Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η μελέτη δύο σημαντικών φαινομένων μεσοαστρική ύλης όπως είναι τα Πλανητικά Νεφελώμάτα (ΠΝ) και η ράβδος των σπειροειδών γαλαξιών. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκαν 44 ΠΝ στην περιοχή του Γαλαξιακού σφαιροειδούς (Boumis et al. 2003; 2006) και προσδιορίστηκαν οι φυσικοί παράμετροι τους, όπως είναι η ενεργός θερμοκρασία και η λαμπρότητα του κεντρικού αστεριού, η πυκνότητα και η θερμοκρασία των ηλεκτρονίων, η αφθονία των Ηe, N, O, S κτλ., χρησιμοποιώντας το μοντέλο φωτο-ιονισμού Cloudy (Akras et al. 2010a). Επίσης, μελετήθηκε η ράβδος των γαλαξιών, χρησιμοποιώντας το μοντέλο διάδοσης ακτινοβολίας CRETE, με σκοπό να ερευνηθεί πώς η ύπαρξη της ράβδου επηρεάζει την μορφολογία των γαλαξιών και την σκόνη τους. Ταυτόχρονα, προσδιορίστηκαν οι παράμετροι της ράβδου, όπως το μήκος, το ύψος, η γωνία κλίσης και η γωνία θέσης της για 4 ραβδωτούς σπειροειδείς γαλαξίες (NGC 4013, UGC 2048, IC 2531 και το Γαλαξία μας). Στο πρώτο μέρος της μελέτης, διαχωρίστηκαν τα ΠΝ ανάλογα με την μορφολογία τους σε σφαιρικά, ελλειπτικά και διπολικά και βρέθηκε ότι η αφθονία του Ηe και του Ν είναι μεγαλύτερη στην τελευταία κατηγορία σε σχέση με τις υπόλοιπες. Επιπλέον, η χρήση του στατιστικού εργαλείου PCA, έδειξε ότι τα κυκλικά και τα ελλειπτικά ΠΝ διαχωρίζονται από τα διπολικά, βάσει της τιμής του λόγου log(Ν/Ο), ο οποίος παίρνει αρνητικές και θετικές τιμές για τα διπολικά, ενώ μόνο αρνητικές τιμές στις υπόλοιπες κατηγορίες. Η κρίσιμη τιμή βρέθηκε ίση με -0.18 dex και αντιστοιχεί σε μάζα προγενέστερου αστεριού ίση με 2.6 (Akras & Boumis 2007). Στο δεύτερο μέρος, περιγράφηκε η ράβδος των γαλαξιών χρησιμοποιώντας την συναρτησιακή ελλειψοειδής υπερβολής. Μεταβάλλοντας την γωνία κλίσης του γαλαξία, η δομή σχήματος «Χ», η οποία παρατηρείται στις ράβδους, μπορεί να παρατηρηθεί μόνο για γωνίες μεγαλύτερες από 60ο. Επιπρόσθετα, στην περίπτωση του Γαλαξία μας, βρέθηκε ότι η γωνία θέσης της ράβδου είναι γύρω στις 25ο και το μήκος της 3.75 kpc (Akras et al. 2010b). Λαμβάνοντας υπόψη ότι η μέση τιμή του μήκους της ράβδου στους γαλαξίες είναι μεταξύ 3.0 και 4.0 kpc, προκύπτει ότι για τον NGC 4013 η γωνία θέσης του είναι μεταξύ 5 και 10 μοίρες, για τον UGC 2048 μεταξύ 40 και 50 μοίρες, για τον IC 2531 35 και 45 μοίρες ενώ τέλος για το Γαλαξία μας υπολογίζεται μεταξύ 20 και 30 μοίρες (Akras et al. 2010b). / The aim of this PhD thesis was the study of two very important interstellar medium phenomena like the Planetary Nebulae (PNe) and the stellar bar in spiral galaxies. In particular, we studied 44 PNe in the Galactic bulge region and we determined their physical parameters, like the effective temperature and luminosity of the central star, the electron temperature and density, the abundance of He, N, O, S etc., using the photo-ionization model “Cloudy” (Akras et al. 2010a). It was also pursued to study the stellar bar component using the 3D radiative transfer model CRETE, in order to investigate the effects of a stellar bar component to the morphology of the galaxy and its dust content. In addition, the parameters of the bar component such as the length, the height, the inclination angle and the position angle were determined for four spiral galaxies (NGC 4013, UGC 2048, IC 2531 and our Galaxy). In the first part of the thesis, the PNe were separated according to their morphology (spherical, elliptical and bipolar shape) and we found that the He and N abundances are greater in bipolar PNe. Moreover, by using the statistical tool PCA, it was found that the circular and the elliptical PNe are different from the bipolar, since the log(O/N) takes negative values in the first two and positive or negative values in the bipolar PNe. The critical value was found at -0.18 dex, which corresponds to a stellar mass of 2.6 (Akras & Boumis 2007). In the second part, we managed to accurately describe the morphology of the bar component by using the function of hyperbolic ellipse. For different inclination angles of the observed galaxies, it was found that the “X-shape" feature can be seen only in the case where the inclination angle is greater than 60 degrees. In the case of Milky Way, it was found that the position angle of the bar is approximately 25 degrees and the length equals to 3.75 kpc (Akras et al. 2010b). Considering that the mean length of the bar component is equal to 3.0-4.0 kpc, it was determined that the position angle of a) NGC 4013 takes values between 5 and 10 degrees, b) UGC 2048 takes values between 40 and 50 degrees, c) IC 2531 takes values between 35 and 45 degrees, and our Galaxy takes values between 20 and 30 degrees (Akras et al. 2010b).

Ce travail présente une étude théorique de l’ionisation simple par impact électronique appelé (e, 2e) et la photo-double ionisation (γ, 2e) de la molécule CO2. Dans ces expériences complètes les particules émergeant sont détectées en coïncidence. Ceci permet l’étude de la structure électronique de la cible et les mécanismes de l’ionisation. L’originalité de notre approche réside dans l’introduction d’un modèle à trois centres coulombiens (ThCC) satisfaisant les conditions asymptotiques correcte jusqu’à l’ordre de O ((kr) −2 dans la description des électrons émergeant dans le cadre de la première approximation de Born. L’état initial de la cible est décrit par des orbitales de Dyson construites sur une base de fonctions Gaussiennes. Des valeurs empiriques pour l’écrantage des trois noyaux de la cible due aux électrons inactives et pour les paramètres de Sommerfeld dans le potentiel d’interaction et les fonctions Coulombiennes, respectivement, sont introduits pour obtenir un meilleur accord avec les résultats expérimentaux. Pour le cas du photo-double ionisation le double continuum est décrit par un modèle à trois centres corrélé / This work presents a theoretical study of single electron impact ionization called (e, 2e) and the photo-double ionization (γ, 2e) of the CO2 molecule. In these complete experiments, the emerging particles are detected in coincidence. This allows the study of the electronic structure of the target and the mechanisms of the ionization. The novelty of our approach is the introduction of a three-center Coulomb model (ThCC) satisfying the correct asymptotic conditions until the order of O ((kr) −2 in the description of emerging electrons through the first Born approximation. The initial state of the target is described by Dyson orbitals constructed on the basis of Gaussian functions. Empirical values for the screening of the three cores of the target due to the inactive electrons and to Sommerfeld parameters in the interaction potential and Coulomb functions, respectively, are introduced to obtain a better agreement with the experimental results. In the case of photo-double ionization, the double continuum is described by a correlated three centers model

Les BTEX est une famille de polluants très répandue en air intérieur. Ils présentent des effets nocifs sur la santé humaine à des faibles concentrations ce qui a emmené le législateur à fixer des seuils afin de limiter l'exposition des gens. L'objectif de ce travail de recherche est de développer et de mettre en place une méthode analytique sensible, précise et rapide basée sur un dispositif de mesure. Le dispositif ainsi mis en place est un chromatographe en phase gazeuse miniaturisé équipé d'un mini détecteur à photo ionisation dédié à la détection des BTEX en temps quasi-réel. Le système analytique est très portable ayant une consommation gazeuse très faible assurant une autonomie élevée sur de longues durées. Son mode de fonctionnement se base sur l'échantillonnage de l'air dans une boucle connecté à une vanne six voies. L'injection de l'échantillon sur une colonne analytique placée dans un four pour la séparation est assurée par le changement de la position de la vanne avant la détection par photo ionisation. Le nouveau dispositif miniaturisé a été déployé lors de deux campagnes intensives menées dans un collège énergétiquement performant. Cette étude a porté sur la surveillance temporelle de la concentration des polluants présents en air intérieur, y compris les BTEX. Les résultats ainsi obtenus pour les BTEX avec notre dispositif ont été comparés à ceux fournis par d'autres techniques dites techniques de référence. Ces campagnes de terrain ont permis donc de valider les performances analytiques, la robustesse et l'autonomie de cette nouvelle méthodologie. / BTEX are very widespread indoor air pollutants. Their harmful effects on human health had led the legislator to set thresholds in order to limit the population exposure. The aim of this thesis is to develop a sensitive, accurate and fast analytical method based on a measurement device. Therefore, the device implemented is a miniaturized gas chromatography (GC) equipped with a mini photo ionization detector dedicated to BTEX detection in indoor air in near-real time. The miniaturized GC is very portable with a very low gas consumption which enhances its autonomy over a long period. Its operation mode is based on air sampling inside a sample loop which is connected to a six port valve. The injection over a heated analytical column is ensured by switching the valve position before detection by a photo ionization detector. This novel device was used in real conditions during two field campaigns conducted in an energy efficient college. This study focused on the temporal monitoring of indoor air pollutant concentrations including BTEX. The results obtained with our miniaturized device for BTEX were compared to those given by other techniques known as reference techniques. These field campaigns have therefore enabled us to validate the analytical performances, the robustness and the autonomy of this novel analytical method.

A hybrid quantum-classical approach to the interaction of atomic clusters with intense laser fields in the vacuum ultra-violet (VUV) has been developed. Much emphasis is put on localized electrons, those quasi-free electrons which localize about the ions and screen them. These electrons set a time scale, which is used to interpolate between the quantum, rate based description of photon absorption by bound electrons and the classical, deterministic description of the cluster nano-plasma. Typical observables such as total energy absorption, electron and ion spectra are in very good agreement with the experimental findings. A scheme to probe the multi-electron motion in clusters with attosecond laser pulses is introduced. Conventional final state measurements in the energy domain cannot provide information about earlier states of the system due to the incoherent nature of the dynamics. Time-delayed attosecond pulses in the extreme ultra-violet (XUV) are used to probe the transient charging of the cluster ions during the interaction with the laser by measuring the kinetic energy of the electrons detached by the probe pulse. This information is otherwise lost at later times due to recombination. Knowledge about the transient charging would also shed more light on the still controversial subject of the energy absorption mechanisms in the VUV regime. Moving to shorter duration of the excitation, the characteristic time-scales for ionization and plasma equilibration are inversed. An attosecond laser pulse in the VUV regime creates a dense, warm nano-plasma far from equilibrium. Time-delayed attosecond pulses in the XUV probe then both the creation and the relaxation. The latter shows the breakup of the Bogoliubov hierarchy of characteristic times, indicating strongly-coupled plasma dynamics and drawing parallels to the relaxation of extended ultra-cold neutral plasmas with millions of particles.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der neuartigen Wechselwirkung von intensiven und ultrakurzen Röntgenlaserpulsen mit atomaren endlichen Systemen, die derzeit durch eine neue Generation von Lichtquellen, sogenannter X-ray free-electron laser (XFEL) zugänglich gemacht wird. Eine der Vorzeigeanwendungen der XFELs ist die zukünftig potentiell mögliche Strukturbestimmung endlicher nicht-periodischer Systeme mit atomarer Auflösung durch Diffraktion. Hierbei stellt sich der durch die hohe notwendige Pulsintensität bedingte Strahlenschaden an dem System als limitierender Faktor heraus, der ein detailliertes Verständnis der durch Photoabsorption induzierten Dynamik voraussetzt, um diese Art der "Mikroskopie" zum Erfolg zu führen. Wir verwenden daher zur Beschreibung der laserinduzierten Dynamik ein mikroskopisches Modell in dem Photoionisation und inner-atomare Zerfallsprozesse durch quantenmechanische Raten behandelt werden und die Dynamik der Ionen und energetischen Elektronen in einer klassischen Molekulardynamik-Simulation erfasst wird. Eine Neuerung gegenüber bisherigen Modellen ist die Berücksichtigung der Ionisation von Atomen durch starke interne Felder in dem hoch-geladenen System. Durch eine Anwendung des Modells auf Neoncluster kann gezeigt werden, dass diese Feldionisation einen wichtigen Beitrag zur laserinduzierten Dynamik darstellt. Sie führt zur ultraschnellen Formation eines Nanoplasmas, welches sich im Kern des geladenen Clusters ansammelt und dort die Ladung der Clusterionen neutralisert. Hierdurch wird eine vorzeitige Coulomb-Explosion des Clusters vermieden. Es wird dargelegt, dass dieser Mechanismus der lokalen Schadensreduzierung durch die Einbettung des Clusters in ein Heliumtröpfchen auf den gesamten Cluster ausgeweitet werden kann, da durch Feldionisation und Migration von Elektronen die vollständige laserbedingte Aufladung des Clusters auf das Heliumtröpfchen transferiert wird. Eine Analyse der resultierenden Diffraktionsmuster bestätigt, dass der reduzierte Strahlenschaden am Cluster den Anwendungsbereich für Diffraktionsexperimente erheblich ausweitet. Kürzlich wurde am SLAC National Accelerator Laboratory der erste XFEL in Betrieb genommen. Eine Modifikation des Modells auf dort bereits erzielbare Wellenlängen wird genutzt um Vorhersagen über das Photoabsorptionsverhalten, aus dem alle weiteren Schäden folgen, an kleinen Neoncluster zu treffen. Hiermit lassen sich bereits jetzt durch den Vergleich zu Experimenten die wichtigen Schadensmechanismen und ihre theoretische Beschreibung testen. Es wird ferner das interessante Relaxationsverhalten des durch massive Photoionisation in XFEL-Strahlung erzeugten Elektronenplasmas untersucht. Diese neuartige Anregung erfolgt auf einer Femtosekunden-Zeitskala und produziert eine hohe Dichte an energetischen Elektronen. Wir beschreiben dieses Plasma durch ein generisches Modell seiner Vielteilchen-Dynamik. Hierbei kann der gesamte Parameterraum des Modells in vier Klassen unterteilt werden, die sich nach Anregungsgrad, der den Elektronenverlust des Plasmas regelt, und Anregungsdauer, die die transiente Dynamik beeinflusst, unterscheiden. Speziell der Bereich starker Anregung bei gleichzeitig kurzer Anregungsdauer zeigt ein interessantes neues Verhalten, bei dem sich eine Equilibrierung des Systems im Kontinuum andeutet.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der neuartigen Wechselwirkung von intensiven und ultrakurzen Röntgenlaserpulsen mit atomaren endlichen Systemen, die derzeit durch eine neue Generation von Lichtquellen, sogenannter X-ray free-electron laser (XFEL) zugänglich gemacht wird. Eine der Vorzeigeanwendungen der XFELs ist die zukünftig potentiell mögliche Strukturbestimmung endlicher nicht-periodischer Systeme mit atomarer Auflösung durch Diffraktion. Hierbei stellt sich der durch die hohe notwendige Pulsintensität bedingte Strahlenschaden an dem System als limitierender Faktor heraus, der ein detailliertes Verständnis der durch Photoabsorption induzierten Dynamik voraussetzt, um diese Art der "Mikroskopie" zum Erfolg zu führen. Wir verwenden daher zur Beschreibung der laserinduzierten Dynamik ein mikroskopisches Modell in dem Photoionisation und inner-atomare Zerfallsprozesse durch quantenmechanische Raten behandelt werden und die Dynamik der Ionen und energetischen Elektronen in einer klassischen Molekulardynamik-Simulation erfasst wird. Eine Neuerung gegenüber bisherigen Modellen ist die Berücksichtigung der Ionisation von Atomen durch starke interne Felder in dem hoch-geladenen System. Durch eine Anwendung des Modells auf Neoncluster kann gezeigt werden, dass diese Feldionisation einen wichtigen Beitrag zur laserinduzierten Dynamik darstellt. Sie führt zur ultraschnellen Formation eines Nanoplasmas, welches sich im Kern des geladenen Clusters ansammelt und dort die Ladung der Clusterionen neutralisert. Hierdurch wird eine vorzeitige Coulomb-Explosion des Clusters vermieden. Es wird dargelegt, dass dieser Mechanismus der lokalen Schadensreduzierung durch die Einbettung des Clusters in ein Heliumtröpfchen auf den gesamten Cluster ausgeweitet werden kann, da durch Feldionisation und Migration von Elektronen die vollständige laserbedingte Aufladung des Clusters auf das Heliumtröpfchen transferiert wird. Eine Analyse der resultierenden Diffraktionsmuster bestätigt, dass der reduzierte Strahlenschaden am Cluster den Anwendungsbereich für Diffraktionsexperimente erheblich ausweitet. Kürzlich wurde am SLAC National Accelerator Laboratory der erste XFEL in Betrieb genommen. Eine Modifikation des Modells auf dort bereits erzielbare Wellenlängen wird genutzt um Vorhersagen über das Photoabsorptionsverhalten, aus dem alle weiteren Schäden folgen, an kleinen Neoncluster zu treffen. Hiermit lassen sich bereits jetzt durch den Vergleich zu Experimenten die wichtigen Schadensmechanismen und ihre theoretische Beschreibung testen. Es wird ferner das interessante Relaxationsverhalten des durch massive Photoionisation in XFEL-Strahlung erzeugten Elektronenplasmas untersucht. Diese neuartige Anregung erfolgt auf einer Femtosekunden-Zeitskala und produziert eine hohe Dichte an energetischen Elektronen. Wir beschreiben dieses Plasma durch ein generisches Modell seiner Vielteilchen-Dynamik. Hierbei kann der gesamte Parameterraum des Modells in vier Klassen unterteilt werden, die sich nach Anregungsgrad, der den Elektronenverlust des Plasmas regelt, und Anregungsdauer, die die transiente Dynamik beeinflusst, unterscheiden. Speziell der Bereich starker Anregung bei gleichzeitig kurzer Anregungsdauer zeigt ein interessantes neues Verhalten, bei dem sich eine Equilibrierung des Systems im Kontinuum andeutet.

A hybrid quantum-classical approach to the interaction of atomic clusters with intense laser fields in the vacuum ultra-violet (VUV) has been developed. Much emphasis is put on localized electrons, those quasi-free electrons which localize about the ions and screen them. These electrons set a time scale, which is used to interpolate between the quantum, rate based description of photon absorption by bound electrons and the classical, deterministic description of the cluster nano-plasma. Typical observables such as total energy absorption, electron and ion spectra are in very good agreement with the experimental findings. A scheme to probe the multi-electron motion in clusters with attosecond laser pulses is introduced. Conventional final state measurements in the energy domain cannot provide information about earlier states of the system due to the incoherent nature of the dynamics. Time-delayed attosecond pulses in the extreme ultra-violet (XUV) are used to probe the transient charging of the cluster ions during the interaction with the laser by measuring the kinetic energy of the electrons detached by the probe pulse. This information is otherwise lost at later times due to recombination. Knowledge about the transient charging would also shed more light on the still controversial subject of the energy absorption mechanisms in the VUV regime. Moving to shorter duration of the excitation, the characteristic time-scales for ionization and plasma equilibration are inversed. An attosecond laser pulse in the VUV regime creates a dense, warm nano-plasma far from equilibrium. Time-delayed attosecond pulses in the XUV probe then both the creation and the relaxation. The latter shows the breakup of the Bogoliubov hierarchy of characteristic times, indicating strongly-coupled plasma dynamics and drawing parallels to the relaxation of extended ultra-cold neutral plasmas with millions of particles.

Pulsed laser ablation, calcium, absorption spectrum, spectral line