse et décharge électrique, et la mise en place d'un réflectron. Le couplage de la source de radicaux par pyrolyse avec le montage VULCAIM a permis d'obtenir un résultat de premier plan : la production de radicaux CH₃ excités vibrationnellement, fournissant des données de laboratoire à haute résolution via la spectroscopie photoélectronique PFI-ZEKE pour confirmer pour la première fois expérimentalement la détection de CH₃⁺ dans l'espace. De plus, une nouvelle méthode de spectroscopie photoélectronique appelée PRFI-ZEKE à haute résolution et à rapport signal/bruit élevé a été proposée et appliquée dans le domaine de la recherche. SAPHIRS, le deuxième montage utilisé au cours de cette thèse au synchrotron, associe une source de radicaux basée sur un réacteur au fluor à écoulement avec un spectromètre de photoélectrons/photoions en coïncidence à double imagerie (i²PEPICO) et le rayonnement synchrotron. Cette configuration a permis l'enregistrement simultané du rendement d'ion et des spectres photoélectroniques résolus vibrationnellement pour divers radicaux SixCyHz, offrant des informations inédites sur la structure vibronique de leurs cations. Dans ce manuscrit, je présente des résultats expérimentaux sur SiH, Si₂, SiC et SiCH. Ces études ont permis de déterminer des valeurs fiables d'énergie d'ionisation et d'obtenir des informations sur les structures vibroniques des cations et des états de Rydberg du composé neutre observés par autoionisation. Ce travail constitue un premier pas vers la compréhension de la chimie du silicium au sein des nuages interstellaires.

The evolution of matter in astrophysical environments, such as the interstellar medium, is governed by complex chemical processes involving numerous stable and radical species in the gas phase. Identifying and studying interstellar molecules constitute fundamental steps toward understanding the chemical processes in space, offering insights into the origin of life in the universe, star formation processes, and interstellar environments' characterization. The quest for identifying interstellar species and constructing chemical models relies heavily on laboratory-based experimental studies. This doctoral work is dedicated to generate new, high-quality spectroscopic laboratory data for gas-phase compounds of astrophysical interest, with a particular focus on radical species, using photoionization spectroscopic techniques. My work can be broadly divided into two main components: 1) the first aspect involves the exploration of a stable and efficient radical source device to produce radicals in situ; 2) the second aspect entails the development and application of high-resolution photoionization spectroscopic techniques that enable the investigation of the (ro)vibrational structure of cations of radicals. This thesis documents experiments conducted using the high-resolution VULCAIM setup at ISMO and the medium-resolution SAPHIRS setup at the DESIRS beamlines of the SOLEIL synchrotron. The VULCAIM setup, unique in France and one of the only three worldwide, boasts the capability to provide high-resolution tunable VUV laser radiation from 6 to 17 eV. This thesis highlights developments performed on this unique apparatus, including the introduction of a broadly tunable OPO laser to extend the range of the VUV laser, the exploration of radical sources through pyrolysis and electric discharge, and the implementation of a reflectron. The coupling of the pyrolysis radical source to the VULCAIM setup achieved a significant result: the production of vibrationally excited CH₃ radicals, providing high-resolution laboratory data via PFI-ZEKE photoelectron spectrosocpy that support experimentally the detection of CH₃⁺ in space for the first time. Additionally, a novel high-resolution and high signal-to-noise ratio PRFI-ZEKE PES method has been proposed and applied within the research domain. SAPHIRS, the second setup used in this thesis at the synchrotron, couples a fluorine flow-tube reactor-based radical source with a double-imaging photoelectron/photoion coincidence (i²PEPICO) spectrometer and the synchrotron radiation. This configuration allowed for the simultaneous recording of ion yield and mass-selective photoelectron spectra at vibrational resolution for various SixCyHz radicals, offering essential insights into the vibronic structure of their cations. In this manuscript, I present experimental results encompassing SiH, Si₂, SiC, and SiCH. These studies have provided reliable photoionization energy values and information on the vibronic structures of cations and Rydberg states of the neutral species observed via autoionization. This work represents a first step toward understanding the chemistry of silicon within interstellar clouds.