Estudio experimental de la retención de volátiles por hielo de CO2: relevancia astrofísica

Abstract

En esta tesis se estudia el hielo de CO2, a fin de evaluar su capacidad para retener sustancias volátiles por encima de la temperatura efectiva de sublimación de éstas. Para ello se han realizado distintos experimentos en el Laboratorio de Astrofísica Experimental (LAE), en el que el grupo de investigación Caracterizaciones de Interés Astrofísico (CIA) trabaja en el campus de Alcoi de la Universitat Politècnica de València. Los componentes básicos de la configuración experimental empleada son: un sistema de alto vacío y de baja temperatura, una microbalanza de cuarzo (QCMB), dos láseres y un espectrómetro de masas tipo cuadrupolo (QMS). El elemento principal es una cámara de alto vacío (P < 10-7 mbar), cuyas condiciones de presión se obtienen mediante una bomba turbomolecular ayudada por una bomba rotativa (~10-3 mbar).

La primera fase de un criostato de ciclo cerrado de He (40 K) conectado térmicamente a un escudo protector actúa como una criobomba consiguiendo una presión en la cámara por debajo de los 10-7 mbar medida con un sensor ITR IoniVac Transmitter (con el 5% de precisión). La segunda etapa del criostato es el llamado dedo frío y es capaz de alcanzar una temperatura de 10 K. Por debajo de éste, se encuentra el portamuestras sobre el que se situa la QCMB (formada por una superficie plana y ópticamente gruesa de oro), puesta en contacto térmico con el dedo frío. Para garantizar un buen contacto térmico se utiliza indio. La temperatura en la muestra (QCMB) se controla mediante el Intelligent Temperature Controller ITC 503S (Oxford Instruments), utilizando un diodo de SiO2 (Scientific Instruments) ubicado justo detrás de la muestra para la medida de la temperatura, que nos permite variarla entre 10 y 300 K con una precisión del 1 %. Otro sensor similar se encuentra en la parte final de la segunda etapa del criostato con el fin de comprobar el comportamiento del sistema. Los gases puros o las mezclas a estudio se preparan en una precámara en una proporción estimada por sus presiones parciales medidas mediante un sensor cerámico Ceravac CTR 90 (Leybold Vacuum) cuya precisión es de 0,2 %, y que no está influenciado por el tipo de gas. Los gases entran a la cámara a través de una válvula de aguja (Leybold D50968), que regula el flujo de gas mientras que el QMS (AccuQuad RGA 100, con una resolución ~0,5 uma) nos permite verificar la proporción de gases dentro de la cámara de vacío. Los experimentos realizados han consistido, fundamentalmente, en depósitos de distintas moléculas en condiciones de alto vacío (<10-7 mbar) para evitar contaminación y de baja temperatura (T >10 K) para simular condiciones astrofísicas. Así, para estudiar la capacidad del CO2 para retener volátiles en su estructura, hemos realizado una serie de experimentos de desorción térmica para el CO2, CH4 y N2 puros y para mezclas binarias CO2:N2 y CO2:CH4, depositadas en una proporción de 95:5.