Nous venons de voir ce qu’est la section efficace d’attachement et comment elle est déterminée. Intéressons-nous maintenant à l’utilisation du dispositif expérimental afin d’en effectuer la mesure.
Ainsi que nous l’avons montré dans le premier chapitre de cette thèse, notre dispositif expérimental permet de réaliser de façon contrôlée des collisions entre les molécules d’une vapeur et un agrégat de taille sélectionnée n, d’énergie Elab fixée et de température initiale
Tth connue. En choisissant bien les conditions en énergie, en température et la pression
dans la cellule, il est possible d’observer le processus d’attachement d’une molécule sur un agrégat. L’analyse des distributions en masse des produits de collisions nous permet de déterminer des sections efficaces absolues d’attachement.
Nous verrons dans un premier temps dans quelles conditions expérimentales de tem- pérature, énergie et pression le processus d’attachement peut être observé, et ce pour les différents systèmes étudiés. Nous montrerons comment la section efficace est déduite des spectres de masse expérimentaux.
2.2.1 Conditions expérimentales
La température initiale de nos agrégats dans le cadre des mesures de sections efficaces d’attachement est fixée à 25 K. Nous choisissons de travailler à cette température, la plus basse possible, afin d’éliminer les processus d’évaporation de nos mesures de section efficace. Nous reviendrons en détail sur l’influence de l’évaporation pour nos mesures dans la section 2.3.
Les agrégats sont ralentis dans une gamme d’énergie cinétique dans le référentiel du laboratoire Elab comprise entre 6 eV et 33 eV. Pour cette gamme d’énergies dans le réfé-
rentiel du laboratoire, l’énergie de collision dans le centre de masse Ecm est de l’ordre du
dixième d’électron-volt, permettant ainsi d’avoir un temps de vie des produits d’attache- ment suffisant pour être observé, comme évoqué en sous-section 2.1.2.
Les mesures de section efficace en fonction de la taille sont réalisées à énergie cinétique constante Elab dans le repère du laboratoire. En effet, ainsi que nous l’avons vu dans la
2.2. MÉTHODE DE MESURE
Il est donc avantageux pour des raisons pratiques d’automatisation des acquisitions de réaliser les mesures en fonctions de la taille à énergie cinétique Elab fixe.
Nous nous assurons que nous sommes dans un régime mono-collisionnel : la pression
Pcel de la vapeur dans la cellule est choisie, en fonction du système étudié et de la taille
de l’agrégat, de sorte que le nombre moyen de collisions dans la cellule est compris entre 0, 9 et 1, 2. Afin de maintenir ce faible nombre de collisions, la pression dans la cellule doit être correctement choisie. En effet pour une pression donnée un gros agrégat ayant une faible vitesse subit beaucoup plus de collisions qu’un petit agrégat avec une vitesse plus grande. Ainsi les pressions utilisées varient entre 2 × 10−5mbar pour les agrégats les plus gros à 2 × 10−4mbar pour les plus petits. La température de la cellule de collision T
cel est
de 23◦C.
Le tableau 2.1 donne les gammes de taille et les énergies cinétiques correspondantes pour les différentes espèces ayant été étudiées : l’eau, l’éthanol et le méthanol.
Espèce taille n Elab (eV) Ecm (eV)
Méthanol 40-130 12 0,33-0,13 50-150 22 0,47-0,18 Éthanol 40-100 22 0,57-0,26 Eau 30-95 6 0,23-0,1 30-117 10 0,36-0,12 40-200 18 0,48-0,13 40-250 22 0,57-0,13 40-250 33 0,84-0,17
Table 2.1 –Tableau résumant les tailles étudiées, les valeurs d’énergie cinétique Elabainsi que les
valeurs d’énergie cinétique dans le centre de masse correspondantes, pour chaque espèce étudiée, dans le cas des expériences de mesures de sections efficaces d’attachement.
Pour résumer, nous nous plaçons dans les conditions où il y a moins d’une collision en moyenne dans la cellule. Les énergies dans le référentiel du centre de masse sont de l’ordre ou inférieures à l’énergie de dissociation d’une molécule dans l’agrégat. La température initiale de l’agrégat est fixée la plus faible possible.
2.2.2 Observation du processus d’attachement
Nous avons représenté dans la figure 2.6 l’évolution d’un spectre de masse lorsque l’on augmente la pression Pcel dans la cellule de collision.
Lorsque la pression est nulle dans la cellule de collision, nous n’observons qu’un seul pic dans le spectre de masse, le pic parent, qui correspond ici à un agrégat de méthanol de taille n = 50 ralenti à 22 eV. Cette situation correspond au graphe du haut dans la figure 2.6.
Lorsque la pression augmente dans la cellule de collisions, un pic apparaît à droite du pic parent. Ce nouveau pic correspond à l’attachement de la molécule sur l’agrégat. Cette figure 2.6 permet ainsi de mettre en évidence l’augmentation de la proportion d’attache- ment avec la pression dans la cellule de collision. C’est à partir de cette évolution que nous déterminons les sections efficaces absolues d’attachement.
Figure 2.6 –Agrégat de méthanol de taille n = 50 ralenti à une énergie Elab=22 eV : Évolution
du spectre en temps de vol lorsque la pression de vapeur Pceldans la cellule de collision augmente.
Mise en évidence du pic correspondant à l’attachement d’une molécule sur l’agrégat parent par un encadré orange.
2.2.3 Détermination des sections efficaces
Le spectre de masse nous donne directement accès à la section efficace d’attachement. Revenons à la formule 2.14 donnée précédemment et que nous rappelons ici :
σatt= −
ln(If/I0)
ρLcelF(a)
Les différentes quantités entrant en jeu dans cette formule peuvent toutes être déterminées à partir de nos expériences.
If et I0 correspondent respectivement au nombre total d’agrégats parents ayant tra- versés la cellule de collision sans subir de collage, et au nombre d’agrégats ayant traversé la cellule de collision, en subissant ou non une réaction de collage. Ces deux quantités If et
I0 peuvent être déterminées directement sur chaque spectre de masse, comme illustré par la figure 2.7(a). En intégrant l’ensemble des pics, on obtient I0, le nombre total d’agrégats qui sont entrés dans la cellule. En intégrant le pic de la taille initiale n, on obtient If, le
nombre d’agrégats restés intacts après avoir traversé la cellule de collision.
Dans l’approximation des gaz parfaits, la densité ρ de molécules est liée à la pression
Pcel de vapeur dans la cellule de collision et à sa température Tcel par :
ρ= Pcel kBTcel
(2.19) Le problème de la mesure de la pression dans la cellule de collision a déjà été évoqué dans le chapitre 1, à la section 1.5. Nous mesurons assez précisément l’évolution de la pression relative au cours d’une mesure. La longueur Lcel de la cellule est connue. F (a)