Μικροκύματα υψηλής ισχύος και ανάπτυξη πλάσματος σε αέρια

Abstract

This doctoral thesis presents a theoretical and experimental investigation of the interaction between microwaves and gases, focusing on gas ionization and plasma formation and their effects on the electrical and chemical properties of the gases. This study is considered an intermediate step toward the broader objective of developing multifunctional high-power microwave industrial devices. The study was organized into two areas of application:1.Ionization and plasma development in exhaust gas treatment systems aiming to modify the chemical composition of exhaust gases and reduce the harmful pollutants contained in them. The exposure of exhaust gases to microwave radiation results in the transfer of high kinetic energy into free electrons, which, by impinging on neutral unexcited atoms and molecules of the irradiated gases, can lead to the production of new free electrons, positive ions and the initiation of chemical processes that modify their chemical composition.The research focused on theoretical and experimental studies aimed at:a.optimizing the coupling of the microwave field to the exhaust gases to enhance energy transfer to free electrons, which induce molecular excitation, ionization, and dissociation through inelastic collisions, thereby initiating the desired chemical reactions for pollutant conversion;b.establishing and maintaining ionization and non-thermal plasma formation in high-flow exhaust streams; andc.assessing the feasibility of removing gaseous pollutants, including nitrogen oxides (NO and NO2), emitted by diesel engines.According to the above, a microwave resonant cavity was designed and fabricated with standard WR-340 waveguide elements to be used as an experimental Non-Thermal Plasma Reactor (NTPR). The cavity was constructed using straight waveguide sections of WR-340 waveguide together with an H-plane T-junction. The active microwave source is connected to the transverse arm of T-junction and the standing wave (SW) is formed in the longitudinal direction of the cavity. The microwave feed source was a Magnetron at 2.47 GHz with a maximum output power of 3 kW CW and 10 kW Pulsed (5 kW is possible by using Magic T).Initially, the microwave cavity was studied using circuit theory and transmission lines theory, while numerical calculations were performed using MATLAB. Next, a full-wave electromagnetic analysis of the microwave cavity was performed using CST Studio Suite software. According to the results of the theoretical study, two microwave cavities were constructed for pulsed and CW operation. The reason for the two different cavities lies in the fact that in pulsed source mode, the operating frequency is 2.47 GHz while in CW mode it is 2.46 GHz. Due to the high-Q resonant cavity, one cavity cannot cover this difference in active source operating frequency.The experiments made it easily apparent that CW operation of the source, depending on the level of output power, either does not affect the exhaust gas pollutants from diesel engines at all (low power levels), or significantly increases their temperature and NOx concentration (high power levels).After that, experiments were carried out with pulsed operation and output power of 10 kW, which showed results similar to those of High-Power CW experiments. This led us to reduce the output power of the source to 5 kW, using a Magic Tee. At this output power, experiments were performed with a fixed duty cycle and with a variable duty cycle.In the fixed duty cycle experiments, it was shown that there are some optimal combinations of pulse duration and PRF that favour the reduction of nitrogen oxides. However, only a limited reduction in NOx concentration was achieved.In the experiments with a variable duty cycle, two approaches regarding the microwave manipulation were carried out. The first approach involved operating the source at high PRF to induce an increase in nitric oxide, followed by a gradual reduction of the PRF (retreat phase). This tactic demonstrated a temporary reduction but relatively quickly the NOx returned to the original values without microwaves. The second approach was based on an "ignite–retreat" scheme. Specifically, by applying a high PRF for a very short time we caused an increase in NOx and then with a lower PRF we were able to reduce NOx well below their initial values. As soon as the nitrogen oxides showed a tendency to increase, we repeated the "ignite–retreat". This operating pattern was consistent and repeatable. Under the "ignite–retreat" operating scheme, a 12–15% reduction in NO concentration was recorded. Although the reduction was modest, to the best of the author’s knowledge, this study reports the first systematic reduction in NOx concentration in diesel exhaust gas containing 16–18% oxygen achieved exclusively through microwave excitation, without supplementary treatment using an electron beam, plasma jet, or chemical reagents.The thesis also investigates the use of gas discharge tubes (GDTs) as switching elements in high-power microwave devices, including microwave pulse compressors (MPCs). Upon gas breakdown, plasma formation within the GDT increases the electrical conductivity of the gas, thereby altering the effective electrical dimensions of the resonant microwave cavity and initiating the discharge phase. As a result, the stored electromagnetic (EM) energy is released as a short-duration, high-power microwave pulse. The proposed research emphasizes the theoretical and experimental investigation of the ionization process and plasma formation within the GDT in order to understand the interaction between the EM field and the ionized particles and to derive design guidelines for the optimal fabrication and operation of GDTs. The ultimate objective is the development of an optimized, repetitively operated GDT plasma switch with high switching speed, low switching losses, and reliable operation under high pulse repetition rates.A microwave pulse compressor was designed and fabricated using standard WR-340 waveguide components. The cavity was constructed using straight waveguide sections of WR-340 waveguide together with an H-plane T-junction. In the transverse arm of T-junction and at a distance of λg/4 from the short circuit (SC) a GDT with outer diameter 12 mm was positioned. The GDT was filled with dry air at 3 Torr. Experiments were conducted using a Magnetron operating at 2.47 GHz with a peak output power of 10 kW.In particular, a methodology is presented to derive a time-dependent conductivity model for GDT by comparing simulated data with compressed pulse data from experiments. The derived GDT model was subsequently applied to representative MPC geometries to investigate their effect on the compressed-pulse waveform and to demonstrate that the optimal steady-state design does not necessarily yield the highest peak amplitude under transient conditions. Simulation results with CST Studio Suite have shown that a relatively accurate representation of the compressed pulse shape of an active MPC can be obtained by assuming a step function profile for the effective conductivity of the GDT upon activation, especially when the rise time of the conductivity to its maximum value is taken into account. An even more accurate representation of the compressed pulse can be obtained by carefully fitting the time profile of the effective conductivity of the GDT, based on the experimentally recorded pulses associated with the MPC of interest.In addition, this methodology was used to design and develop an experimental setup and process the results in order to experimentally estimate the time-dependent reflection coefficient of the GDT, taking into account various design parameters such as gas type, flow rate, pressure level and GDT diameter. For such an application, accurate GDT simulation with a known conductivity profile is crucial to verify the validity of the results processing method. Such validation cannot be performed directly during the experiment because the actual time-dependent reflection coefficient of the GDT is not independently known.Subsequently, a microwave pulse compressor was designed and implemented at 1.3 GHz with standard WR-650 waveguide components, targeting to develop the necessary background for optimization of both external triggering and self-breakdown GDT operation modes. The investigation explores how design and operational factors influence the GDT timing and reflectivity properties. The parameters considered include:•diameter of Gas Discharge Tube (DGDT, mm)•gas type (dry air or nitrogen)•gas flow rate (high or low flow, sccm)•gas pressure (Torr)•pulse width (PW, μs)•pulse repetition frequency (PRF, Hz)The research methodology adopts a stepwise approach. The timing characteristics were investigated first, followed by the reflectivity characteristics under operating conditions associated with timely GDT discharge. The study focuses on tube outer diameters from 8 to 14 mm, recognizing that these design variations may critically affect the breakdown characteristics. Operational variables significantly impact GDT functionality. Gas type selection determines the baseline for breakdown voltage and recovery time, while gas flow and pressure levels create different ionization environments. These interconnected parameters are analyzed to identify optimal configurations across operating modes. This evaluation reveals how component-level design choices affect the overall system performance, providing insights for improved microwave pulse compression applications.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στη διεξαγωγή μιας θεωρητικής και πειραματικής μελέτης με αντικείμενο την αλληλεπίδραση μικροκυμάτων και αερίων, τον ιονισμό των αερίων και την ανάπτυξη πλάσματος για την τροποποίηση των ηλεκτρικών ή/και των χημικών χαρακτηριστικών τους. Αυτή η μελέτη θεωρείται ως ένα ενδιάμεσο βήμα στο πλαίσιο της επίτευξης ενός ευρύτερου στόχου που αφορά την ανάπτυξη πολυχρηστικών μικροκυματικών βιομηχανικών συσκευών υψηλής ισχύος.Η έρευνα οργανώθηκε σε δύο πεδία εφαρμογής:1.Στον ιονισμό και την ανάπτυξη πλάσματος σε διατάξεις επεξεργασίας καυσαερίων με σκοπό την τροποποίηση της χημικής τους σύνθεσης και τη μείωση των επιβλαβών ρύπων που εμπεριέχονται σε αυτά.Η σχετική έρευνα εστίασε στη θεωρητική και πειραματική μελέτη προκειμένου:α.να βελτιστοποιηθεί η σύζευξη του μικροκυματικού πεδίου με τα καυσαέρια, ώστε να ενισχυθεί η μεταφορά ενέργειας στα ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία, μέσω ανελαστικών κρούσεων, προκαλούν διέγερση, ιονισμό και διάσπαση των μορίων, εκκινώντας τις επιθυμητές χημικές διεργασίες μετατροπής των αέριων ρύπων,β.να επιτευχθούν και να διατηρηθούν συνθήκες ιονισμού και ανάπτυξης μη θερμικού πλάσματος σε χώρους με υψηλή ροή καυσαερίων, και τελικάγ.να διερευνηθεί η δυνατότητα αφαίρεσης αέριων ρύπων, όπως είναι τα οξείδια του αζώτου (NOx), δηλαδή του μονοξειδίου του αζώτου (NO) και διοξειδίου του αζώτου (NO2), τα οποία παράγονται από κινητήρες ντίζελ.Στο πλαίσιο της μελέτης, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε μια συντονισμένη μικροκυματική κοιλότητα με τυποποιημένα στοιχεία κυματοδηγού WR-340, προκειμένου να χρησιμοποιηθεί ως πειραματικός αντιδραστήρας μη θερμικού πλάσματος (Non-Thermal Plasma Reactor, NTPR). Η μικροκυματική πηγή που χρησιμοποιήθηκε ήταν μια Magnetron με μέγιστη ισχύ εξόδου σε λειτουργία συνεχούς κύματος (Continuous Wave, CW) 3 kW και σε παλμική λειτουργία (pulsed) 10 kW (δυνατότητα εφαρμογής 5 kW στον NTPR με χρήση μαγικού Τ). Στις δοκιμές συνεχούς κύματος (Continuous Wave, CW), η εφαρμογή υψηλών επιπέδων ισχύος οδήγησε σε αύξηση της θερμοκρασίας των καυσαερίων και των συγκεντρώσεων NOx. Αντίστοιχη συμπεριφορά παρατηρήθηκε στην παλμική λειτουργία για μεγάλες διάρκειες παλμού (Pulse Width, PW). Αντίθετα, η χαμηλή ισχύς CW ή οι παλμοί μικρής διάρκειας και ανεπαρκούς ενέργειας δεν προκάλεσαν μετρήσιμη μεταβολή στις συγκεντρώσεις NOx. Στο πλαίσιο αυτό, αποδείχτηκε ότι ανάλογα με το διαθέσιμο επίπεδο ισχύος υπάρχει μια βέλτιστη διάρκεια παλμού. Επιπλέον, για κάθε διάρκεια παλμού υπάρχει μια βέλτιστη τιμή συχνότητας επανάληψης παλμού (Pulse Repetition Frequency, PRF) που επιτυγχάνει μείωση των NOx. Η βέλτιστη τιμή PRF εξαρτάται από τη διάρκεια του παλμού και στα πειράματά μας εντοπίστηκε μια συστηματική τάση: η βέλτιστη τιμή PRF λαμβάνει υψηλότερες τιμές όσο ο παλμός γίνεται μικρότερος.Ένα εναλλακτικό σχήμα για τη βελτίωση της απόδοσης της μείωσης των NOx, για ένα δεδομένο επίπεδο ισχύος, είναι η εφαρμογή παλμικών μικροκυματικών κυματομορφών με μεταβαλλόμενο κύκλο λειτουργίας (duty cycle, DC). Ενδεικτικά, η επεξεργασία των καυσαερίων μπορεί να πραγματοποιείται αρχικά με υψηλή συχνότητα επανάληψης παλμών και στη συνέχεια με σταδιακή μείωσή της. Ειδικότερα, για ισχύ τροφοδοσίας 5 kW και διάρκεια παλμού 7 μs εφαρμόστηκε το περιοδικό σχήμα «Πυροδότηση–Υποχώρηση». Κατά τη φάση πυροδότησης εφαρμόζεται υψηλή τιμή PRF, ενώ στη φάση της υποχώρησης χρησιμοποιείται χαμηλότερη τιμή PRF. Με αυτό το σχήμα, επιτεύχθηκε μείωση του NO κατά 12–15 %, ενώ το NO2 μειώθηκε έως και 10 % για σύντομα χρονικά διαστήματα. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφική ανασκόπηση του συγγραφέα, στην παρούσα εργασία επιτυγχάνεται για πρώτη φορά μείωση των NOₓ παρουσία 16–18 % οξυγόνου (O2), αποκλειστικά με τη χρήση μικροκυμάτων, χωρίς συνδυασμό με άλλες μεθόδους, όπως δέσμη ηλεκτρονίων, πίδακα πλάσματος (plasma jet) ή χημικά αντιδραστήρια. 2.Στη χρήση φιαλιδίων εκκένωσης αερίου (Gas Discharge Tubes, GDTs) ως στοιχείων μεταγωγής (switching elements) σε διατάξεις μικροκυμάτων υψηλής ισχύος, όπως είναι οι διατάξεις συμπίεσης μικροκυματικών παλμών (Microwave Pulse Compression, MPC), των οποίων η λειτουργία βασίζεται στη χρήση μικροκυματικών κοιλοτήτων αποθήκευσης ενέργειας. Το GDT λειτουργεί ως διακόπτης μεταγωγής, ο οποίος ενεργοποιείται με τη διάσπαση του αερίου και τον σχηματισμό αγώγιμου πλάσματος. Ο ιονισμός του αερίου διακόπτει τη φάση αποθήκευσης της ηλεκτρομαγνητικής (ΗΜ) ενέργειας στη συντονισμένη μικροκυματική κοιλότητα και εκκινεί τη φάση εκφόρτισης, κατά την οποία η αποθηκευμένη ενέργεια απελευθερώνεται με τη μορφή παλμού μικρής διάρκειας και εξαιρετικά υψηλής ισχύος. Η παρούσα έρευνα εστίασε στη θεωρητική και πειραματική μελέτη της διαδικασίας ιονισμού και της δημιουργίας πλάσματος εντός του GDT, προκειμένου να κατανοηθεί η αλληλεπίδραση του ΗΜ πεδίου με τα ιονισμένα σωματίδια και να προσδιοριστούν οι παράμετροι που επηρεάζουν τον σχεδιασμό και τη λειτουργία του GDT και του MPC.Στο πλαίσιο του δεύτερου ερευνητικού άξονα, ένας συμπιεστής μικροκυματικών παλμών (Microwave Pulse Compressor, MPC) σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε με τυποποιημένα στοιχεία κυματοδηγού WR-340. Η μικροκυματική πηγή που χρησιμοποιήθηκε ήταν μια Magnetron στα 2,47 GHz με ισχύ εξόδου 10 kW (παλμική λειτουργία). Μελετήθηκε μεθοδολογία εξαγωγής ενός χρονικά μεταβαλλόμενου μοντέλου ενεργής αγωγιμότητας του GDT, μέσω της σύγκρισης των αποτελεσμάτων προσομοίωσης με τους συμπιεσμένους παλμούς που καταγράφηκαν πειραματικά. Στη συνέχεια, το μοντέλο εφαρμόστηκε σε ενδεικτικές γεωμετρικές διαμορφώσεις, προκειμένου να διερευνηθεί η επίδραση της γεωμετρίας του MPC στη μορφή των συμπιεσμένων παλμών. Αποδείχθηκε ότι ο βέλτιστος σχεδιασμός υπό συνθήκες μόνιμης κατάστασης (steady state) δεν παράγει κατ’ ανάγκην τον συμπιεσμένο παλμό με το μέγιστο πλάτος υπό συνθήκες μεταβατικής κατάστασης (transient state). Τα αποτελέσματα προσομοίωσης έδειξαν ότι μπορεί να επιτευχθεί μια σχετικά ακριβής αναπαράσταση της μορφής του συμπιεσμένου παλμού ενός ενεργού MPC με την παραδοχή ενός προφίλ βηματικής συνάρτησης για την ενεργή αγωγιμότητα του GDT κατά την ενεργοποίησή του, ιδίως όταν λαμβάνεται υπόψη ο χρόνος ανόδου της αγωγιμότητας προς τη μέγιστη τιμή της.Στη συνέχεια σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένας συμπιεστής μικροκυματικών παλμών στα 1,3 GHz με σκοπό τη διερεύνηση της επίδρασης των παραμέτρων σχεδιασμού και λειτουργίας στις ιδιότητες χρονισμού και ανακλαστικότητας του GDT. Ειδικότερα, εξετάστηκαν οι ακόλουθες παράμετροι:•η διάμετρος του φιαλιδίου εκκένωσης αερίου (DGDT, mm) •ο τύπος του αερίου (ξηρός αέρας ή άζωτο)•ο ρυθμός ροής του αερίου (υψηλή ή χαμηλή ροή, sccm) •η πίεση του αερίου (Torr) •η διάρκεια του παλμού τροφοδοσίας της κοιλότητας (PW, μs)•η συχνότητα επανάληψης του παλμού (PRF, Hz) Η κοιλότητα σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε με τυποποιημένα στοιχεία κυματοδηγού WR-650 και για πηγή τροφοδοσίας χρησιμοποιήθηκε μια γεννήτρια σημάτων με διαμορφωτή σήματος και έναν ενισχυτή λυχνίας οδεύοντος κύματος υψηλής ισχύος (Traveling-Wave Tube Amplifier, TWTA) στα 1 kW. Η μεθοδολογία της έρευνας διαρθρώνεται σε δύο διαδοχικά στάδια: αρχικά εξετάζονται οι ιδιότητες χρονισμού του GDT και, στη συνέχεια, τα χαρακτηριστικά ανακλαστικότητάς του. Τα αποτελέσματα της έρευνας αναδεικνύουν σημαντικές πτυχές της λειτουργίας του GDT τόσο σε καθεστώς αυτοδιάσπασης όσο και υπό εξωτερική ενεργοποίηση.