Title: The Role of Secondary Electron Emission in Dust Grain Charging Author: Ivana Richterová Department: Department of Surface and Plasma Science Supervisor: Prof. RNDr. Zdeněk Němeček, DrSc. Abstract: This work presents a secondary emission model focused on micron and submicron dust grains. The results allowed us to predict surface potentials of grains charged by 50 eV -- 15 keV electron beams. The probability that such electrons penetrate through grains increases with their energy and decreases with a grain size and depends on a grain shape. Model predictions were experimentally verified for glass, gold, and carbon spherical grains and for lunar regolith simulants. In dusty plasmas, charge accumulated on dust grains and plasma parameters govern the ensemble dynamics. The model can be thus utilised in calculations of phenomenon in planet magnetospheres (e.g. spokes in Saturn's rings), in tokamak edge plasmas, etc. Keywords: Secondary emission, dust grains, dust charging

Title: Sputtering of dust grains and its consequences for space processes Author: Marek Vyšinka Department: Department of Surface and Plasma Science Supervisor: prof. RNDr. Jana Šafránková, DrSc., Department of Surface and Plasma Science Abstract: A great part of matter in a space has a form of dust grains, tiny pieces of rocks with the dimensions of hundreds nanometers to hundreds micrometers. In this environment dust grains undergo collisions with energetic particles (electron, ions, UV photons) that leads to their charging and modification. The presented thesis studies ion-dust interactions and is focussed on dust grain modification through ion implantation and its destruction via sputtering process. Two compu- ter models are presented - first for computing the ion implantation profile in the grain and second, for the shape of the sputtered grain lying on the surface of a bigger object. The resulting shape of the grain is compared with that obtained experimentally. Important results of the thesis are measured sputtering yields for spherical SiO2 grains at several surface potentials obtained by simultaneous ion and electron bombardments. Keywords: ions, dust grains, sputtering, sputtering yield, implantation profile 1

The present thesis is focused on study of dust grain charging. The experimental part covers interaction between dust grains and high-energy electrons and self-discharging of grains by both field electron emission and field ionization. The second part of the thesis describes construction and evaluation of a linear electrodynamic trap of the novel design. We have observed charging of small dust grains towards high positive electric potentials when bombarded by the high-energy electron beam. We have described an increase of the secondary electron- electron emission yield from negatively charged grains due to the surface field. Further, self-discharging characteristics for both positively and negatively charged grains were measured. The relationship between discharging rate and the rate of the flow of atoms leaving the grain surface due to diffusion was observed for positively charged grains. This suggests significantly lower surface field necessary for ionizing such atoms compared to the ionization of atoms of surrounding gas and compared to the typically published field ionization thresholds. Based on the design published in the master thesis, a linear quadrupole trap of novel design was constructed. Testing measurements confirmed functionality and expected characteristics of the trap. In addition, effects of...

Le travail que je présente dans cette thèse est un travail principalement expérimental effectué au sein du laboratoire LAMAp de l'Université de Cergy-Pontoise, à l'aide du dispositif expérimental appelé FORMOLISM. Les principaux composants de ce dispositif sont: l'ultravide (10-10 mbar), l'ultra-froid (~5 K), des jets atomiques, la spectrométrie de masse TPD (Thermally Programmed Desorption) et la spectroscopie laser dans l'UV mettant en oeuvre des longueurs d'onde autour de ~200 nm. Grâce à la technique REMPI-TOF (Resonantly Enhanced Multi-Photon Ionization – Time Of Flight), nous avons étudié d'une part, la conversion de spin nucléaire de la molécule d'hydrogène H2 sur une surface de glace d'eau amorphe poreuse et d'autre part les processus de formation de cette molécule, qui est la plus abondante dans le milieu interstellaire, sur des surfaces simulant des grains de poussière interstellaire. Les résultats de cette étude présentent un intérêt capital en astrophysique. En effet cette formation ne peut se produire en phase gaz mais peut être expliquée par la rencontre de deux atomes d'hydrogène sur un grain de poussière du milieu interstellaire qui joue le rôle de catalyseur. Différents processus sont impliqués dans la formation de H2 qu'il s'agit d'identifier. Dans ce but, je présente des résultats entièrement nouveaux sur la formation de H2 moléculaire sur une surface de silicate amorphe. Je montre que la molécule peut se former dans un état rovibrationnellement excité de son niveau fondamental jusqu'à une température d'environ 70K et qu'elle est relâchée dans la phase gaz immédiatement après sa formation. Ces résultats démontrent la compétition entre deux mécanismes de formation à très basses température (<18 K) tandis qu'un autre mécanisme prend le relais jusqu'à 70K. / The work that I present in this thesis is primarily an experimental work carried out in the LAMAp laboratory at the University of Cergy-Pontoise, using the experimental device called FORMOLISM. The main components of this device are: ultra-high vacuum (10-10 mbar), ultra-low temperature (~5 K), atomic jets, TPD mass spectrometry (Thermally Programmed Desorption) and laser spectroscopy using ultraviolet wavelengths around ~200 nm. Thanks to the REMPI-TOF (Resonantly Enhanced Multi-Photon Ionization – Time Of Flight) technique, we have studied i) the nuclear spin conversion of the hydrogen molecule H2 on a porous amorphous water ice surface and ii) the processes of formation of this molecule, which is the most abundant in the interstellar medium, on surfaces simulating interstellar dust grains. The results of this study are of capital interest in astrophysics. Actually, this formation cannot occur in the gas phase but can only be explained by the encounter of two hydrogen atoms on a dust grain in the interstellar medium, the latter playing the role of a catalyst. Different processes are involved in the formation of H2 which require to be identified. With this aim, I present entirely new results on molecular H2 formation on an amorphous silicate surface. I show that the molecule can form in a rovibrationnally excited state of its ground state up to a temperature of about 70 K and that the molecule is released into the gas phase immediately after its formation. These results demonstrate the competition between two mechanisms of formation at very low temperature (<18 K) while another mechanism takes over up to 70 K.

Au cours des dernières décennies, l’astronomie infrarouge a changé notre point de vue au sujet de l’évolution des galaxies, en particulier à de grandes distances. Nous avons accès à une grande variété d’informations physiques grâce au domaine spectral infrarouge. Toutefois, les limites de diffraction des instruments infrarouges et l’existence d’un grand nombre de sources font de l’identification individuelle des galaxies une tâché difficile. La première partie de cette thèse est consacrée à Résoudre le fond extragalactique infrarouge avec l’observatoire spatial Herschel, à, l’aide de simulations réalistes, correspondant aux images les plus profondes jusqu’ici obtenues en infrarouge lointain. Nous avons étudié l’origine du bruit de confusion dans les images GOODS-Herschel et résolu une partie de fond cosmique infrarouge en galaxies individuelles. De nouvelles techniques ont été développées pour prédire les flux en infrarouge lointain à partir de la connaissance préalable des positions, décalages spectraux et densités de flux des sources dans l’infrarouge moyen. Les images simulées ont été construites en utilisant les flux prédits afin d’évaluer le rôle du bruit local de confusion et d’identifier des sources individuelles. La deuxième partie de la thèse concerne l’étude de la Destruction de grains de poussières par des jets vus en radio. Nous avons étudié les effets des noyaux actifs de galaxies dans le milieu interstellaire, en particulier le mécanisme qui donne lieu à la région des raies étroites dans les galaxies de type Seyfert. Des spectres en infrarouge proche à fente longue a ont été enregistrés sur un ensemble de galaxies Seyfert de type 2 afin de mesurer les raies d’émission de ([Fe II], [P II] et Paβ) qui révèlent la destruction de poussières par les ondes de choc produites par les jets radio. Nous avons constaté que le mécanisme dominant l’ionisation près du noyau des galaxies Seyfert est le champ de rayonnement produit par l’activité du trou noir. Dans la partie extérieure de la région des raies étroites, des ondes de choc induites par des jets de radio contribuent également au budget énergétique du milieu interstellaire et à la destruction des grains de poussière. Cette thèse s’est déroulée en co-encadrement au Service d’Astrophysique du CEA-Saclay et au Département d’Astronomie de l’Université de Concepción, au Chili. / During the last decades, infrared astronomy has changed our view about the evolution of galaxies, especially at large distances. We have access to large variety of physical information in the infrared bands. However, diffraction limits of the infrared instruments and the existence of a large number of sources makes individualization of galaxies a difficult task. The first part of this thesis is entitled Resolving the Cosmic Infrared Background with the Herschel Space Observatory where, by the use of far-infrared realistic simulations of the deepest infrared images of the Universe, we have studied the origin of the confusion noise in the GOODS-Herschel images and resolved a substantive part of the Cosmic Infrared Background into individual galaxies. New techniques were developed to predict the fluxes in the far-infrared from prior knowledge in the mid-infrared. Mock images were built using those predicted fluxes to evaluate the role of local confusion noise and identify individual sources. The second part of the thesis concerns the study of the Destruction of dust grains by radio jets. We study the effects of active galactic nuclei in the insterstellar medium, in particular in the mechanism that gives rise to the narrow-line region in Seyfert galaxies. Long-slit near-Infrared spectra of a set of type-2 Seyfert galaxies were taken to measure diagnostic emission lines ([Fe II], [P II] and Paβ) that reveal the destruction of dust grains due to the shock waves produced by the radio jets. We found that the dominant mechanism of ionization close to the nuclei of the Seyfert galaxies is the radiation field produced by the back hole activity. In the outer part of the narrow-line region, shock waves induced by the radio jets also contribute to the energy budget of the interstellar medium and sputter the dust grains. This was a co-advising thesis performed in the Service d’Astrophysique CEA-Saclay and the Astronomy Department of the University of Concepción, Chile. / Durante las últimas décadas, la astronomía infrarroja ha cambiado nuestra visión sobre la evolución de galaxias, en especial revelando que a grandes distancias (z >1) las galaxias individuales son típicamente Galaxias Infrarrojas Ultraluminosas (cuyas siglas en inglés son ULIRGs por Ultraluminous Infrared Galaxies, 1012 < Lbol < 1013 L⊙). Actualmente tenemos acceso a una gran variedad de información física basada en la emisión en bandas espectrales infrarrojas (IR), radiación que en el caso de las galaxias es producida en su mayoría por granos de polvo. Sin embargo, el límite de difracción de los instrumentos infrarrojos junto con el gran número de fuentes de emisión hace de la individualización de galaxias una tarea difícil. La primera parte de esta tesis se titula Resolviendo el Fondo Cósmico Infrarrojo con el Observatorio Espacial Herschel donde, con el uso de simulaciones realistas de las imágenes más profundas del Universo, hemos estudiado el origen del ruido de confusión en las imágenes GOODS-Herschel y resuelto en galaxias individuales una parte sustantiva del Fondo Cósmico Infrarrojo. Nuevas técnicas fueron desarrolladas para predecir los flujos en el infrarrojo lejano a partir del conocimiento a priori en el infrarrojo medio. Las imágenes simuladas fueron construidas usando esos flujos predichos y con ellos evaluar el rol del ruido de confusión local así como identificar fuentes individuales. La segunda parte de la tesis trata del estudio sobre la Destrucción de granos de polvo por chorros en ondas de radio. Este proyecto que se concentró en la observación de galaxias Seyfert y ULIRGS y apunta a entender mejor el ciclo de vida del polvo al estudiar la destrucción de granos en galaxias con nucleos activos y los efectos de la actividad de estas últimas en el medio interestelar, en particular en el mecanismo que da origen a la región de líneas de emisión angostas en las galaxias Seyfert. Se obtuvo espectros infrarrojos de rendija larga de galaxias Seyfert del tipo 2 para medir líneas de emisión ([Fe II], [P II] y Paβ) las cuales revelan la destrucción de granos de polvo debido a las perturbaciones de las ondas de choque producidas por chorros detectados en ondas de radio. Hemos encontrado que el mecanismo dominante de la ionización cerca de los núcleos de las galaxias Seyfers es el campo de radiación producido por la actividad del agujero negro central. En la parte externa de la región de líneas de angostas, las ondas de choque inducidas por los chorros en radio también contribuyen al balance energético del medio interestelar y desintegran los granos de polvo. Esta fue una tesis de co-tutela llevada a cabo en el Departamento de Astronomía de la Universidad de Concepción y en el Service d’Astrophysique del Commissariat á l’Énergie Atomique (CEA), Francia