- / -

- / -

- / -

- / -

Η μείωση της ρύπανσης των μονωτήρων εξωτερικών χώρων είναι ένα αντικείμενο το οποίο έχει απασχολήσει εκτεταμένα τους μηχανικούς λόγω των απαιτήσεων που υπάρχουν στην αποδοτική λειτουργία των μονωτήρων αυτών. Στην παρούσα διπλωματική δοκιμάστηκαν τέσσερα διαφορετικά υλικά (δυο πολυμερή και δυο κεραμικά) που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή τέτοιων μονωτήρων και μελετήθηκε η μεταβολή στην υδροφοβία της επιφάνειάς τους μετά από επεξεργασία αυτών από ψυχρό πλάσμα φθορανθράκων χαμηλής πίεσης. Παράλληλα έγιναν και ηλεκτρικές μετρήσεις σε πλάσμα Ο2 και CF4 προκειμένου να γίνουν γνωστές οι τιμές της τάσης και του ρεύματος κάτω από τις οποίες έγινε η επεξεργασία των επιφανειών. Πιο συγκεκριμένα: • Στο πρώτο κεφάλαιο έγινε μια εισαγωγή στους μονωτήρες εξωτερικών χώρων, κατάταξη αυτών με βάση τη θέση τους ως προς τους ηλεκτροφόρους αγωγούς αλλά και ως προς το υλικό κατασκευής τους. Έγινε επίσης παρουσίαση των επιπτώσεων της ρύπανσης των μονωτήρων αλλά και απαρίθμηση των μεθόδων αντιμετώπισης της. Τέλος, εξηγήθηκε η έννοια της υδροφοβίας και έγινε εισαγωγή στις ιδιότητες του πλάσματος φθορανθράκων. • Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφηκε αναλυτικά η διάταξη παραγωγής πλάσματος χαμηλής πίεσης καθώς επίσης και η διάταξη μέτρησης γωνιών επαφής. Παρατίθενται φωτογραφίες αλλά και πλήρης περιγραφή όλων των επιμέρους διατάξεων που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διπλωματική εργασία. • Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάστηκαν και αναλύθηκαν τα πειραματικά αποτελέσματα και μετρήσεις (ηλεκτρικές μετρήσεις και μετρήσεις γωνιών επαφής) που συλλέχθηκαν κατά την εκπόνηση της εργασία καθώς επίσης και γραφικές παραστάσεις για την ομαδοποίηση των δεδομένων. • Στο τέταρτο κεφάλαιο καταγράφηκαν τα συμπεράσματα στα οποία οδήγησε η παρούσα διπλωματική. / Reducing pollution in the surface of outdoor insulators is an issue that has occurred and has troubled lots of engineers due to strict requirements that should be met for specific insulators’ proper operation. In the present thesis, four different insulating materials (two polymerics and two ceramics) were tested and the change on their surface hydrophobic properties was studied. Furthermore, electrical measurements in O2 and CF4 plasma were taken so the values of the current and voltage under which this experiment has taken place, would be known. More specific: • In the first chapter, an introduction to outdoor insulators was made. They were classified according to their position regarding the conductors and their construction material. Also, the consequences of pollution and some ways of its control were presented. Lastly, there was explained the concept of hydrophobicity and the properties of fluorocarbon plasma. • In the second chapter, the vacuum system that was used to create low pressure, fluorocarbon plasma is analyzed as well as the device for measuring the contact angles of the samples. This detailed presentation is accompanied by photographs and full analysis of all the individual devices that were used in the present thesis. • In the third chapter, all the experimental results were presented and analyzed. The measurements (electrical and contact angles’) were plotted so that data would appear in groups. • In the forth chapter, all the conclusions of the present thesis were exported.

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.

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.

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.

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.