L’irradiation de la poussiere silicatee

L’irradiation de la poussiere silicatee

Pourquoi l’irradiation ? 

Tout au long de son evolution, la poussiere est constamment soumise a l’irradiation des photons, des rayons cosmiques ou des atomes ionises et acceleres dans les chocs se propageant dans le MIS. De nombreux travaux experimentaux ont montre que cette irradiation, qu’elle soit photonique ou ionique, joue un r^ole important dans l’evolution des manteaux de glaces recouvrant les grains et dans celle de la matiere carbonee. Elle induit en effet une riche chimie qui permet la fabrication de diverses molecules dont la formation dans la phase gazeuse est tres peu ecace (Moore (1999), Schutte (1999), Dartois (1998) et references citees). D’autre part, l’irradiation des glaces est aussi importante pour expliquer la presence de certains composes dans les cometes et les surfaces planetaires (Strazzulla (1998) et references citees). Les effets de l’irradiation ionique sur les silicates ont surtout ete etudies en planetologie pour l’etude du regolite lunaire et du vent solaire (Borg, 1982, Borg et al., 1982), et plus recemment pour l’etude des grains interplanetaires (Bradley, 1994, Dukes et al., 1999). Les seules etudes existantes appliquees aux grains interstellaires sont celles de Day (1977) et Kraetschmer & Human (1979). Si Day (1977) ne parvient pas a modier la structure cristalline des grains lors d’experiences d’irradiation (avec des ions H+ de 1.5 MeV), les autres etudes montrent qu’il est possible de la detruire et de l’amorphiser a l’aide d’ions, d’energie et de dose tres variees (ions H+ , He+ , Ne+ d’energies allant du keV au MeV). D’autre part, les experiences de Bradley (1994) et Dukes et al. (1999) montrent que l’irradiation (par des ions H+ et He+ de 20 et 4 keV, respectivement) peut induire des modications de la composition de divers materiaux silicates (olivines, pyroxenes). Ce sont ces resultats, et l’importance des phenomenes d’irradiation mise en evidence par les experiences sur les glaces interstellaires, qui nous ont amene a etudier les modications structurales, mais aussi chimiques, induites par l’irradiation ionique, ceci an de determiner si un tel processus pourrait expliquer l’evolution observee des silicates dans le MIS. 

Principes de l’irradiation ionique d’un solide

 Lors de l’irradiation d’un solide, l’ion incident interagit avec la cible et est ralenti. Si celle-ci est susamment epaisse l’ion peut y rester implante, sinon, il en ressort avec une energie cinetique plus faible. Ce ralentissement est d^u a l’interaction de l’ion avec la cible par collision : par collisions nucleaires elastiques avec les atomes de la cible ou par collisions electroniques inelastiques avec le cortege electronique des atomes de la cible (Johnson, 1990). Les collisions nucleaires provoquent des cascades de collisions qui vont endommager l’arrangement cristallin de la cible, conduisant ainsi a une amorphisation progressive du materiau. Les atomes de la cible impliques dans les cascades de collisions sont deplaces. Si leur energie est susante, qu’ils sont proches de la surface et que leur recul est dirige vers l’arriere, ils vont ^etre ejectes de la cible, c’est la pulverisation. D’autre part, les atomes de la cible peuvent ^etre ionises par collisions electroniques avec les ions incidents, et ejectes de leur position par repulsion electrostatique. La pulverisation, l’implantation des ions et les collisions electroniques peuvent egalement entra^ner des changements de stchiometrie de la cible. Le ux d’ions necessaire pour amorphiser un solide, Fam, (en ions/cm2 ) est proportionnel a : Fam / DP Aam DP Aion (5.1) ou DPAam (en atomes/cm2 /A) est le nombre d’atomes par unite de volume qu’il faut deplacer pour amorphiser un mineral donne et DPAion (en atomes/ions/A) est le nombre d’atomes deplaces par un ion incident sur une profondeur de 1 A. DPAam est intrinseque au mineral et est donc constant. Par contre, DPAion depend de la nature de l’ion, de son energie ainsi que de la composition de la cible. Il est possible de modeliser ce DPAion en utilisant des codes simulant les cascades de collisions et donc de comparer les ux d’amorphisation en fonction du type d’ion et de son energie (le DPAam etant constant, il n’est pas necessaire de le conna^tre pour effectuer la comparaison). Nous avons dans cette etude utilise le programme TRIM (TRansport of Ions in Matter, Ziegler et al. (1996)). Ce programme utilise un algorithme de Monte Carlo pour simuler la tra jectoire d’un ion dans une cible de matiere et la cascade de collisions provoquee par cet ion. Il genere 4 nombres aleatoires determinant, pour chaque ion incident, le parametre d’impact, la nature de l’atome de la cible avec lequel la collision va avoir lieu, le libre parcours moyen de l’ion dans la cible et l’angle entre le plan de la tra jectoire de l’ion et le plan deni par l’ion et l’atome apres la collision. L’utilisateur choisit la nature de l’ion incident et son energie ainsi que la composition et la densite de la cible. La principale limitation de TRIM vient du fait que les calculs ne tiennent pas compte de l’abrasion de la cible, qui a lieu pour les ux eleves ( 10 17 ions/cm2 ) et les basses energies ( 100 keV), 144 L’evolution des silicates dans le MIS Fig. 5.1: Nombre d’atomes deplaces par ion/A pour plusieurs types d’ions incidents (H+ , He+ et Fe+ ) et plusieurs energies (10 keV et 1.5 MeV). et qui entra^ne un changement de stchiometrie et de densite de la cible. Des simulations realisees avec des ions H+ , He+ et Fe+ d’energie de 10 keV et 1.5 MeV, incidents sur une cible d’olivine de composition Mg1:8Fe0:2SiO4, permettent de comparer les profondeurs d’implantation et la densite de deg^ats induite en fonction de la nature et de l’energie des ions (Figure 5.1). On remarque tout d’abord que le maximum de deg^ats causes dans la cible, c’est-a-dire le maximum d’atomes deplaces par ion et par A, n’est pas constant le long de la tra jectoire de penetration de l’ion mais est maximum a la profondeur ou l’ion est stoppe. Cet effet est moins marque pour les energies les plus faibles car l’implantation des ions dans la cible a alors lieu pres de la surface. On note egalement que, lorsque l’energie des ions augmente, leur profondeur de penetration augmente, mais la densite de deg^ats par ion et par A (DPAion) .