Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας μελετήθηκε, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένα σύστημα ελέγχου ενός φασματοσκοπίου εκπομπής υψηλής φασματικής ανάλυσης. Η συσκευή αυτή, γνωστή και ως μονοχρωμάτορας, χρησιμοποιήθηκε για την καταγραφή φασμάτων εκπομπής από μία εκκένωση αίγλης σε διάκενο ακίδα-πλάκα σε συνθήκες χαμηλής πίεσης και θερμοκρασίας. Ο μονοχρωμάτορας χρησιμοποιεί ένα διάφραγμα περίθλασης που αναλύει μια πολυχρωματική δέσμη που προσπίπτει σε αυτό, στα επιμέρους μήκη κύματος Ο έλεγχος του συνόλου των λειτουργιών του συστήματος καθώς και η καταγραφή των φασμάτων πραγματοποιείται με τη χρήση λογισμικού που αναπτύχθηκε υπό την πλατφόρμα Labview. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας υλοποιήθηκε: Η σύνδεση της συσκευής οδήγησης του βηματικού κινητήρα που περιστρέφει το διάφραγμα με κατάλληλο τροφοδοτικό. Η ενίσχυση των σημάτων ελέγχου της συσκευής οδήγησης. Η ενίσχυση και καταγραφή του ρεύματος του φωτοπολλαπλασιαστή που καταγράφει τη φωτεινή δραστηριότητα. Η βαθμονόμηση του μονοχρωμάτορα. Η ανάπτυξη λογισμικού, φιλικού προς τον χρήστη, με το οποίο ελέγχεται ο μονοχρωμάτορας, καταγράφεται το φάσμα και αποθηκεύεται σε αρχείο για περαιτέρω επεξεργασία. Η συγκέντρωση του φωτός που εκπέμπεται από την εκκένωση και η οδήγησή του στην είσοδο του μονοχρωμάτορα με τη χρήση κατάλληλης οπτικής διάταξης. Η καταγραφή φασμάτων του παραγόμενου πλάσματος της εκκένωσης κατά μήκος του διακένου. Η μελέτη και ανάλυση των καταγεγραμμένων φασμάτων. / The main purpose of this thesis was to construct a control system for a high precision spectrometer. Using this spectrometer, also known as monochromator, spectra was recorded from a low temperature – low pressure, pin to plate, glow discharge. The monochromator uses a diffraction grating to separate spatially a polychromatic beam of light available at its input. The stepper motor control, along with the recording of spectra, is being conducted by suitable software developed under the Labview platform. Among the challenges of the thesis was to: Αssemble a stepper motor controller which rotates the diffraction grating with a suitable power supply. Αmplify the control signals of the controller. Αmplify the photomultiplier signals which records the luminous intensity. Calibrate the monochromator. Develop a user-friendly software which can control the monochromator, record spectra and export a file with the recorded spectra for further use. Concentrate the emitted light of the discharge and guide it to the monochromator's input slit, using a UV lens and an optical fiber. Capture emitted spectra of the produced plasma, at different positions along the pin to plate gap. Analyze the recorded spectra.

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο την μελέτη της επίδρασης της μορφής της ανόδου στην παραγωγή εκκενώσεων τύπου αίγλης. Για τον σκοπό αυτό μελετώνται οι εκκενώσεις που παράγονται στο εσωτερικό ενός αντιδραστήρα παραγωγής ψυχρού πλάσματος, μεταξύ μιας μη συμμετρικής διάταξης ηλεκτροδίων (διάκενο ακίδας-πλάκας), ο οποίος βρίσκεται στο εργαστήριο Ηλεκτροτεχνικών Υλικών του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών. Ειδικότερα, μελετώνται οι εκκενώσεις για τρεις διαφορετικούς τύπους ανόδου, κατασκευασμένες από διαφορετικό υλικό κάθε φορά, πραγματοποιώντας μια σειρά μετρήσεων από τις οποίες εξάγονται οι χαρακτηριστικές τάσης-ρεύματος για διάφορες τιμές της πίεσης εντός του αντιδραστήρα και για δύο διαφορετικές τιμές του μήκους του διακένου. Επιπρόσθετα, για τις παραπάνω συνθήκες, λαμβάνονται παλμοί ρεύματος και φωτός(με την βοήθεια ενός φωτοπολλαπλασιαστή) της εκκένωσης, οι οποίοι απεικονίζουν την φωτεινή δραστηριότητα κατά μήκος του διακένου. Από την επεξεργασία όλων των παραπάνω μετρήσεων, γίνεται προσπάθεια εξαγωγής συμπερασμάτων σχετικά με την επίδραση που δύναται να έχει η μορφή της ανόδου, στην παραγωγή μιας εκκένωσης αίγλης. Ειδικότερα: •Στο πρώτο κεφάλαιο, γίνεται μια σύντομη ιστορική αναφορά και αναφέρονται κάποιες βασικές γνώσεις και χαρακτηριστικά που αφορούν στο πλάσμα. •Στο δεύτερο κεφάλαιο, παρατίθενται συνοπτικά τα καθεστώτα λειτουργίας μιας εκκένωσης αίγλης και συγχρόνως αναλύεται η εκκένωση, από φαινομενολογικής άποψης. •Στο τρίτο κεφάλαιο, περιγράφεται αναλυτικά η πειραματική διάταξη στην οποία έγινε το σύνολο των μετρήσεων. Παρουσιάζονται τα επιμέρους όργανα, που χρησιμοποιούνται για την μέτρηση συγκεκριμένων μεγεθών και ταυτόχρονα παρατίθενται διάφορες φωτογραφίες που απεικονίζουν οπτικά τα επιμέρους τμήματα που την απαρτίζουν. •Στο τέταρτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται το σύνολο των μετρήσεων, το οποίο περιλαμβάνει χαρακτηριστικές τάσης-ρεύματος, παλμούς ρεύματος και παλμούς φωτός για τις τρεις διαφορετικές ακίδες, για μια σειρά συνθηκών καθώς και συγκρίσεις διαφόρων μεγεθών που εξάγονται από τα παραπάνω. / In this thesis, the effect of the anode’s geometry on the production of glow discharges is studied. For this purpose, glow discharges produced inside a cold plasma reactor, between a non-symmetrical set-up of electrodes, are investigated. In particular, we study glow discharges for three types of anode, which are made of different materials. Initially, a series of measurements of the gap voltage and current is taken and the V-I characteristics are extracted, each for different values of pressure inside the reactor and two different values of gap length (d=1cm, d=2cm). Furthermore, for the above conditions, several current and light impulses (using a photomultiplier) are recorded, demonstrating the light distribution and light emission among the gap. Using all the above measurement, the effect of the anode’s geometry on the glow discharge production is analyzed. In summary, the following subjects are treated: • Basic characteristics of plasma and short historical reference. •Short reference to different functional regimes of a glow discharge and phenomenological analysis of the discharge. •Description of the experimental set-up and measuring instruments. •Experimental measurements of current and gap voltage (V-I characteristics), current pulses, light pulses, conclusions.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η πειραματική μελέτη ηλεκτρικής εκκένωσης σε χαμηλή πίεση αερίου σε ανομοιογενές ηλεκτρικό πεδίο (διάκενο ακίδα-πλάκα) και η σύγκριση με την ηλεκτρική εκκένωση στο ομογενές πεδίο. Βάση για όλες τις θεωρίες που πραγματεύονται την παραγωγή πλάσματος συνιστά η θεωρία Townsend. Σύμφωνα με αυτή, τα αέρια κατά την εφαρμογή μιας κρίσιμης τιμής τάσης παύουν να είναι μονωτές, υφίστανται ηλεκτρική διάσπαση και μετατρέπονται σε αγωγούς. Προτείνεται έτσι μια πολύ καλή εξήγηση των μηχανισμών των ηλεκτρικών εκκενώσεων που αφορά όμως, μόνο τα ομογενή πεδία. Η πλήρης ερμηνεία τους επιτυγχάνεται με τη θεωρία των κυμάτων ιονισμού που λαμβάνει υπόψην τα μη αμελητέα φορτία χώρου στα οποία εξάλλου και αποδίδει τη μεγάλη ταχύτητα διάδοσης του φαινομένου. Έπειτα, παρουσιάζεται συνοπτικά η εκκένωση αίγλης που συνιστά κατηγορία φαινομένων που αναπτύσσονται όταν το ρεύμα που διαρρέει το διάκενο γίνεται σημαντικό. Στο 1ο κεφάλαιο αναφέρονται και αναλύονται όλες οι έννοιες που εμπίπτουν στην ευρεία έννοια της ηλεκτρικής εκκένωσης. Τονίζονται μεγέθη και παράμετροι της εκκένωσης όπως ο συντελεστής δευτερογενούς παραγωγής ηλεκτρονίων γ που συνδυαζόμενα με τα πειραματικά αποτελέσματα, θα μας δώσουν τελικά χρήσιμα συμπεράσματα. Στο κεφάλαιο 2 περιγράφεται πλήρως η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε, τα όργανα των μετρήσεων καθώς και τα αέρια που χρησιμοποιήθηκαν. Κατόπιν, αναφέρονται συνοπτικά τα στάδια που πειράματος. Στο κεφάλαιο 3, παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα για τις ηλεκτρικές εκκενώσεις του αέρα φιάλης για πιέσεις 5-50mbar. Δίνονται οι χαρακτηριστικές καμπύλες V-I, μεμονωμένες και ομαδοποιημένες αλλά και τα αντίστοιχα παλμογραφήματα ρεύματος και φωτός για τις τρεις διαφορετικές πλάκες που χρησιμοποιήθηκαν (ατσαλιού, αλουμινίου και ορείχαλκου). Συμπληρωματικά, σχολιάζονται τα ηλεκτρικά και τα οπτικά χαρακτηριστικά τους και επιχειρείται σύγκριση και αναδεικνύεται το αν οι συνθήκες και το υλικό της καθόδου επηρεάζουν τα αποτελέσματα. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται μια ανακεφαλαίωση των παρατηρήσεων που προέκυψαν από το πείραμα και παρουσιάζονται κάποιες σκέψεις. Στο παράρτημα, παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας του φωτοπολλαπλασιαστή. Τέλος, παρουσιάζεται η βιβλιογραφία. / The purpose of this thesis is the experimental study electric dis¬charge at low pressure gas in inhomogeneous electric field (clearance pinplate) and the comparison with the electric discharge in a homogeneous field. Specifically, we look with the help of our experimental results it affects the conditions of the experiment (pressure gap) and the cathode material and highlighting the c factor. Basis for all theories dealing with the production of plasma is the theory Townsend. According to this, the gases in implementing a critical voltage ceases to be insulators, no electrical breakdown and converted pipelines. Thus proposed that a very good explanation of mechanisms of electric prods on, however, only the homogeneous fields. The full interpretation accomplished by the theory of wave ionization (streamer) which takes into consideration the non-negligible space charge in which, moreover, gives the rapidly spreading phenomenon. Then summarizes the glow discharge which is matter phenomena that occur when the current flowing through the gap is significant. In the first chapter reported and analyzed all the concepts covered in the broad sense of the electric discharge. Aggregates are highlighted as the factor c, which combined with the experimental results, will ultimately give us useful conclusions. In Chapter 2 describes the full experimental setup used, the instruments of measurement and the landfill gas were used. Then the steps experiment is been summarized. In Chapter 3 presents the experimental results for electrical discharges in air bottle for pressure 5 -50mbar. We present the characteristic curves V-I, isolated and grouped and the corresponding «photos» of power and light for three different plates were used (steel, aluminum and brass). Additionally, we comment electrical and optical characteristics and attempt to compare and highlights whether the conditions and the material of the cathode affect the results. In Chapter 4 is a summary of comments obtained from the experiment and presents some thoughts. The Annex shows the operating principle of the photomultiplier. Finally, we present the literature.

Τις τελευταίες δεκαετίες, οι διεργασίες πλάσματος με τάση διέγερσης ραδιοσυχνότητας χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερο και απαντώνται σε διάφορες εφαρμογές όπως στην εναπόθεση υλικών, στην επεξεργασία επιφανειών κα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι εκκενώσεις αίγλης ραδιοσυχνότητας να προσελκύσουν έντονο επιστημονικό ενδιαφέρον. Μπορεί τα τελευταία χρόνια να έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στον τομέα αυτό ωστόσο υπάρχει ακόμα και σήμερα ενδιαφέρον που αφορά το σχεδιασμό των συστημάτων αυτών καθώς και την ανάπτυξη μεθόδων που αφορούν την επαναληψιμότητα των διεργασιών καθώς και τον έλεγχο των ιδιοτήτων του πλάσματος. Ένας από αυτούς τους τομείς είναι ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός ηλεκτροδίων ραδιοσυχνότητας πηγών πλάσματος και η εύρεση της κατανεμημένης εμπέδησής τους και ακολούθως ο υπολογισμός της καταναλισκόμενης ισχύος σε εκκενώσεις αίγλης. Αυτές οι τεχνικές μπορούν να μας προσφέρουν σημαντικές πληροφορίες για τους μηχανισμούς και τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα σε εκκενώσεις ραδιοσυχνότητας, οι οποίες αν στη συνεχεία αξιοποιηθούν να μας οδηγήσουν στον ακριβή προσδιορισμό και έλεγχο των συνθηκών. Στην εργασία αυτή αναλύονται μέθοδοι από τις οποίες προκύπτουν αποτελέσματα που αφορούν παραμέτρους του πλάσματος μέσω μετρήσεων τάσης, ρεύματος και διαφοράς φάσης σε κάποιο σημείο εξωτερικά του αντιδραστήρα. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα ηλεκτρικών μετρήσεων σε εκκενώσεις αργού που πραγματοποιήθηκαν σε μια χωρητικά συζευγμένη πηγή πλάσματος. Αρχικά παρουσιάζεται ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός της πηγής και αναλύονται τρεις μέθοδοι για τη μέτρηση και τον υπολογισμό της καταναλισκόμενης ισχύος της εκκένωσης. Στην πρώτη μέθοδο οι ηλεκτρικές μετρήσεις χρησιμοποιούνται για το προσδιορισμό ενός ισοδύναμου ηλεκτρικού κυκλώματος με κατανεμημένα στοιχεία (πυκνωτές, πηνία αντιστάσεις) το οποίο μπορεί να περιγράψει την εμπέδηση ανάμεσα στο σημείο μέτρησης εξωτερικά του αντιδραστήρα και την επιφάνεια του ηλεκτροδίου ραδιοσυχνότητας. Το ισοδύναμο αυτό κύκλωμα επιλύεται με βάση τους κανόνες του Kirchhoff και προκύπτουν οι τιμές της μιγαδικής τάσης και ρεύματος της εκκένωσης. Στη δεύτερη μέθοδο, η τάση καθώς και το ρεύμα της εκκένωσης υπολογίζονται μέσω ενός πίνακα ABCD, τα στοιχεία του οποίου έχουν υπολογιστεί από μετρήσεις σε ανοικτό και βραχυκυκλωμένο κύκλωμα. Η τρίτη μέθοδος, μοιάζει αρκετά με τη δεύτερη μόνο που έχει το πλεονέκτημα να είναι πιο απλή λόγω του ότι δεν απαιτεί τη μέτρηση της φάσης της εμπέδησης (της φάσης της τάσης σε σχέση με την τάση του ρεύματος). / Over the last decades, plasma processing has been widely used in various applications such as the deposition of thin films, surface modification, dry etching etc. As a result, radio-frequency discharges have attracted particular scientific interest. Despite the steps forward, there are still open issues especially concerning the design of plasma systems and the effective control of plasma parameters. A part of these issues is related to the electrical characterization of the stray impedance of the plasma electrode and the subsequent measurement and calculation of the real power consumption during the process. These techniques can lead to better understanding of the plasma processes and can also lead to more stable, reliable and almost ideal performing plasma systems. The aim of this study is to point out externally measured non-intrusive plasma parameters that could ease design, control and transferability of plasma conditions. In this work we demonstrate results of electrical characteristics of argon discharges carried out in a high vacuum capacitively coupled parallel plate reactor. Initially, the electrical characterization of the plasma reactor is presented and three methods for measuring and calculating the real power consumed in the discharge are analyzed.. At the first method, the electrical measurements are used to determine a simple equivalent circuit that can describe the parasitic impedances that interfere between the point of measurement and the RF electrode’s surface. The equivalent circuit model is then solved through Kirchhoff’s laws and values of the complex electrode’s voltage and current are obtained from the measured voltage and current at some point located outside the reactor. At the second method, the reactor is treated as a two-port network. The electrode’s voltage and current are calculated through the ABCD matrix of the reactor whose values a, b, c, d are extracted from open and short circuit measurements. The third method is a simplification of the second method as it does not require the phase of the impedance (the phase of the voltage relative to the current) for the calculations.