[论文解读] Cosmic ray sputtering yield of interstellar H2O ice mantles : Ice mantle thickness dependence

E. Dartois, M. Chabot+6 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Sep 24, 2018

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 54被引用 15

一句话总结

本研究通过在10 K下使用95 MeV Xe离子，实验测量了星际水冰包膜在不同冰层厚度下的宇宙射线轰击溅射产额。结果表明，溅射产额在约100 Å（30层）以上趋于平台，低于此厚度则显著下降，表明特征脱附深度约为100 Å，且具有接近1的纵横比；并证实了无限厚冰层的溅射产额与电子阻止本领之间存在二次方关系（Y∞ ∝ Se²），这对天体化学模型具有重要意义。

ABSTRACT

Interstellar grain mantles present in dense interstellar clouds are in constant exchange with the gas phase via accretion and desorption mechanisms such as UV, X-ray photodesorption, cosmic ray induced sputtering, grain thermal fluctuations, and chemical reaction energy release. The relative importance of the various desorption mechanisms is of uttermost importance for astrophysical models to constrain the chemical evolution in such high density dense cloud regions. In this experimental work we investigated the sputtering yield as a function of ice mantle thickness, exposed to Xe ions at 95MeV. The ion induced ice phase transformation and the sputtering yield were simultaneously monitored by IR spectroscopy and mass spec- trometry, respectively. The sputtering yield is constant above a characteristic ice layer thickness and starts to decrease below this thickness. An estimate of the sputtering depth corresponding to this length can be evaluated. In these experiments the measured desorption depth corresponds to 30 ice layers. Assuming an effective cylindrical shape for the volume of sputtered molecules, the aspect ratio is close to unity; in the semi-infinite ice film case this ratio is the diameter to height of the cylinder. This result shows that most ejected molecules arise from a rather compact volume. The measured infinite thickness sputtering yield for water ice mantles scales as the square of the ion electronic stopping power (Se). We expect that the desorption depth dependence varies with Se^a , where a=0.5. Astrophysical models should take into account the thickness dependence constraints of these ice mantles in the interface regions when ices are close to their extinction threshold. In the very dense cloud regions, most of the water ice mantles are above this limit for the bulk of the cosmic rays.

研究动机与目标

• 确定冰层包膜厚度对星际冰模拟物中宇宙射线类离子溅射产额的影响。
• 在95 MeV Xe离子辐照下，测量不同厚度水冰薄膜的溅射产额与脱附深度。
• 通过分析溅射区域的纵横比，约束溅射分子的有效体积。
• 在天体冰包膜演化背景下，验证溅射产额与电子阻止本领（Se）之间的标度关系。
• 通过量化冰层包膜形成初期的厚度依赖性脱附，为天体物理模型提供实验输入。

提出的方法

• 使用95 MeV Xe离子辐照不同厚度（10–1000 Å）的非晶态水冰薄膜，以模拟宇宙射线撞击。
• 利用红外光谱（OH伸缩振动模式）原位监测冰层厚度变化，以追踪冰层损失。
• 通过质谱测量溅射分子通量，以确定每个入射离子的溅射产额。
• 将特征脱附深度定义为溅射产额开始下降的厚度，对应约100 Å。
• 将有效溅射体积建模为圆柱体，并计算纵横比（高度/直径）以评估有效溅射体积。
• 利用先前研究的数据，评估无限厚冰层溅射产额（Y∞）与电子阻止本领（Se）之间的标度关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在宇宙射线类离子辐照下，星际H2O冰包膜的溅射产额如何随冰层包膜厚度变化？
• RQ2 在95 MeV Xe离子轰击下，水冰的特征脱附深度（即溅射产额开始下降的厚度）是多少？
• RQ3 有效溅射体积的纵横比是多少，其对喷射分子空间分布有何含义？
• RQ4 水冰的无限厚冰层溅射产额如何随电子阻止本领（Se）变化？
• RQ5 溅射产额的厚度依赖性在多大程度上影响天体物理冰包膜演化模型的准确性？

主要发现

• 当冰层包膜厚度超过约100 Å（100 ± 20 Å）时，溅射产额保持恒定，对应约30层冰。
• 当厚度低于约100 Å时，溅射产额显著下降，表明存在一个溅射效率下降的临界厚度。
• 特征脱附深度估计为100 ± 20 Å，对应于冰层厚度减小导致产额下降的起始点。
• 有效溅射体积的纵横比（高度/直径）接近于1，表明喷射区域紧凑且接近球形。
• 无限厚冰层溅射产额与电子阻止本领呈二次方关系（Y∞ ∝ Se²），与先前对水冰的测量结果一致。
• 溅射截面估计为5.4–7.5 × 10⁴ Ų，表明非晶化半径比溅射半径大1.2–1.4倍。