Réactivité chimique et spectroscopie d'émission haute température d'hydrocarbures présents dans l’enveloppe des étoiles évoluées
Institution:
Rennes 1Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
This work is devoted to the experimental investigation of the high temperature kinetics and spectroscopy of astrophysical gases. A versatile and existing High Enthalpy Source (HES) coupled with a flow tube and with a Pulsed-Laser-Photolysis-Laser Induced Fluorescence (PLP-LIF) system has been adapted to measure the kinetics of key high temperature neutral-radical reactions of interest for the chemistry of circumstellar envelopes of carbon rich red giant stars characterized by surface layer temperatures between 1000 K and 4000 K. The HES can achieve temperatures up to 1800 K, it is based on a heated graphite rod, whose open porosity provides a huge exchange surface. The first part of this thesis describes the design and the characterization of this new prototype, in particular with the help of computational flow dynamic simulations. The second part deals with the kinetic studies of the reaction of the cyano (CN) radical with propane (C₃H₈), propene (C₃H₆), propadiene (C₃H₄), 1,3-butadiene (1,3-C₄H₆), 1-butyne (1-C₄H₆) and ammoniac (NH₃) over a temperature range extending from 300 to 1200 K. The temperature dependent rate constants have been fitted to a modified Arrhenius expression. The majority of the reactions studied are rapid, with rate constants greater than 10⁻¹⁰ cm3. Molécule⁻1. S⁻1. The last part of the thesis is devoted to the high temperature emission spectroscopy of methane and acetylene whose infrared opacity at high temperature is required to model the thermal structure of carbon-rich evolved stars. The infrared emission is recorded at 3 µm for methane and 13. 7 µm for acetylene at Doppler resolution with a high resolution Fourier transform interferometer (Bruker IFS 125HR), for temperatures ranging with in the 1000-1750 K interval. A radiative transfer model has been developed to quantify the self-absorption effect on the line-by-line absorption cross sections extracted from the recorded spectra. A “2T” method has been used to access to the energy value and rotational assignment of the angular momentum J of the lower state of a given temperature. Some difficulties relative to the application of this method to our emission spectra are discussed.
Abstract FR:
Ce travail est consacré à l'exploration de la cinétique et de la spectroscopie haute température de gaz astrophysiques. Il s'appuie sur un nouveau prototype de réacteur couplé à une source haute température basée sur un barreau de graphite dont la porosité offre une surface d'échange très grande et permet de chauffer un écoulement gazeux jusqu'à environ 1800 K. La technique de Photolyse Laser Pulsé – Fluorescence Induite par Laser (PLP – LIF) a été adaptée pour mesurer la cinétique de réactions neutre-radical clés haute température et d'intérêt pour la chimie des enveloppes circumstellaires des géantes rouges enrichies en carbone, caractérisées par des températures de surface comprises entre 1000 et 4000 K. La première partie de ce manuscrit s'attache à la conception et à la caractérisation du nouveau prototype expérimental, menées notamment à l'aide de simulations de dynamique des fluides. Puis, il présente les résultats de cinétiques de réactions du radical CN avec le propane (C₃H₈), propène (C₃H₆), propadiène (C₃H₄), 1,3-butadiène (1,3-C₄H₆), 1-butyne (1-C₄H₆) et de l'ammoniac (NH₃) sur une gamme de température allant de 300 à 1200 K. La dépendance en température des constantes globales de réaction a été ajustée sous une forme de type Arrhenius modifiée. La majorité de ces réactions sont rapides à haute température avec des constantes globales de réaction de l'ordre de 10⁻¹⁰ cm³. Molécule⁻1. S⁻1. La troisième partie de ce manuscrit s'intéresse à la spectroscopie d'émission du méthane et de l'acétylène à haute température dont l'opacité dans l'infrarouge est nécessaire pour modéliser la structure thermique de l'atmosphère des étoiles évoluées carbonées. L'émission infrarouge produite à 3 µm pour le méthane et à 13,7 µm pour l'acétylène est analysée par un spectromètre à transformée de Fourier (Bruker IFS125HR), à la résolution Doppler et à des températures comprises entre 1000 et 1750 K. Un modèle de transfert radiatif a été développé afin de quantifier l'impact de l'autoabsorption sur la mesure des sections efficaces d'absorption extraites des spectres de rotation-vibration. Une procédure « à deux températures » a été développée pour accéder à l'énergie et au quantum rotationnel J de l'état inférieur des transitions. Cette détermination se heurte à des difficultés qui sont discutées.