Des ions lourds et des glaces PHC capescofecub

Des ions lourds et des glaces PHC capes/cofecub action 569/07 Alicja Domaracka, Hermann Rothard, Philippe Boduch Centre de Recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique CEA/CNRS/ENSICAEN/Université de Caen-Basse Normandie Caen, France Eduardo Seperuelo Duarte, Enio Frota da Silveria Physics Department Pontifícia Universidade Católica Rio de Janerio, Brazil Sergio Pilling Insitituto de Pesquisa e Desenvolvimento Universidade do Vale do Paraíba São José dos Campos, Brazil Emmanuel Dartois Lucio Farenzena Physics Department Universidade Federal de Santa Catarina Florianâópolis, Brazil Institut d’Astrophysique Spatiale, Astrochimie Expérimentale Université Paris Sud Orsay, France

Des glaces : comètes, satellites et nuages denses Orion Nebula The grains are covered with an icy mantle formed from simple molecules (H 2 O, CO 2, NH 3, CH 4, etc). Energetic processes induced by: - photons, - electrons (high and low-energy), - ions (cosmic rays, solar wind). NASA website Carina Nebula NASA website Irradiation induces chemical modification and desorption of species from the ice.

COMPOSITION DES GLACES : exemple pour les comètes. date réunion

Les ions lourds dans l’espace : Le vent solaire Les rayons cosmiques : (nuages denses) Shen et al. A&A. (2004) 415 203 Mewaldt et al. Space Sci. Rev. (2007) 130 323 Les ions lourds : - Grandes valeurs du pouvoir d’arrêt Se - Processus physiques en Se 2 - Phénomènes inexpliqués, aucune donnée pour les ions lourds, en particulier dans le domaine des collisions inélastiques.

ions in condensed matter: nuclear tracks Merci à T. Jalowy 2003

Ion Nuclear Tracks merci à B. Gervais

Ice-processing effects caused by UV and cosmic rays > 6 e. V 0. 74 μm H 2 O Laboratory simulations of relevant targets bombarded with fast charged particles and photons. 1 Me. V 25 μm Gerakines et al. J. Geo. Res. (2001) 106 381

UNIVERSITE ENSICAEN CIMAP GANIL HE - SME ARIBE IRRSUD CIMAP-CIRIL CYCERON Du carbone à l’uranium, de l’e. V au Ge. V

Grand Accélérateur National d`Ions Lourds 0. 3 to 1 Me. V/u IRRSUD C to U 4 à 95 Me. V/u IRABAT IRASME

experimental set-up CASIMIR: FTIR of condensed gases at 14 K

the “gas mixing and deposition machine” Cryo head Fine valve FTIR Barocel V 1 V 2 Turbo pump NH 3 CO CO 2 H 2 O

FTIR spectrum of C 18 O 2 ice C 18 O 2 Before irradiation n 1(CO 2) n 3 n 2 2 n 2+ n 3 n 1+ n 3 13 C 18 O n 2(CO 2) 2 (n 3) + n 3(CO 2) Wavenumber (cm-1) +

FTIR : �Position de la raie : � nature de la molécule � informations sur son environnement � Pollution � Porosité � Intégrale de la raie : � détermination de la densité colonnaire � forme de la raie : � structure (amorphe, cristal) � inconvénient : impossible d’observer les molécules « symétriques » �(O 2, N 2…)

Experimental details Pressure in irradiation chamber ~2 x 10 -8 mbar (14 K) cryostat FTIR spectrometer Substrate Cs. I window Temperature 13 K < T < 300 K Samples (ices) - in situ gas deposition - thickness ~0. 1 - 2 mm (1017 -1018 molecules/cm 2) - ion penetration depth > ice thickness Ion beam (Grand Accélérateur National d`Ions Lourds, Caen, France) - 50 Me. V 58 Ni 13+, 537 Me. V 64 Ni 24+ - flux ~109 ion/cm 2 s - fluence upto 1. 5 x 1013 ion/cm 2 irradiation/analysis chamber connection to beam line

Experimental procedure C 18 O 2 Before irradiation heavy ion beam Wavenumber (cm -1) C 18 O 2 After irradiation IR beam Cs. I window Wavenumber (cm -1) ~14 K

Swift nickel ion induced reactivity in CO ice 50 Me. V 58 Ni 13+ 1 x 1012 ions/cm 2 Astron. Astrophys. 512 (2010) A

537 Me. V 64 Ni 24+ induced reactivity in CO ice Fragmentation: d. N/d. F = - σd N N = N 0 exp(- d. F) σd = 1. 7 x 10‒ 13 cm 2

537 Me. V 64 Ni 24+ induced reactivity in CO ice Fragmentation plus sputtering: d. N/d. F = - σd N -Y N=N 0 exp(- d. F)-(Y/ d)(1 -exp(- d. F)) σd = 3. 5 x 10 -14 cm 2 Y = 5. 8 x 104 molecules/impact

Questions: 64 24+ 50 Me. V 58 Ni 13+ 537 Me. V Ni • How changes sputtering yield with the electronic stopping power? CO ice • Dose sputtering yield and destruction cross sections dependent on the ice thickness (column density) ? CO ice Cs. I window ~14 K

CO ice: destruction cross sections and sputtering yield E (Me. V) Se (e. Vcm 2/1015 mole) N 0 (1017 mole/cm 2) d (10 -14 cm 2) Y (104 mole/impact) 50 1690 16. 3 10. 0 0. 1 7 1 537 1180 5. 8 3. 5 1. 0 5. 8 0. 4 537 1180 10. 4 2. 6 0. 3 5. 9 0. 2 ~3. 0 x 10 -14 cm 2 ~5. 85 x 104 mole/impact

CO ice: sputtering yield vs. electronic stopping power 537 Me. V 64 Ni 24+ 50 Me. V 58 Ni 13+ He+ H+ 1 -3. 5 ke. V e- Brown et al. Nucl. Instr. Meth. B (1984) 307 1 Y~Se 2

Astrophysical implication Swift heavy ions can be responsible for the presence of CO in the gas phase inside dense clouds (below CO sublimation temperature, 10 K).

CO ice–different projectiles: destruction/formation cross sections destruction formation Astron. Astrophys. 512 (2010) A

Exemple d’une molécule organique : CH 3 OH

Destruction, fluence et pouvoir d’arrêt

Sections efficaces, destruction et création.

d est proportionnelle à Se 3/2 f aussi…

Implications astrophysiques? Rayons cosmiques Vent solaire

Du H, du C, du O et du N… C 5 H 10 O 5

Des mélanges plus complexes H 2 O – CO - NH 3 ice zwitterionic glycine? S. Pilling et al. Astronomy & Astrophysics 509 (2010) A 87

Conclusion : • - Les ions lourds (Fe) : • Pulvérisation (Se 2) • Destruction ( Se 3/2) chimie complexe • - Les systèmes complexes : • H, C, O et N molécules prébiotiques?

Perpectives : (nombreuses!) • H 2 O : – La structure (porosité, amorphisation) Vs Se • autres molécules simples : – NH 3, CH 4, acide formique, … • des molécules plus complexes – Acides aminés, PAH • comparaison UV/ions lourds. • Basse énergie, vent solaire… • XY-TOF imagerie (glaces et silicates)… MELANGES

AODO : -Espèces pulvérisées (TOF) -Dynamique de la Pulvérisation (détermination du vecteur vitesse initiale) preparation chamber irradiation chamber surface phenomenon: controlled and prepared Surfaces needed. target transfer UHV-setup with target preparation chamber (LEED + AES) ®target transfer, ®irradiation chamber (XY-TOF spectrometer)

Caen Emmanuel Dartois Institut d’Astrophysique Spatiale IAS / Orsay Philippe Boduch CIMAP/Université Caen Basse Normandie Emmanuel Balanzat Hermann Rothard CIMAP/CNRS Eduardo Seperuelo Duarte Alicja Domaracka CIMAP/PUC de Rio/Univ. Caen (co-tutelle) CIMAP (Postdoc ENSICAEN/Univ. Caen) Enio F. da Silveira PUC Rio / Brazil Lucio Farenzena Sergio Pilling Univ. Federal, Florianopolis / Brazil IP&D, Univ. do Vale do Paraíba - UNIVAP MERCI Eduardo Alicja