Σημαντικό ρόλο στις βιομηχανικές εφαρμογές πλάσματος παίζει η ροή των ιόντων. Ωστόσο, συχνά συναντάται το πρόβλημα της εναπόθεσης μονωτικών υμενίων καθιστώντας τους ηλεκτροστατικούς καθετήρες μη λειτουργικούς για τη μέτρηση της ροής αυτής. Ένας εναλλακτικός καθετήρας, ικανός να λειτουργήσει σε αυτές τις συνθήκες, προτάθηκε από τους N. S. J. Braithwaite et al. [1]. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται, πρώτον, η θεωρία λειτουργίας του καθετήρα αυτού, δεύτερον η κατασκευή του και τρίτον η ανάπτυξη τού συστήματος για την οδήγησή του καθώς και την καταγραφή και την επεξεργασία των σημάτων του. Τέλος, γίνεται πειραματική εξακρίβωση της σωστής λειτουργίας της συσκευής, σε διάταξη επαγωγικού πλάσματος ραδιοσυχνοτήτων (13.56 MHz). / The ion flux holds a major role in the industrial applications of plasma. Often, though, the problem of insulative film deposition is encountered, making the electrostatic probes non functional for the measurement of the ion flux. An alternative probe, capable of functioning under these circumstances has been proposed by N. S. J. Braithwaite et al. [1]. In this paper there are presented, firstly, the theory under which this probe functions, secondly the implementation and thirdly the development of a system for biasing and also data acquisition and processing the signals obtained by the probe. Finally, an experimental identification of the good operation of the device is done, in RF inductively couple plasma (13.56 MHz).

Η διπλωματική εργασία που παρουσιάζεται παρακάτω έχει ως σκοπό τη μελέτη του ψυχρού πλάσματος που παράγεται σε ανομοιογενές ηλεκτρικό πεδίο ακίδα – πλάκα, διάκενου 1 cm και αρνητικής πολικότητας σε συνθήκες χαμηλής πίεσης ατμοσφαιρικού αέρα (5 έως 50 mbar). Αρχικά γίνεται μία πρώτη γνωριμία με το πλάσμα και στη συνέχεια παρουσιάζονται στοιχεία θεωρίας των ηλεκτρικών εκκενώσεων. Το πλάσμα είναι προϊόν ηλεκτρικών εκκενώσεων μέσα σε αέρια, τα οποία από μονωτικά υλικά μετατρέπονται σε αγωγούς. Βάσει το βαθμό ιονισμού του, την ηλεκτρονική πυκνότητα και την ηλεκτρονική του θερμοκρασία, διακρίνεται σε ψυχρό, θερμικό και θερμό. Η παραγωγή του εξαρτάται από παράγοντες όπως το σύστημα τροφοδοσίας, η γεωμετρία του αντιδραστήρα και του διακένου όπως επίσης και τα χαρακτηριστικά του αερίου μέσου και βρίσκει εφαρμογές στην παραγωγή Laser, στην παρασκευή όζοντος, στην επεξεργασία υλικών και επιφανειών κτλ. Ακριβώς μετά, αναπτύσσονται στοιχεία θεωρίας των ηλεκτρικών εκκενώσεων όπως η θεωρία του Townsend, ο νόμος του Paschen και η ηλεκτρική εκκένωση χαμηλής πίεσης (Εκκένωση Αίγλης). Στη συνέχεια παρουσιάζεται η πειραματική διάταξη και ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε κατά τη διάρκεια του πειράματος ενώ μετά ακολουθούν οι μετρήσεις (Καμπύλες V-I και παλμογραφήματα του ρεύματος και του φωτοπολλαπλασιαστή). Τέλος, συνοψίζονται χρήσιμα συμπεράσματα από την εργασία όπως ότι οι εκκενώσεις του πειράματος ήταν ευσταθείς για την αντίσταση φόρτου που επιλέξαμε, παρατηρήθηκε γραμμική σχέση της τάσης [V] και της πίεσης [P], εντοπίστηκαν παλμοί Trichel και παρατηρήθηκαν ομοιότητες στη συμπεριφορά με εκκενώσεις θετικής πολικότητας και ομογενούς ηλεκτρικού πεδίου. / The diplomatic work that is presented below has as aim the study of cold plasma that is produced in non-homogeneous electric field spike - plate, gap 1 cm and negative polarity in conditions of low pressure of atmospheric air (5 until 50 mbar). Initially becomes a first acquaintance with plasma and afterwards is presented elements of theory of electric evacuations. The plasma is product of electric evacuations in gases, which from insulator materials are changed in conductors. From his degree of ionization, the electronic density and his electronic temperature, it is distinguished in cold, thermic and hot. His production depends on factors as the system of catering, the geometry of reactor and gap as also and the characteristics of gas of means and find applications in the production Laser, in production of ozone, in the treatment of materials and surfaces etc. Precisely, are afterwards developed elements of theory of electric evacuations as the theory of Townsend, the law of Paschen and the electric evacuation of low pressure (Evacuation of Glamour). Afterwards are presented the experimental provision and the equipment that was used at the duration of experiment while afterwards follow the measurements (curves V-I and oscillator graphs of the current and the photomultiplier). Finally, are summarisen useful conclusions from the work that the evacuations of experiment were valid for the resistance of pressure that we selected, it was observed linear relation of Voltage [V] and Pressure [P], they were located vibrations Trichel and were observed resemblances in the behavior with evacuations of positive polarity and homogenous electric field.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η πειραματική μελέτη των κυμάτων ιονισμού που παράγονται από ηλεκτρικές εκκενώσεις σε ανομοιογενές ηλεκτρικό πεδίο. Συγκεκριμένα, εξετάζουμε τη δημιουργία και διάδοση των streamer στις ηλεκτρικές εκκενώσεις του αζώτου και του ατμοσφαιρικού αέρα. Οι παράμετροι που καθορίζουν την εξέλιξη της εκκένωσης είναι η κατανομή του πεδίου, η πίεση και η φύση του αερίου το οποίο μελετάμε. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγή στους φυσικούς μηχανισμούς των ηλεκτρικών εκκενώσεων καθώς και στις χαρακτηριστικές V-I αυτών και θα παρουσιαστούν συνοπτικά τα «φωτεινά-οπτικά» χαρακτηριστικά τους. Βάση για όλες τις θεωρίες που πραγματεύονται την παραγωγή πλάσματος συνιστά η θεωρία Townswed. 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 (streamer) που λαμβάνει υπόψην τα μη αμελητέα φορτία χώρου στα οποία εξάλλου και αποδίδει τη μεγάλη ταχύτητα διάδοσης του φαινομένου. Συμπληρωματικά, παρουσιάζεται συνοπτικά η εκκένωση αίγλης που συνιστά κατηγορία φαινομένων που αναπτύσσονται όταν το ρεύμα που διαρρέει το διάκενο γίνεται σημαντικό (Ι>10 μΑ), δηλαδή όταν το κύριο χαρακτηριστικό της εκκένωσης είναι η έντονη παραμόρφωση του ηλεκτρικού πεδίου που προκαλείται από το φορτίο χώρου που συσσωρεύεται στο διάκενο. Στο κεφάλαιο 2 περιγράφεται πλήρως το εργαστήριο, η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε, τα όργανα των μετρήσεων καθώς και τα αέρια που εξετάζουμε. Κατόπιν, αναφέρονται συνοπτικά τα στάδια που πειράματος καθώς οι δυσκολίες που συναντήθηκαν. Επιπλέον, διερευνάται η ευστάθεια της ηλεκτρικής εκκένωσης που εξαρτάται κυρίως από την επιλογή της αντίστασης φορτίου . Στο κεφάλαιο 3, παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα για τις ηλεκτρικές εκκενώσεις του αζώτου και του ατμοσφαιρικού αέρα για πιέσεις 1-100mbar. Μελετάται η συμπεριφορά των εκκενώσεων για μεταβολές του διακένου, της ανόδου και της καθόδου όπως αυτά αναδεικνύονται από τις χαρακτηριστικές καμπύλες V-I αλλά και τα αντίστοιχα παλμογραφήματα. Συμπληρωματικά, σχολιάζονται τα ηλεκτρικά και τα οπτικά χαρακτηριστικά τους και επιχειρείται σύγκριση μεταξύ των δύο αερίων. Καθοριστική για την εξέλιξη της εκκένωσης επιβεβαιώνεται ότι είναι η φύση, εν προκειμένω η ηλεκτραρνητικότητα ή μη, του κάθε αερίου καθώς και το υλικό της καθόδου και η πίεση, φυσικά. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται μια ανακεφαλαίωση των παρατηρήσεων που προέκυψαν από το πείραμα και παρουσιάζονται κάποιες σκέψεις. Γίνεται προσπάθεια να αντιστοιχεί κάθε μια περιοχή της εκκένωσης στην αντίστοιχη που προβλέπεται από τη θεωρία. Στο κεφάλαιο 5, παρουσιάζεται η αρχή λειτουργίας του φωτοπολλαπλασιαστή. Τέλος, παρουσιάζεται η βιβλιογραφία. / The purpose of the present assignment is the experimental study of the streamers which are produced by electrical discharges at inhomogeneous electrical fields. Specifically, we examine the creation and spreading of the streamers at the electrical discharges of pure nitrogen and atmospheric air. The parameters which define the discharge’s evolution are the field’s allocation, the pressure and the nature of the gas. In chapter 1, an introduction to the physic mechanism of the electrical discharges and the characteristic curves V-I takes place. Their light and optical characteristics are presented, as well. The basis for all the theories that deal with plasma’s production is Townsed’s theory. According to this, gases subsisting a crucial value of voltage stop being insulators, incur an electrical disruption and become conductors. Thus, a very nice explanation of the mechanisms of the electrical discharges is suggested but it refers only to the homogeneous fields. Full interpretation is achieved through the streamers’ theory which takes the space charges into consideration and attributes to them the great spreading’s velocity of the phenomenon. Additionally, the glow discharges are presented. Glow discharges constitute a category of phenomena which evolve when the current in the gap becomes significant. In other words, they evolve when the discharge’s main characteristic is the intense distortion of the electrical field because of the space charges. In chapter 2, the lab, the experimental set-up, the machinery used and the gases are described. Moreover, the experiment’s steps and the difficulties we met are briefly reported. Furthermore, the stability of the discharge that depends on the load resistance is examined. In chapter 3, we present the experimental results concerning the electrical discharges of nitrogen and atmospheric air for pressures 1-100 mbar. The behavior of the discharges is studied while changing the gap, the anode, the cathode and is highlighted at the curves V-I and the oscillograph. In addition, we comment on the electrical and optical characteristics of the discharges and a comparison between the two gases is attempted. The nature of the gas turns out to be significant to the evolution of the discharge (the existence of electronegativity makes a difference). The same thing happens with the cathode’s material and the pressure, too. In chapter 4, we sum up the remarks on the experiment and present some thoughts and questionings. An effort to match the discharge’s regions to the counterpart ones predicted by the theory also takes place. Finally, in chapter 5, the principles of the photomultiplier are explained. Last but not least, the bibliography that has been used is presented.

Τα τελευταία χρόνια, στη βιοϊατρική και στη βιομηχανία η επεξεργασία δειγμάτων με πλάσμα έχει κεντρίσει το ενδιαφέρον, και ειδικότερα στους αντιδραστήρες πλάσματος ατμοσφαιρικής πίεσης. Οι αντιδραστήρες αυτοί αντίθετα από του αντιδραστήρες καινού είναι πιο οικονομικοί στην κατασκευή αλλά και στη λειτουργιά. Το ενδιαφέρον αυξάνεται , λαμβάνοντας υπόψη τη δυνατότητα παράγωγης ψυχρού πλάσματος με μεγάλη δραστικότητα, αποφεύγοντας τα μειονεκτήματα των θερμών ατμοσφαιρικών πλασμάτων. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η υλοποίηση και η βελτιστοποίηση ενός αντιδραστήρα ατμοσφαιρικού πλάσματος ευγενών αεριών τροφοδοτούμενου από ημιτονοειδή υψηλή τάση ακουστικών συχνοτήτων. Το σύστημα οδηγείται από ημιτονοειδή υψηλή τάση μεταβαλλόμενου πλάτους (0-11 kV από κορυφή σε κορυφή) και συχνότητα (5-20 kHz). Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι γενικές έννοιες για τη δομή και τη λειτουργία των αντιδραστήρων αυτού του είδους. Έμφαση δίνεται στο μηχανισμό διάδοσης του πίδακα και στις εκκενώσεις διηλεκτρικού φράγματος. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται εκτενής περιγραφή των επιμέρους τμημάτων που κατασκευαστήκαν προκειμένου να είναι εφικτή η λειτουργία του αντιδραστήρα. Αρχικά γίνεται η περιγραφή των αντιδραστήρων που κατασκευαστήκαν και στη συνεχεία παρουσιάζεται το σύστημα τροφοδοσίας της υψηλής τάσης. Τέλος, γίνεται περιγραφή των διατάξεων χαρακτηρισμού της εκκένωσης οι όποιες αφορούν ηλεκτρικές, οπτικές, φωτογραφικές μετρήσεις καθώς και μετρήσεις θερμοκρασίας. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις παραπάνω μετρήσεις καθώς μεταβάλλεται μια από τις παραμέτρους του συστήματος (είδος και ροή αερίου, πλάτος και συχνότητα τάσης) Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται αξιολόγηση των αποτελεσμάτων και προτείνονται μελλοντικές βελτιώσεις και επεκτάσεις προκειμένου να γίνει το σύστημα πιο λειτουργικό. Η διπλωματική εργασία ολοκληρώνεται με το Παράρτημα στο όποιο δίνονται τα μηχανολογικά σχεδία των αντιδραστήρων. / In recent years plasma processing has spurred interest in biomedical and industrial applications, particularly in atmospheric pressure plasma reactors. These reactors unlike vacuum ones are more economical to build and operate. The interest is growing considering the possibility of generating reactive cold plasmas, avoiding the drawbacks of thermal atmospheric plasmas. The goal of this thesis is the implementation and optimization of an atmospheric pressure plasma reactor fed with noble gases and sinusoidal high voltage audio frequencies. The system is driven by a sinusoidal high voltage with variable amplitude (0-11 kV peak- to-peak) and frequency (5-20 kHz) The first chapter presents the general concepts about the structure and operation of reactors of this kind. Emphasis is given to the propagation mechanism of the jet and dielectric barrier discharges. The second chapter is an extensive description of the components manufactured in order to allow the operation of the reactor. Initially, a detailed description of reactors built is given and then the high voltage supply system is presented. Finally, the instrumentation setup is explained regarding the electrical, optical, photographic and temperature measurements. The third chapter presents the results obtained from these measurements as a changing of system parameters (gas type and flow , voltage amplitude and frequency ) In the fourth chapter we reviewed the results and proposed future improvements and extensions in order to make the system more functional. The thesis concludes with the Annex in which the engineering drawings of the reactors are given

Στην διπλωματική αυτή μελετάται η επίδραση των ηλεκτρικών εκκενώσεων (κεραυνών) σε επιφάνειες ηλεκτροδίων, που αποτελούν μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας (ΣΑΠ). Στο Κεφάλαιο 1 αναλύεται το φαινόμενο των υπερτάσεων και των κεραυνικών εκκενώσεων. Το φαινόμενο των ηλεκτρικών εκκενώσεων, μελετάται σε εργαστήρια υψηλής τάσης, με διάκενα αέρος, ενώ στην συγκεκριμένη περίπτωση, το φαινόμενο των κεραυνών προσομοιώνεται με την διάταξη Ακίδα-Πλάκα. Μετά από μια σύντομη αναφορά στα διάκενα αέρος και τις εκκενώσεις, στο Κεφάλαιο 2 αναλύονται οι συνθήκες που επηρεάζουν τις εκκενώσεις, οπως διαστάσεις, αποστάσεις, ατμοσφαιρικές συνθήκες (υγρασία, θερμοκρασία, ατμοσφαιρική πίεση). Στο Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων χρησιμοποιούνται γεννήτριες υψηλών τάσεων που μας παρέχουν τάσεις σε επιθυμητό επίπεδο και επιθυμητή μορφή (στην συγκεκριμένη περίπτωση κρουστικά κύματα). Περιγράφεται σύντομα η κατασκευή της γεννήτριας του εργαστηρίου, τα κύρια χαρακτηριστικά της καθώς και ο τρόπος λειτουργίας που την διέπει. Στην συνέχεια (Κεφάλαιο 3), παρατίθενται οι συνήθεις τρόποι για προστασία κτιρίων, υποδομών και μηχανημάτων από ηλεκτρικές εκκενώσεις, ο τρόπος σχεδίασης του ΣΑΠ δηλαδή. Παρατίθενται οι μέθοδοι τοποθέτησης συλλεκτήριων αγωγών των ΣΑΠ, καθώς και οι τρόποι γείωσης που συναντώνται πιο συχνά και η επίδραση του περιβάλλοντος πάνω τους. Στην συνέχεια (Κεφάλαιο 4), μελετάται το αλουμίνιο (Al ) σαν υλικό χρησιμοποιούμενο σε ΣΑΠ. Αναλύονται τα βασικά χαρακτηριστικά του, συμπεριφορά του και οξείδωση του. Στο Κεφάλαιο 5 αναλύεται η διαδικασία επεξεργασίας των πλακών αλουμινίου, και οι μέθοδοι τεχνητής γήρανσης που ακολουθήθηκαν, ενώ στο Κεφάλαιο 6 περιγράφεται η πειραματική διαδικασία και ο τρόπος συλλογής και επεξεργασίας των μετρήσεων. Στο Κεφάλαιο 7 καταγράφονται οι μετρήσεις που ελήφθησαν σε διάφορες πλάκες αλουμινίου, με διαφορετικές διαδικασίες τεχνητής γήρανσης,για διαφορετικά διάκενα (αποστάσεις), καθώς και για διαφορετικές ατμοσφαιρικές συνθήκες, που δείχνουν την συμπεριφορά των πλακών , υπό διαφορετικές συνθήκες γήρανσης και λειτουργίας. Τέλος, στο Κεφάλαιο 8 γίνεται η σύνοψη της πειραματικής διαδικασίας και η παράθεση των αποτελεσμάτων της μελέτης. / The main subject this project is the effect of electric discharge (lightning) on the surfaces of electrodes, that are part of a Lightning protection System (LPS). In Chapter 1, we study the phenomenon of electric-surge (hyper-voltage) and lightning discharge. Lightning Discharges are studied in High-Voltage Laboratories with the help of test air-gaps and in this particular situation, lightning is simulated by a spike-plate setup. After a short report on air-gaps and discharges, the conditions that effect discharges are analyzed in Chapter 2 (i.e moisture, temperature, air pressure). In our High-Voltage Lab we use high-voltage generators that provide voltages of desired level and form (here, shock-waved voltages). The lab's generator is shortly described, its main characteristics and its operation. In Chapter 3, we meet the most often used ways of protecting buildings, infrastructures and machinery against electric discharges and the way an LPS is designed. The methods of mounting lightning collectors (lighting protection components - LPCs) are listed, as well as the methods of grounding the LPS and the environmental effect on them. In Chapter 4 Aluminium (Al) is studied, as a material used in LPS. Its basic characteristics, behavior and oxidation are analyzed. In Chapter 5, the plates processing procedures are described, as well as the artificial-ageing methods used in the experiment, whereas in Chapter 6 the experimental procedure and the collection and processing of measurements is analyzed. The measurements of discharges on different aluminium plates are recorded in Chapter 7, with different artificial-ageing processes used, different gaps (distance), and different atmospheric conditions, showing the behavior of the plates under various operating conditions and ageing. Finally, in Chapter 8 there is the summary of the experimental procedure and the presentation of the study results.

Αυτή η εργασία πραγματοποιείται στα πλαίσια της ανάπτυξης της έρευνας και της μελέτης στον τομέα του πλάσματος. Βασικός της στόχος, στο πρώτο μέρος, είναι η μακροσκοπική μελέτη της ηλεκτρικής εκκένωσης αίγλης συνεχούς ρεύματος χαμηλής πίεσης σε άζωτο σε διαφορετικές συνθήκες πίεσης και αντίστασης φορτίου μέσω των χαρακτηριστικών τάσης-ρεύματος (V-I) και των παλμών ρεύματος και φωτός με τη βοήθεια του φωτοπολλαπλασιαστή. Στο δεύτερο μέρος, στόχος είναι η μικροσκοπική μελέτη των εκκενώσεων και των μετα-εκκενώσεων σε παλμική τροφοδοσία κάτω από ροή αερίου σε ατμοσφαιρική πίεση υπό διαφορετικές ηλεκτρικές και χαρακτηριστικές παραμέτρους (συχνότητα, εφαρμοζόμενη ισχύς, ροή αερίου) και διαφορετικά αέρια(άζωτο-άζωτο/οξυγόνο-άζωτο/αργό). Συνεπώς, με μια ποιοτική προσέγγιση, η ταυτοποίηση των αντιδρώντων σωματίων στη φασματοσκοπική μελέτη και η αναφορά της επίδρασης των αερίων μιγμάτων στην παραγωγή τους ολοκληρώνει τη δουλειά αυτής της διπλωματικής / This study was based on the collaboration between the laboratory’ des Gas et des Plasma’ of Pau, France and the laboratory of electrotechnic materials of University of Patras, Greece. In France, the object of this diplomatic work was the study of the discharges in dielectric barrier in different conditions of pressure, power, flow of gas and percentage of gas in different mixture (pure nitrogen, nitrogen-oxygen, and nitrogen-argon) at atmospheric pressure. The microscopic study of glow and afterglow helped us to indentify the species in the plasma and the results were able to be used in applications of treatment of surfaces. In Greece, the object of the diplomatic work was the study of discharges in low pressure in different conditions of pressure and resistance of charge in pure nitrogen. The macroscopic study helped us to analyze the characteristic curve of tendency - current and the vibrations of current and photomultiplier.

Το αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η θεωρητική μελέτη κυμάτων ιονισμού που παράγονται κατά τη δημιουργία ηλεκτρικών εκκενώσεων ψυχρού πλάσματος. Μια πολύ χαρακτηριστική περίπτωση κύματος ιονισμού είναι ο streamer. Προκειμένου να μελετήσουμε τη συμπεριφορά του, αναπτύξαμε ένα δισδιάστατο αριθμητικό μοντέλο. Σε αυτό το υδροδυναμικό μοντέλο, επιλύθηκαν οι εξισώσεις συνεχείας για τα φορτισμένα σωματίδια της εκκένωσης καθώς και η εξίσωση Poisson για τον υπολογισμό του ηλεκτρικού πεδίου. Εξαιτίας των έντονων βαθμώσεων που εμφανίζονται κατά τη διάδοση του streamer χρησιμοποιήθηκαν εξειδικευμένες αριθμητικές τεχνικές. Το μοντέλο αναπτύχθηκε στα πλαίσια των πεπερασμένων στοιχείων χρησιμοποιώντας διορθωτές ροών για τη ακριβή περιγραφή των όρων μεταφοράς των υπερβολικών διαφορικών εξισώσεων συνέχειας. Το μοντέλο μας επιπλέον συγκρίθηκε και με ένα άλλο μοντέλο βασιζόμενο στους πεπερασμένους όγκους. Η συμφωνία που βρέθηκε μεταξύ των δυο μοντέλων ήταν πολύ καλή. Ακολούθως, με τη χρήση του προαναφερθέντος μοντέλου, μελετήσαμε το φαινόμενο του streamer, σε σχετικά μικρά (~1cm) μη ομογενή διάκενα. Διεξήχθησαν εξομοιώσεις τόσο στον αέρα όσο και στο άζωτο σε ατμοσφαιρική πίεση. Εξετάσθηκε η επίδραση της ακτίνας καμπυλότητας της ακίδας, η εφαρμοζόμενης τάσης και ο τύπος του αερίου στο κατά πόσο επηρεάζουν τη μορφολογία του streamer καθώς και τις ιδιότητες του κύματος ιονισμού γενικότερα. Τέλος μελετήθηκε και η αλληλεπίδραση του streamer με το υλικό της καθόδου. / The subject of this work is the theoretical study of the ionization waves that are produced and propagate at cold plasmas gas discharges. One of the most characteristic cases of ionization waves is the streamer and in this work it is investigated thoroughly. In order to elucidate the several physical mechanisms that related to the aforementioned phenomenon a two dimensional hydrodynamic numerical model is implemented. On this model the system of continuity equations for the charged species of the discharge (electrons, ions) coupled with the Poisson equation for the calculation of the electric field is solved numerically. Due to the shock character of the streamer special numerical techniques are adopted. The model is developed on the context of finite elements (FE) by using the flux corrected transport (FCT) algorithm for the accurately description of the transport part of continuity equations. Extended numerical tests are performed to validate correct implementation of FE-FCT. Moreover, our streamer model is also compared with an independent one, based on finite volumes (FV) framework, giving very similar results. By using the numerical model, streamer discharges at relative small, non uniform gaps (point to plane electrodes configuration) are studied. Simulations are performed in atmospheric pressure air and nitrogen. It is examined the influence of the radius of curvature of the tip, the level of applied voltage and the type of the gas, on the morphology of the streamer as well as on the properties of the ionization wave. Special attention is also drawn on the interaction of the streamer with the cathode electrode surface.

Το έργο αφορά στη μελέτη ενός πλάσματος Αζώτου εκκένωσης διηλεκτρικού φράγματος σε ατμοσφαιρική πίεση με διπλό στόχο: Πρώτον, την καλύτερη κατανόηση των φυσικοχημικών μηχανισμών που διέπουν αυτές τις εκκενώσεις, και στη συνέχεια την εφαρμογή αυτών στην επεξεργασία της επιφάνειας μεταλλικών υλικών. Συνεπώς η προσέγγιση στο πρόβλημα θα αναλυθεί λεπτομερώς με βάση δύο συμπληρωματικούς τομείς: - Μοντελοποίηση και Αριθμητική Εξομοίωση - Πειραματική Μελέτη. Το ψυχρό πλάσμα μιας εκκένωσης σε ατμοσφαιρική πίεση παρέχει μια σημαντική τεχνολογική καινοτομία: σπάει το φράγμα της τεχνολογίας κενού στην οποία βασίζονται οι τεχνικές πλάσματος χαμηλής πίεσης. Έτσι το ψυχρό πλάσμα μιας εκκένωσης σε ατμοσφαιρική πίεση παρουσιάζει σημαντικό βιομηχανικό ενδιαφέρον στο πλαίσιο της επεξεργασίας υλικών χαμηλής προστιθέμενης αξίας. Σε αυτή τη μελέτη, η επεξεργασία λαμβάνει χώρα υπό συνθήκες χωρικής μετα-εκκένωσης. Έτσι τα προϊόντα της εκκένωσης (και ιδιαίτερα τα ενεργά σωμάτια) αποστέλλονται, με βάση τη γεωμετρία του αντιδραστήρα και τη ροή του αερίου, εκτός του χώρου μεταξύ των ηλεκτροδίων.Μια τέτοια διάταξη επιτρέπει την επεξεργασία τμημάτων μεγάλων διαστάσεων ή ακόμα και τμημάτων που παρουσιάζουν καμπυλότητες. Επιτρέπει επίσης μια συνεχή βιομηχανική διεργασία κατά τα πρότυπα μιας γραμμής παραγωγής. Τα υλικά που μελετήθηκαν είναι κράματα μετάλλων Αl-2024 και TiA6V4, με βάση το αλουμίνιο και το τιτάνιο αντίστοχα. Χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία της αεροναυπηγικής που αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό μέρος της οικονομικής δραστηριότητας στη Νοτιοδυτική Γαλλία και ειδικά στην περιοχή του Pau. ο σκοπός της επεξεργασίας είναι να καταστεί συμβατή η επιφάνειa με τις βιομηχανικές διεργασίες κολλήσεων και βαφών. / This work deals with an atmospheric pressure dielectric barrier discharge (DBD) plasma in Nitrogen in a double goal: To give insight into the physicochemical mechanisms that dominate in such a discharge and to apply such a discharge in the surface treatment of metal-alloy samples. This thesis investigates the aforementioned topic via two complementary approaches: Συνεπώς η προσέγγιση στο πρόβλημα θα αναλυθεί λεπτομερώς με βάση δύο συμπληρωματικούς τομείς: - Numerical Modeling and Simulation - Experimental Study The cold plasma generated by an atmospheric pressure electrical discharge holds a significant technological advantage: it breaks the vacuum technology barrier which is the cornerstone of traditional low pressure plasma techniques. Thus, the atmospheric pressure cold plasma appears interesting for industrial surface treatment applications and especially in the case of low added value materials. In this thesis, the surface treatment application takes place in spatial afterglow conditions: the dielectric barrier discharge’s effluents are guided, based on the dedicated reactor design and the elevated gas flow values here used out, of the inter-electrode space. These experimental features permit the surface treatment of large samples or even the treatment of pieces of arbitrary geometries (eg. concave, …). Such a set-up also makes possible a continuous industrial process under the production line standards. The materials that were investigated in the framework of this thesis are the metallic alloys Αl-2024 and TiA6V4, on the basis of Aluminum and Titanium respectively. They are used frequently in aerospace and aeronautical design and engineering which represent an important part of the industrial activity in the South – West part of France and especially in the region of Pau. The purpose of their surface treatment by the atmospheric pressure DBD plasma spatial afterglow was to render them compatible with the industrial processes related to adhesion and painting.

Είναι γνωστό ότι οι διεπιφάνειες παίζουν σηµαντικό ρόλο στη συµπεριφορά των στερεών µονώσεων, ιδιαίτερα των στερεών συνθετικών µονώσεων µέσα στις οποίες δηµιουργούνται µακροσκοπικές διεπιφάνειες µεταξύ των µονωτικών στρωµάτων και µικροσκοπικές διεπιφάνειες µεταξύ των κυρίων µονωτικών υλικών και του πλήσµατος, που προστίθεται στις µονώσεις για τη βελτίωση της ηλεκτρικής και της µηχανικής τους αντοχής. Αρκετοί ερευνητές έχουν ασχοληθεί πειραµατικά µε τις επιδράσεις διαφόρων παραµέτρων των διεπιφανειών στην ηλεκτρική γήρανση των µονώσεων. Τέτοιες παράµετροι είναι η ασκούµενη πίεση µεταξύ των στρώσεων των µονωτικών υλικών, η τραχύτητα των εφαπτόµενων επιφανειών, η τιµή της πεδιακής έντασης στις διεπιφάνειες και η δηµιουργία φορτίων χώρου στις διεπιφάνειες. Άλλοι ερευνητές έχουν ασχοληθεί µε την επίδραση των διαφραγµάτων στην ηλεκτρική αντοχή των µονώσεων. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή ερευνάται πειραµατικά η επίδραση των παρακάτω παραµέτρων των διεπιφανειών στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των στερεών µονώσεων, σε οµογενές και ανοµοιογενές ηλεκτρικό πεδίο: α) της παραµέτρου ξ, που καθορίζει τη θέση µιας διεπιφάνειας µέσα στο µονωτικό διάκενο και ορίζεται ως ξ=x/y, ο λόγος της απόστασης x της διεπιφάνειας από το ηλεκτρόδιο ΥΤ προς την απόσταση y µεταξύ των ηλεκτροδίων, β) της παραµέτρου ψ=ε1/ε2, που ορίζεται ως ο λόγος των τιµών της διηλεκτρικής διαπερατότητας των υλικών που σχηµατίζουν την διεπιφάνεια και γ) του αριθµού n των διεπιφανειών µέσα στο µονωτικό διάκενο. ∆ιερευνάται επίσης, η µεταβολή ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των µονώσεων µε διεπιφάνειες, σε σχέση µε την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου καταπόνησης και σε συνδυασµό µε τις παραπάνω παραµέτρους. Η έρευνα υλοποιήθηκε σε τρία στάδια. Πρώτα σχεδιάσθηκαν και κατασκευάσθηκαν διάφορες κατηγορίες δοκιµίων ανάλογα µε τον τύπο των διεπιφανειών τους και τη διάταξη των ηλεκτροδίων, καθορίσθηκαν τα πειράµατα για τη µέτρηση της ηλεκτρικής αντοχής των δοκιµίων και τη µέτρηση ηλεκτρικών χαρακτηριστικών τους σε διάφορες πεδιακές εντάσεις. Ύστερα, σχεδιάσθηκαν και κατασκευάσθηκαν ειδικές πειραµατικές κυψέλες, καθορίσθηκε η διαδικασία εκτέλεσης των πειραµάτων και εκτελέσθηκαν τα πειράµατα. Τέλος, έγινε η επεξεργασία των µετρήσεων, η µελέτη και η ανάλυση των πειραµατικών αποτελεσµάτων και εξήχθησαν τα συµπεράσµατα. i Για τον σχεδιασµό των δοκιµίων και των πειραµατικών κυψελών και για τον καθορισµό των πειραµάτων ελήφθησαν υπόψη στοιχεία που αφορούν στη δοµή των στερεών πολυµερών µονωτικών υλικών και στους µηχανισµούς διάσπασης και γήρανσης των στερεών συνθετικών µονώσεων, καθώς και επιστηµονικές εργασίες άλλων ερευνητών που αναφέρονται στη βιβλιογραφία. Στα δοκίµια δηµιουργήθηκε ένας από τους δυο τύπους διεπιφανειών, που εµφανίζονται συχνά στις στερεές µονώσεις του εξοπλισµού υψηλής τάσης: α) διεπιφάνειες µεταξύ ενσωµατωµένων στερεών µονωτικών υλικών και β) διεπιφάνειες µεταξύ µονωτικών φύλλων. Στην κατηγορία των δοκιµίων µε τον πρώτο τύπο διεπιφανειών κατασκευάσθηκαν δοκίµια από κύριο µονωτικό υλικό LDPE (low density polyethylene, πολυαιθυλένιο χαµηλής πυκνότητας), µε ένα διάφραγµα στο εσωτερικό τους κατασκευασµένο από LDPE µε φεροηλεκτρικό πλήσµα PZT (lead zirconate titanate, πρόσθετο µολύβδου-ζιρκονίου-τιτανίου), καθώς και δοκίµια από LDPE µε διάφραγµα από CP (chlorinated paraffin, χλωρική παραφίνη). ∆ηµιουργήθηκαν οµάδες δοκιµίων µε διάφορες τιµές των παραµέτρων ξ και ψ της πρώτης τους διεπιφάνειας. Όλα τα δοκίµια είχαν ίδιο πάχος (950µm) και τα πάχη των διαφραγµάτων τους ήταν 100, 200 ή 20 µm, κατά περίπτωση. Συνολικά κατασκευάσθηκαν 520 δοκίµια, στα οποία είχαν ενσωµατωθεί ηλεκτρόδια χαλκού µε εξάχνωση, σε διάταξη πλάκας-πλάκας. Επίσης, κατασκευάσθηκαν δοκίµια από διαφανές µονωτικό υλικό ΡΜΜΑ (polymethyl methacrylate, πολυµεθακρυλικό µεθυλεστέρα) µε διάφραγµα από ER (epoxy resin, εποξειδική ρητίνη) και πλήσµα ΡΖΤ. Η διάταξη των ηλεκτροδίων στα δοκίµια ΡΜΜΑ ήταν ακίδα-πλάκα, η απόσταση των ηλεκτροδίων ήταν 7,5 mm και το πάχος του διαφράγµατος ήταν 50 µm. ∆ηµιουργήθηκαν οµάδες δοκιµίων µε διαφορετικές τιµές της παραµέτρου ξ της πρώτης τους διεπιφάνειας. Συνολικά κατασκευάσθηκαν 100 δοκίµια ΡΜΜΑ. Στην κατηγορία των δοκιµίων µε το δεύτερο τύπο διεπιφανειών κατασκευάσθηκαν δοκίµια από στρώσεις µονωτικών φύλλων, από κύριο υλικό ΡΕΤ (polyethylene terepthalate, τερεφθαλικός πολυεστέρας του πολυαιθυλενίου). ∆ηµιουργήθηκαν οµάδες δοκιµίων µε παραµέτρους τα πάχη των επιµέρους φύλλων και το συνολικό πάχος των δοκιµίων, τη θέση και τον αριθµό των διεπιφανειών µέσα στα δοκίµια. Συνολικά κατασκευάσθηκαν 760 δοκίµια, στις εξωτερικές επιφάνειες των οποίων είχαν ενσωµατωθεί ηλεκτρόδια χαλκού µε εξάχνωση, δε διάταξη πλάκας-πλάκας. Επίσης, κατασκευάσθηκε µια τρίτη κατηγορία δοκιµίων χωρίς διάφραγµα, από LDPE µε πλήσµα ΡΖΤ, για να διερευνηθεί η επίδραση του πλήσµατος στα ηλεκτρικά ii χαρακτηριστικά των δοκιµίων, σε σχέση µε την πεδιακή ένταση καταπόνησης. Κατασκευάσθηκαν 50 δοκίµια πάχους 200 µm, µε ενσωµατωµένα ηλεκτρόδια χαλκού σε διάταξη πλάκας-πλάκας, µε διάφορες τιµές περιεκτικότητας ΡΖΤ. Στα δοκίµια εκτελέσθηκαν πειράµατα διάσπασης µε γραµµικά αυξανόµενη τάση AC και πειράµατα µέτρησης χωρητικότητας, εφδ και ΜΕ µε τάση AC σε διάφορες τιµές από 5% έως 85% της τάσης διάσπασης των δοκιµίων. Στα δοκίµια ΡΜΜΑ έγιναν πειράµατα µέτρησης του χρόνου έναρξης δηµιουργίας δενδριτών µε ταυτόχρονη µέτρηση ΜΕ κατά τη διάρκεια της ηλεκτρικής τους καταπόνησης µε σταθερή τάση AC, και ακολούθησαν µικροσκοπικοί έλεγχοι για τη διερεύνηση των δενδριτών. Επίσης, στα δοκίµια από µονωτικά φύλλα εκτελέσθηκαν πειράµατα µέτρησης του χρόνου διάσπασης µε ταυτόχρονη καταγραφή ΜΕ κατά την ηλεκτρική τους καταπόνηση µε σταθερή τάση AC. Στις πειραµατικές διατάξεις χρησιµοποιήθηκε εξοπλισµός του Εργαστηρίου Υψηλής Τάσης του Κέντρου ∆οκιµών Ερευνών και Προτύπων της ∆ΕΗ ΑΕ και του Εργαστηρίου Υψηλών Τάσεων του Τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστηµίου Πατρών. Σε µια συνδυασµένη ερευνητική προσπάθεια των Εργαστηρίων ΥΤ των Πανεπιστηµίων Πατρών και Tomsk της Ρωσίας, εκτελέσθηκαν στο Εργαστήριο του Tomsk αντίστοιχα πειράµατα σε διαφορετικά δοκίµια από κύριο µονωτικό SR (synthetic rubber, συνθετικό καουτσούκ) και PVC (polyvinyl chloride, χλωριούχο πολυβινύλιο) µε πλήσµα ΡΖΤ, µε έµφαση όµως στην επίδραση της πόλωσης του πλήσµατος σε ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των δοκιµίων. Σε κάθε οµάδα δοκιµίων, ανάλογα µε τα πειράµατα που εκτελέσθηκαν σε αυτήν, υπολογίσθηκαν οι τιµές των µέσων όρων και των τυπικών αποκλίσεων των µετρήσεων της ηλεκτρικής αντοχής, της εφδ, της διηλεκτρικής διαπερατότητας και των µέγιστων φορτίων ΜΕ των δοκιµίων, σε διάφορες τιµές της πεδιακής έντασης καταπόνησης. Επίσης, αναλύθηκαν µετρήσεις ΜΕ, των φορτίων, του αριθµού και της φασικής γωνίας εµφάνισης τους. Από τις µετρήσεις του χρόνου έναρξης δηµιουργίας δενδριτών και του χρόνου διάσπασης των δοκιµίων υπολογίσθηκαν οι αντίστοιχοι χρόνοι µε πιθανότητα Ρ=0,632 για τα δοκίµια κάθε οµάδας. Από τις επεξεργασµένες τιµές προέκυψαν τα διαγράµµατα µεταβολής της ηλεκτρικής αντοχής, του χρόνου διάσπασης και του χρόνου έναρξης δηµιουργίας δενδριτών των δοκιµίων, σε σχέση µε τις τιµές ξ, ψ και n των διεπιφανειών, και τα διαγράµµατα µεταβολής της εφδ, της διηλεκτρικής διαπερατότητας και των ΜΕ, σε σχέση µε την πεδιακή ένταση καταπόνησης, για διάφορες τιµές των παραµέτρων ξ και ψ. iii Με βάση τα πειραµατικά αποτελέσµατα µελετήθηκε η επίδραση των διεπιφανειών στη συµπεριφορά των στερεών µονώσεων, εξετάζοντας την επίδραση της θέσης της πρώτης διεπιφάνειας στη διαµόρφωση του ηλεκτρικού πεδίου µέσα σε µονωτικό διάκενο µε διάταξη ηλεκτροδίων ακίδας-πλάκας και µελετώντας την επίδραση της πόλωσης του φεροηλεκτρικού πλήσµατος σε ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των συνθετικών µονώσεων. Επίσης, µελετήθηκε η ανάπτυξη δενδριτών στο εσωτερικό των στερεών µονώσεων µε διεπιφάνειες διαφράγµατος, καθώς και η επίδραση του πάχους των στερεών συνθετικών µονωτικών υλικών στη διηλεκτρική τους αντοχή. Τα συµπεράσµατα που προέκυψαν συνοψίζονται στα εξής: Οι τιµές της εφδ και των ΜΕ στις στερεές µονώσεις εξαρτώνται από τις παραµέτρους ξ, ψ και n των διεπιφανειών και αυξάνονται απότοµα όταν η πεδιακή ένταση καταπόνησης υπερβεί µια κρίσιµη τιµή, η οποία στις συνθετικές µονώσεις κυµαίνεται συνήθως στο 25% της ηλεκτρικής τους αντοχής. Η ανίχνευση των κρίσιµων τιµών της πεδιακής έντασης µε τη διαδικασία λήψης µετρήσεων εφδ και ΜΕ σε διαδοχικά αυξανόµενα βήµατα τάσης, δίνει τη δυνατότητα σύγκρισης της ηλεκτρικής αντοχής των µονώσεων χωρίς να απαιτούνται πάντοτε καταστροφικές δοκιµές. Η θέση της πρώτης διεπιφάνειας παίζει σηµαντικά σπουδαιότερο ρόλο στην ηλεκτρική αντοχή των στερεών µονωτικών διακένων απ΄ ότι οι άλλες διεπιφάνειες, επειδή οριοθετεί το πρώτο στρώµα του µονωτικού που εφάπτεται στο ηλεκτρόδιο ΥΤ, µέσα στο οποίο ξεκινούν οι µηχανισµοί γήρανσης και διάσπασης των διακένων. Το πάχος του πρώτου στρώµατος επηρεάζει την εξέλιξη των µηχανισµών αυτών. Η θέση της πρώτης διεπιφάνειας διαφράγµατος επηρεάζει την τιµή της πεδιακής έντασης στην κορυφή της ακίδας και την ανάπτυξη δενδριτών στα διάκενα µε διάταξη ηλεκτροδίων ακίδας-πλάκας. Υπάρχει µια βέλτιστη θέση ξopt της πρώτης διεπιφάνειας, στην οποία τα αντίστοιχα διάκενα αποκτούν τη µεγαλύτερη τιµή της ηλεκτρικής τους αντοχής Εbmax σε σχέση µε την ηλεκτρική αντοχή των διακένων του ιδίου πάχους και από ίδια κύρια υλικά, που έχουν την πρώτη διεπιφάνεια σε άλλες θέσεις. Η θέση ξopt εξαρτάται από το κύριο µονωτικό υλικό των διακένων, ενώ η τιµή Εbmax εξαρτάται από την τιµή ψ. Αυτό αποδίδεται στο γεγονός ότι οι δενδρίτες αναπτύσσονται αρχικά στο πρώτο στρώµα του κύριου µονωτικού, ενώ η αύξηση του µήκους τους επηρεάζεται από τις τιµές ψ. Υπάρχει µια βέλτιστη τιµή ψopt που όταν η πρώτη διεπιφάνεια σχηµατίζεται στη θέση ξopt το αντίστοιχο διάκενο αποκτά τη µέγιστη τιµή Εbmax σε σχέση µε τα διάκενα µε άλλες τιµές ψ στη θέση ξopt, η τιµή αυτή µπορεί να υπερβεί το 60% της ηλεκτρικής αντοχής του διακένου χωρίς διεπιφάνειες. iv / It is known that the interfaces have an efficient effect in solid insulations behavior, especially in solid composed insulations inside of which are created macroscopic interfaces between the different dielectric layers and microscopic interfaces between the main insulating materials and additives that are used to optimize the electric and mechanical behavior of the insulations. Many researchers have investigated the effects of various interface parameters on the electric ageing of solid insulations. Such parameters are the applying pressure between the dielectric layers, the roughness of their adjoining surfaces, the electric field strength at the region of the interfaces and the creation of space charge in the vicinity of the interfaces. Other researchers have investigated the effect of dielectric barriers on the electric breakdown strength of solid insulations. In this research, the effect of the following interface parameters on electric characteristics of solid insulations is experimentally investigated, in homogeneous and nonhomogeneous electric field: a) the effect of the parameter ξ=x/y, the ratio of the distance x of the interface from the high voltage electrode to the distance y between the two electrodes, which defines the interface position inside an insulating gap, b) the effect of the parameter ψ=ε1/ε2, which is the ratio of the dielectric permittivity values of the insulating materials, which form the interfaces and c) the effect of the number n of the interfaces that are formed inside an insulating gap. It is also studied the effect of the electric field strength on electric characteristics of solid insulations having internal interfaces, in relation to the above mentioned parameters of the interfaces. The research was completed in three stages. At first, several categories of specimens were designed and constructed with different type of interfaces in various electrodes arrangement, the experiments were set up for measuring the breakdown voltage and electric characteristics of specimens in a range of values of the electric field strength. Then the test cells were designed and constructed and the suitable equipments were installed in the laboratory, the experimental procedure was set up and the experiments were executed on several specimen groups. Finally, the measurements were processed, the diagrams of the variation of the measuring electric characteristics of the specimens in relation to the above interfaces parameters were derived, the experimental results were studied and analyzed, and the conclusions were taken out. Elements concerning the polymer insulating materials structure, the ageing and the breakdown mechanisms of the solid composed insulations, as well as studies of other researchers, were considered for the designing of the specimens and the test cells, and for the determination of the experimental procedures. Inside the specimens was formed one of the following type of interfaces, which are commonly created in solid insulations of high voltage equipment: a) interfaces between two embodied solid dielectrics and b) interfaces between insulating films. The specimens with the first type of interfaces were constructed with a special procedure from low-density polyethylene (LDPE) as main insulating material and inside them was formed a thin barrier constructed from LDPE with the ferroelectric additive lead zirconate titanate (PZT). Specimens were also constructed from LDPE with a barrier from CP (chlorinated paraffin). Various groups of specimens were created with different values of the ξ and ψ parameters of the first interface of the barrier, which was nearest to the HV electrode. All specimens had the same thickness (950 μm) and the thickness of the barrier was 100, 200 or 20 μm. Copper evaporated plane-plane electrodes were embodied on the surfaces of all specimens. The total number of these specimens was 520. Specimens were also constructed from the transparent material polymethyl methacrylate (PMMA) with a barrier constructed from epoxy resin (ER) with additive PZT. The electrodes in these specimens were in a pin-plane arrangement and the distance between them was y=7,5 mm. The thickness of the barrier was 50 μm. Several groups of specimens were created according to the value of the parameter ξ of the first interface. The total number of PMMA specimens was 100. The specimens with the second type of interfaces were constructed from PET (polyethylene terepthalate) films. Various groups of specimens were created according to the thickness of the films and the total specimen thickness, the number of the films and their interfaces positions inside of the specimens. Copper evaporated plane-plane electrodes were embodied on the specimen’s surfaces. The total number of these specimens was 760. A third kind of specimens without interfaces was also constructed from LDPE with additive PZT, in order to study the effect of the additive material on electric characteristics of solid polymeric insulations. Various groups of specimens were created according to the concentration of the PZT inside them. Copper evaporated plane-plane electrodes were embodied on the surfaces of the specimens. The total number of these specimens was 50. The following experiments were executed on the various specimen groups from main insulating material LDPE and PET films: breakdown experiments with ramp increasing AC voltage, experiments for measuring of the tanδ, capacitance and PD in a range of values of AC voltage from 5% up to 85% of the breakdown voltage of the specimens. Experiments were also executed for measuring the treeing inception time in PMMA specimens during electric stressing with a constant value of AC voltage, while simultaneously PD measurements were recorded from these specimens. Electrical trees were detected inside the specimens with a special microscope. Experiments for measuring the breakdown time and for recording PD measurements of PET specimens were also executed during electric stressing of the specimens with a constant value of AC voltage. Last technology equipments of the of the High Voltage laboratory of the Testing Research and Standards Center (TSRC) of PPC SA and of the High Voltage Laboratory of the Electrical Engineering and Computers Technology Department of the University of Patras were used for the execution of the experiments. In a common researching effort of the High Voltage laboratories of the University of Patras and of the University of Tomsk in Russia, corresponding experiments had been performed at the Tomsk University on other specimens constructed from different main insulating material, SR (synthetic rubber) and PVC (polyvinyl chloride) with additive PZT, with emphasis on the polarization effect of the additive material on electric characteristics of solid composed insulations. The mean values and the typical deviations of the measurements of the electric breakdown strength, tanδ, dielectric permittivity and PD apparent charges of the specimens were calculated in each specimens group, in every step of the measuring voltage. The PD maximum charge values and the PD phase distribution, as well as the number of PD in PET specimens were also analyzed. The treeing inception time and the breakdown time with probability P=0,632 were calculated from the corresponding experimental results in each specimens group. The diagrams concerning the variations of the electric breakdown strength, the breakdown time and the treeing inception time of the specimens, in relation to the values of the ξ and ψ parameters were derived of the above processed measuring values. The diagrams of variations of tanδ and PD values of specimens, in relation to the electric field strength, were plotted for several values of ξ and ψ parameters. After processing the experimental results, the effect of the interfaces on solid insulations behavior was studied by investigating the effect of the position of the first interface on the configuration of the electric field inside an insulating gap with a pin-plane electrodes arrangement, and by studying the polarization effect of the PZT on electric characteristics of solid composed insulations. The treeing growth mechanism in solid composed insulations with barrier interfaces was also analyzed, and the effect of the thickness of a composed insulation layer on its electric breakdown strength was discussed. The main conclusions of this research are the following: The tanδ and PD values in solid insulations, measured in a constant AC electric field strength, are affected from the ξ, ψ and n parameters of the interfaces and are rapidly increased when the electric field strength exceeds a critical value, which in the case of solid composed insulations is commonly at a level of 25% of their electric breakdown strength. The detection of this critical value by taking tanδ and PD measurements in step-by-step procedure with increasing voltage assists to compare the electric breakdown strength of solid insulations without being necessary to execute always disruptive tests. The position of the first interface affects the electric characteristics of solid insulation gaps more than the other interfaces since this interface is the boundary of the first layer in the gap, which is in conduct with the HV electrode, and the ageing and breakdown mechanisms in the gap are started in this layer. The thickness of the first layer influences also the growth of these mechanisms. The position of the first interface of a barrier affects the electric field strength at the tip of the pin electrode and the treeing inception time of solid insulation gaps with pin-plane electrodes arrangement. There is an optimum position ξopt of the first interface at which the corresponding gaps get the maximum value Ebmax of their electric breakdown strength comparing to the electric breakdown strength of others insulation gaps with the same thickness and constructed from the same main insulating materials but having the first interface at different position. The position ξopt is depended from the main insulating material and the value Ebmax is depending from the value ψ. These are giving in reasons that treeing is starting in the first layer from the main insulating material and the lengthening of the branches of the trees is affected from the value ψ. There is also an optimum value ψopt for the first interface forming at the ξopt position, at which the corresponding gap get the maximum value Ebmax comparing to the electric breakdown strength of others gaps with different value ψ at ξopt position, and this value of Ebmax may exceed 60% the electric breakdown strength of the gap without interface.