Excitation and fragmentation of CnN⁺ (n=1-3) molecules in collisions with He atoms at intermediate velocity ; fundamental aspects and application to astrochemistry

par Thejus Mahajan

Thèse de doctorat en Lasers, molécules, rayonnement atmosphérique

Sous la direction de Karine Beroff.

Soutenue le 28-09-2018

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Institut des sciences moléculaires d'Orsay (2010-....) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Alain Dubois.

Le jury était composé de Karine Beroff, Alain Dubois, Patrick Rousseau, Jean-Christophe Loison, Séverine Boyé-Péronne.

Les rapporteurs étaient Patrick Rousseau, Jean-Christophe Loison.

  • Titre traduit

    Excitation et fragmentation des molécules CnN⁺ (n = 1-3) en collision avec des atomes de He à vitesse intermédiaire ; aspects fondamentaux et application à l'astrochimie


  • Résumé

    Dans cette thèse nous avons étudié des collisions entre des projectiles CnN⁺ (n=0,1,2,3) et des atomes d’Hélium à vitesse intermédiaire (2.25 u.a). A cette vitesse, proche de la vitesse des électrons sur les couches de valence externe des atomes et molécules, de nombreux processus électroniques prennent place avec une forte probabilité : ionisation (simple et multiple), excitation électronique, capture d’électron (simple et double). Nous avons mesuré les sections efficaces absolues de tous ces processus. Un autre aspect intéressant de la collision concerne la fragmentation des molécules excitées, que nous avons également mesurée précisément grâce à un dispositif dédié. Les expériences ont été effectuées auprès de l’accélérateur Tandem d’Orsay avec des faisceaux de quelques MeV d’énergie cinétique. Le dispositif AGAT a permis de réaliser les collisions (en condition de collision unique) et de mesurer tout à la fois les sections efficaces des processus et la fragmentation associée. Parallèlement nous avons simulé ces collisions d’un point de vue théorique en utilisant le modèle à Atomes et Electrons Indépendants (IAE) couplé à des calculs CTMC (Classical trajectory Monte Carlo). Sur cette base, nous avons prédit les sections efficaces qui se sont trouvées être en bon accord avec les mesures, à l’exception de la double capture d’électrons. Par ailleurs les rapports de branchement de dissociation des CnN⁺ après excitation électronique sont bien reproduits en utilisant la distribution d’énergie interne des espèces calculées avec le même modèle IAE/CTMC. Ces expériences nous ont permis de construire des « Breakdown Curves » (BDC), véritables cartes d’identité des molécules qui permettent de prévoir, dans le cadre d’une fragmentation statistique comment va fragmenter un système dont on connait l’énergie interne. Avec ces BDC nous avons pu prédire et recommander des rapports de branchement pour des voies de sortie de processus physiques et chimiques d’intérêt astrochimique. Ces données seront insérées dans la base internationale d'astrochimie the Kinetic Data Base for Astrochemistry KIDA. Cette thèse a été réalisée dans le cadre de l’Ecole Doctorale Ondes et Matière (EDOM) à l’Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay (ISMO), à l’Université Paris-Sud Paris Saclay.


  • Résumé

    This thesis studies the aftermath of collision between singly positively charged Nitrogenated carbon species CnN⁺ (n=0,1,2,3) and neutral Helium atom at a velocity of 2.25 au. At this velocity, close to the velocity of outer electrons in atoms and molecules, several electronic processes take place and are near their maximum of probability such as ionisation (single, double, triple …), electronic excitation and electron capture (single and double). We looked at their cross sections and how their evolution with the molecule size. Following the collision the molecule can fragment, which leads to another interesting aspect, the fragmentation branching ratios. Collision experiments were done using a Tandem accelerator at Orsay that produced the CnN⁺ projectiles and a dedicated set-up, AGAT, to capture the flying fragments/intact molecule after collision according to their charge to mass ratio. Knowing the number of particles that are shot and the fact that our set-up allows no loss of fragments/intact molecule, we could get the probabilities of various fragments formed. Using these probabilities and a knowledge of the Helium jet profile used, we could measure their cross sections. The probabilities alone are sufficient to obtain the fragmentation branching ratios.The next step was to use a theoretical model to simulate the collision. We used Independent Atom and Electron (IAE) model coupled with Classical Trajectory Monte Carlo (CTMC) method to calculate the desired cross sections. A general good agreement was obtained, with the exception of double electron capture. The model could also predict, through the calculation of the species internal energy, the fragmentation branching ratios of cations CnN⁺ after electronic excitation. Also, the branching ratios were used to construct semi-empirical Breakdown Curves (BDCs), which are internal energy dependent dissociation branching ratios specific to each molecule, type, size and charge. With those, we could recommend products branching ratios to be used for various processes of astrochemical interest. The products branching ratios will be made available for a wider network of researchers under the international Kinetic Database for Astrochemistry (KIDA).This thesis was realized under the doctoral programme of Ecole Doctorale Ondes et Matiere (EDOM) with Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay (ISMO) where the author was given an office and Université Paris-Sud where the author is formally enrolled.


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