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CO 2 synthesis in solid CO by Lyman-α photons and 200 keV protons. Astronomy & Astrophysics May 2005 Vol.435 ; pp587-594. M.J.Loeffler , G.A.Baratta , M.E.Palumbo G.Strazzulla , R.A.Baragiola. Abstract. pure solid CO (at 16K) に 1. photolysis with Lyman-α photons
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CO2 synthesis in solid CO by Lyman-α photons and 200 keV protons Astronomy & Astrophysics May 2005 Vol.435 ; pp587-594 M.J.Loeffler , G.A.Baratta , M.E.Palumbo G.Strazzulla , R.A.Baragiola
Abstract. pure solid CO (at 16K) に 1. photolysis with Lyman-α photons 2. irradiation with 200keV protons このときのCO2生成について，定量的比較． →氷星間塵上でのこれらのプロセスの重要性 1.Introduction ① solid CO2は宇宙の様々な場所に存在することがISOなどの観測によってわかった．星間物質におけるgas phase CO2の量が少ないことなどから，CO2の生成はgrain上で起こっていることが予測できる． icy grain mantlesにはsolid COが存在しており(観測結果；詳細は後述)，COとCO2のcolumn densityの関係から，CO2の生成メカニズムを考える上でCOの酸化が重要であることがわかった． このprocessはLyman-α, stellar winds, cosmic raysなどによって引き起こされる．
1.Introduction ② comparing the efficiency of CO2 synthesis from pure CO ice by… ・Lyman-α (10.2eV) photons ・200keV protons このtopicはGerakines&Moore(2001)によって既にreportされている．それによると， “Lyman-α is 3.5 times more efficient than 800 keV protons in synthesizing CO2 per unit incident energy” →疑わしい結果．なぜなら， ①光生成の時のCOの吸収断面積は極めて小さいはず． ②ion irradiationの方が反応しやすいはず．
2. Experimental methods ① ・steel vacuum chamber ・base pressure: 10-7mbar = 10-5Pa ・Bruker Equinox 55 FTIR: resolution 1cm-1 ・silicon substrate – 16K (the substrate forms an angle of 45° with the IR beam) ・incident angle of the projectiles ion beam – 45° Lyman-α(UV) – 90° ・flux ion : 1×1012 ions cm-2 s-1 photon : －
2. Experimental methods ② ・問題点 photolysis with Lyman-α(UV)において， 不可避的にchamber内壁についているH2O, CO2がUVにたたかれて光脱離 →sampleに紛れ込む →困る． ≪理由≫ ・CO2がphotolysis of pure solid COによって生成したものか，紛れ込んだものか判断できない． ・H2Oがサンプル(pure solid CO)内にあると，Lyman-αがCOにあたる前にH2Oによって吸収されてしまう． (←これはあまり考えなくていい) 以上の問題から，UV photolysisの時は，下の図のようなsetup． ・13CO filmをAr filmでshielding ・13CO condensation rate :34nm min-1 ・13CO film : 262nm thick→(約870ML) ・ Ar film : ~130nm thick
2. Experimental methods ③ ・column densityの計算 1.スペクトルのbaselineを真っ直ぐにして，band areaを出す． 2.吸光係数(band strength)で割る． → 13CO : 1.1×10-17cm molecule-1(12COと同じ) 13CO2 : 7.6×10-17cm molecule-1(12CO2と同じ) また，column densityの比較のために，レーザー干渉法を使ってCO filmの厚さを測定し，CO filmのdensityを出した．→0.81g cm-3 photolysisとion irradiationの単位吸収エネルギーを定量的に比較するために，CO filmの10.2eVでの吸収断面積を求めた． →two-film method Baratta.et al.(2002) 吸収断面積 absorption cross section σa = (2.6±0.1)×10-18cm2 吸収係数absorption coefficient α =4.3μm-1
3. Results ① (UV) ・13COの減りは小さすぎてよくわからない． ・13CO2の生成は二成分モデルによって表すことができる． (→詳細はDiscussionにて) 13CO 13CO2 Fig.2. The column density of 13CO and 13CO2
3. Results ② (UV) ・after incident fluence of 1.89×1018photons cm-2 ・偶発した12CO2と，13CO filmからできた13CO2が見える． ・12CO2のband広い → UV photolysis中に12CO2に混じって蒸着したH2Oなどによって，相転移を起こしているため． ・13CO2のband狭い → 13COがAr filmに守られて相転移が起こらないため． 13CO2 12CO2 Fig.3. Optical depth of 12CO2(2343cm-1) and 13CO2(2281cm-1) peaks
3. Results ③ (ion) ・13COは減少． sputteringによる13CO除去のためとは考えにくい．それならもっと減少率が小さいはず． そもそも13COはAr filmによってshieldingされているので，除去されるはずがない． →13COは他の物質の生成に使われている． 13CO 13CO2 Fig.5. Variation of column density of 13CO and 13CO2
4. Discussion ① ・chemical processは，励起またはイオン化によって始まる． Lyman-α→solid COのionization energyは12.6eVなので， 励起状態にするだけ． ion irradiation→狭い範囲を励起orイオン化 →photon, ion(proton)のradiolytic effectsは同じとはいえない． CO→CO2のメカニズムは， a) X+CO+CO → CO*+CO → CO2+C → CO2*+C b) X+CO+CO → CO++CO → CO2*+C+e- → CO2+C Xはincident particle (photon or ion). ionic reaction b)は，ion irradiation時のみ，起こりうる反応． CO2→COは， c) X+CO2 → CO2* → CO+O
4. Discussion ② CO2の濃度 N2について． CO→CO2 : σ12 , CO2→CO : σ21 とすると， dN2/dF = σ12N1－σ21N2…(1)(σ12，σ21 : effective cross section) COの濃度N1について． CO2→CO : σc , CO→CO2 : σd とすると， dN1/dF = σcN2－σdN1 …(2) (σc (σd) : effective cross section) →dN1/dF =2σ21N2－2σ12N1 …(3) (1)式と(3)式を積分して，濃度N1, N2を出す． N1 = N1∞[1 – e-(2σ12+σ21)F] …(4) N2 = N2∞[1+(2(σ12/σ21)e-(2σ12+σ21)F)] …(5) さらにN1, N2をサンプルの深さxで積分すると，column density ηが出る． 先ほどの実験結果Fig.2.とFig.5.にこれをfitting．
4. Discussion ③ Table.2. Table.3. G : radiation yields [molecules/100eV] Table.4. Fig.7. Comparison of the column density of 13CO2
4. Discussion ④ 赤外線観測により，鎮静期のinterstellar cloudsにも,低質量・高質量星の形成付近にもsolid COが存在していることがわかった． →水氷に対して0%～50%のrange このsolid COには，二つの種類 ・polar component : CO-H2O mix ・apolar component : pure CO or CO-(apolar species) mix そしてこれらのsolid COが含まれるicy mantleは，cosmic rays, UV photolysis, thermal annealingなどを受けている. →観測されるCO2はsolid COがこれらのプロセスを受けて生成したもの. この論文ではCO-rich icy mantle(→apolar)がプロセスを受けて形成されるCO2の量を見積もった．
4. Discussion ⑤ ・なぜ200keV protonを用いた実験をしたのか？ →cosmic rayがprotonだから． →200keVが阻止能(stopping power)のピーク付近． …効率良く反応が進むちょうどいいエネルギー量． しかし，観測値と比較するためには，200keVは小さい．→1MeVへの変換 S(200keV)/S(1MeV) = 2.5 (S : 阻止能) 観測値からそれぞれの初期条件を出し，式(5)に代入して1MeVに変換した値と，観測値との比較がTable.5. Lifetime : 3×107y この実験により生成したCO2の量は，観測されたCO2の量の1%～6%しかない. →CO-rich iceでは観測値と合わない．
4. Discussion ⑥ formation cross section valueを用いて, 他の実験と比較． ・This work : 10.2eV Lyman-α, pure CO σ= 1.52×10-19 (cm2) ・This work : 200keV proton , pure CO σ= 2.22×10-16 (cm2) ・Watanabe&Kouchi(2002) : UV , H2O:CO=10:1 mixture σ= 1.4×10-18 (cm2) ・Mennella(2004) : , H2O:CO=10:1 mixture σ= 2.4×10-15 (cm2) →H2O-richのmix氷の方がCO2の生成レートが大きい.
5. Conclusions ・13COを用いることで，より定量的な実験結果が得られた． ･サンプルに対するUVの減衰を考慮したモデルを考え出した. ・Lyman-αとion irradiationとで,CO2の生成レートは最初はsimilar．平衡になったときには(最終的な生成量は)ion irradiationの方が3倍大きい．
