High resolution infrared spectroscopy: setting up an experiment to investigate small clusters

The study of this subject however suffers from the lack of basic experimental data. The goal is therefore to produce clusters in the laboratory in concentration large enough to record their high resolution spectrum. This is the initial aim of the present thesis.

During this work, we have built and extensively tested a new experimental set-up called FANTASIO (``Fourier trANsform, Tunable diode and quadrupole mAss spectrometers interfaced to a Supersonic expansIOn'). With the help of this new device, various experiments on jet-cooled species have been performed.

The cartography of the supersonic expansion was established, using the mass spectrometer as a moving pressure probe. This enabled us to characterize the geometrical properties of the supersonic jet produced by circular and slit nozzles and to determine the position of the virtual nozzle. The effect of the axisymmetric expansion geometry on the R(0) lineshape in the nu_3 band of N_2O, recorded by FTIR, was also investigated.

The rotational temperature of the jet-cooled molecules was determined to be a few K by measuring the intensity of lines in spectra recorded by FTIR spectroscopy.

Vibrational energy transfer occuring in the expansion between N_2O molecules and different collision partners was investigated on the nu_2+nu_3-nu_2 band of N_2O, again using FTIR spectroscopy. The trend of these transfers was found to be related to the energy difference between the v_2=1 level of N_2O and the closest vibrational state in the collision partner, with the largest population.

The sensitivity of the set-up was enhanced by a factor of 5 by increasing the absorption path length, using a multipass system. A procedure to remove the residual gas contribution from the IR spectra was developped, based on the mass spectrometer. Thanks to this sensitivity increase, broadband absorption features of clusters were observed for a C_2H_2-Ar mixture in circular and slit expansions.

The optical sensitivity of FANTASIO was again increased by the implementation of the CW-CRDS system. The enhancement over FTIR was calculated to be over a factor 750. Thanks to this drastic improvement, spectral signatures of various clusters were recorded, such as C_2H_2-Ar, C_2H_2 multimers, C_2H_2-N_2O and C_2H_2-CO_2, at high resolution.

The role of clustering in generating unusual line shapes of acetylene in an axisymmetric expansion was investigated. We demonstrated that C_2H_2 aggregates produced in the expansion are responsible for central dips observed in the monomer absorption. These acetylene clusters thus appear to be formed in the centre of the expansion, while, unexpectedly, acetylene-Ar complexes are formed at the edge of the conical expansion.

Various research prospects were explored during this thesis thanks to the FANTASIO device, opening new research directions. FANTASIO is today operational and defines a useful tool to achieve the study of small clusters by infrared spectroscopy./

Le rôle des agrégats dans les atmosphères planétaires et dans le milieu interstellaire est potentiellement important. Cependant, les études sur ce sujet souffrent du manque de données expérimentales. Le but de cette thèse était de développer un dispositif expérimental efficace pour produire au laboratoire des agrégats en quantité suffisante pour permettre l'enregistrement de leur spectre infrarouge à haute résolution et donc l'étude de leurs propriétés physico-chimiques.

Durant ce travail, nous avons construit et testé un nouveau dispositif expérimental appelé FANTASIO, basé sur un jet supersonique couplé à un spectromètre de masse, un spectromètre à transformée de Fourier et un système CRDS. Grâce à cet appareillage, différentes expériences sur des molécules à basse température ont été menées.

L'expansion supersonique a été cartographiée en utilisant le spectromètre de masse comme une sonde de pression mobile. Cette cartographie nous a permis d'établir les propriétés géométriques des jets supersoniques produits par les orifices circulaire et de type fente, et de déterminer la position de l'orifice virtuel. L'effet de la géométrie de l'expansion sphérique sur le profil de la raie R(0) de la bande nu_3 de N_2O, enregistré par FTIR, a aussi été étudié.

Une température rotationnelle de quelques K a été déterminée pour les molécules refroidies en jet supersonique par mesure de la distribution d'intensité de raies dans les spectres enregistrés par FTIR.

Le transfert d'énergie vibrationnelle entre des molécules de N_2O et différents partenaires collisionnels a été étudié en analysant l'intensité de la bande nu_2+nu_3-nu_2 de N_2O, enregistré également par spectroscopie FTIR. Il a été trouvé que la tendance de ces transferts est liée à la différence d'énergie entre le niveau v_2=1 de N_2O et l'état vibrationnel le plus proche et le plus peuplé du partenaire collisionnel.

La sensibilité du dispositif a été augmentée d'un facteur 5 dû à l'allongement du chemin d'absorption, grâce à l'utilisation d'un système multipassage. Une procédure basée sur l'utilisation du spectromètre de masse et visant à enlever la contribution du gaz chaud résiduel dans les spectres infrarouges a été mise au point. Grâce à cette augmentation de sensibilité, des structures d'absorption non résolues d'agrégats ont été observées dans des expansions en trou et en fente d'un mélange de C_2H_2-Ar.

La sensibilité optique de FANTASIO a encore été augmentée par l'ajout au dispositif d'un système CW-CRDS. L'amélioration par rapport au spectromètre à transformée de Fourier a été calculée comme étant supérieure à un facteur 750. Grâce à cette importante amélioration, les signatures spectrales de divers agrégats, tels que C_2H_2-Ar, des multimères de C_2H_2, C_2H_2-N_2O et C_2H_2-CO_2, ont été enregistrées à haute résolution.

Le rôle de l'agrégation dans la génération de profils de raie inhabituels dans une expansion en trou de l'acétylène a été étudié. Nous avons démontré que les agrégats de C_2H_2 produits dans le jet supersonique sont responsables des creux observés dans le profil d'absorption du monomère. Ces agrégats apparaissent donc comme étant formés au centre de l'expansion, tandis que, de manière inattendue, les agrégats de C_2H_2-Ar sont formés aux bords de l'expansion conique.

Plusieurs idées de recherche ont été explorées durant cette thèse grâce au dispositif FANTASIO, ouvrant de nouvelles directions de recherche. FANTASIO est aujourd'hui opérationnel et se présente comme un outil utile dans l'étude des petits agrégats par spectroscopie infrarouge.