Automatyka, elektronika i elektrotechnika

Dyscyplina naukowa: Automatyka, elektronika i elektrotechnika

Temat: Możliwości zastosowania reaktorów plazmy niskotemperaturowej w medycynie i stomatologii

Topic: Appplication of low temperature plasma reactors in medicine and stomatology

Promotor: Dr hab. inż. Joanna Pawłat, profesor uczelni

Email: j.pawlat@pollub.pl

Opis

Podjęte interdyscyplinarne prace badawcze będą polegały na analizie możliwości zastosowania wyładowań elektrycznych do wybranych zastosowań w medycynie i stomatologii. Doktorant będzie brał udział w projektowaniu, budowaniu i analizie parametrów pracy reaktora zimnej plazmy. Kolejnym zadaniem będzie obróbka plazmowa wybranych substratów (np. zęby, tkanki, materiały implantacyjne) oraz zbadanie ich specyficznych atrybutów przy użyciu narzędzi dostępnych w Zakładzie Technologii Plazmowych i Energii Odnawialnej (mikroskopy optyczny, detektory gazów, analizatory parametrów cieczy, spektrofotometry: FTIR, UV-VIS, spektrofluorymetr, goniometr, komora laminarna, oscyloskopy i sondy prądowo-napięciowe, kamera szybka, itd.) Badania będą wykonywane przy współpracy z Uniwersytetem Medycznym w Lublinie i UMCS. Możliwość uczestnictwa w realizowanych przez zespół ZTPiEO grantach europejskich i krajowych oraz pracy w międzynarodowym zespole. 

Słowa kluczowe: Wyładowania elektryczne, plazma niskotemperaturowa, stomatologia, medycyna

Description:

Interdisciplinary research work will be focused on the possibility of using electrical discharges for selected medical and dentistry applications. The PhD student will take part in the design, building and analysis of atmospheric pressure plasma reactor operational parameters. The next task will be plasma treatment of selected substrates (i.e. teeth, tissues, implant materials) and investigation of their specific attributes using equipment available in Laboratory of Plasma Technology and Renewable Energy (optical microscopes, gas detectors, analyzers of liquid’s parameters, spectrophotometry: FTIR, UV-VIS, spectrofluorimeter, goniometer, laminar chamber, oscilloscopes and current-voltage probes, high-speed camera, etc.). Research will be carried out in cooperation with the Medical University in Lublin and UMCS; Candidate will have the opportunity to participate in European and national grants realized by LPTRE team and to work in an international team.

Keywords: electrical discharges, non thermal plasma, stomatology, medicine

Dyscyplina naukowa: Automatyka, elektronika i elektrotechnika

Temat: Wyładowania elektryczne dla potrzeb rolnictwa i przemysłu spożywczego

Topic: Electrical discharges for agriculture and food industry

Promotor: Dr hab. inż. Joanna Pawłat, profesor uczelni

Email: j.pawlat@pollub.pl

Opis

Podjęte interdyscyplinarne prace badawcze będą polegały na analizie możliwości zastosowania wyładowań elektrycznych w kondycjonowaniu żywności oraz w wybranych gałęziach rolnictwa. Doktorant będzie brał udział w projektowaniu, budowaniu i analizie parametrów pracy reaktora plazmowego do aplikacji w przemyśle spożywczym/rolnictwie. Kolejnym zadaniem będzie obróbka plazmowa wybranych substratów (m.in. biologicznych) oraz zbadanie ich specyficznych atrybutów przy użyciu narzędzi dostępnych w Zakładzie Technologii Plazmowych i Energii Odnawialnej (mikroskopy optyczny, detektory gazów, analizatory parametrów cieczy, spektrofotometry: FTIR, UV-VIS, spektrofluorymetr, goniometr, oscyloskopy i sondy prądowo-napięciowe, kamera szybka, itd.) Badania będą wykonywane przy współpracy z Uniwersytetem Przyrodniczym i UMCS, możliwość uczestnictwa w realizowanych przez zespół ZTPiEO grantach europejskich i pracy w międzynarodowym zespole. 

Słowa kluczowe: Wyładowania elektryczne, plazma niskotemperaturowa, obróbka żywności, kiełkowanie nasion

Description:

Interdisciplinary research work will be focused on the possibility of using electrical discharges in food conditioning and in selected branches of agriculture. The PhD student will take part in the design, building and analysis of plasma reactor operational parameters for application in the food/agriculture sector. The next task will be plasma treatment of selected substrates (including biological samples) and investigation of their specific attributes using equipment available in Laboratory of Plasma Technology and Renewable Energy (optical microscopes, gas detectors, analyzers of liquid’s parameters, spectrophotometry: FTIR, UV-VIS, spectrofluorimeter, goniometer, oscilloscopes and current-voltage probes, high-speed camera, etc.). Research will be carried out in cooperation with the University of Life Sciences in Lublin and UMCS; Candidate will have the opportunity to participate in European grants realized by LPTRE team and to work in an international team.

Keywords: Electrical discharges, non thermal plasma, processing of food, seed germination.

Dyscyplina naukowa: Automatyka, elektronika i elektrotechnika

Temat: Właściwości strukturalne i elektryczne nanokompozytów na bazie węgla

Topic: Structural and electrical properties of carbon-based nanocomposites

Promotor: Dr hab. inż. Tomasz N. Kołtunowicz, profesor uczelni

Email: t.koltunowicz@pollub.pl

Opis

Celem pracy będą badania wpływu składu chemicznego oraz właściwości strukturalnych na zmiennoprądowe właściwości elektryczne nanokompozytów na bazie węgla. Badania wytworzonych nanostruktur polegać będą na określeniu składu chemicznego i struktury oraz ich wpływu na parametry elektryczne. W skład nanokompozytów wchodzić będą węgliki metali (Ti, Zr), nieprzewodzące polimery (żywice epoksydowe), półprzewodniki (Si) oraz nanocząstki węglowe takie jak nanosadza, nanorurki węglowe oraz nanoproszki grafenowe. Materiały będą wytwarzane metodami dwuźródłowego rozpylania magnetronowego oraz poprzez zastosowanie technik mieszania ultradźwiękowego i hydromechanicznego. Pozwoli to na otrzymanie próbek o różnych właściwościach strukturalnych (nanopowłoka, jednorodny materiał). Analiza składu chemicznego badanych próbek zostanie wykonana za pomocą spektroskopii rentgenowskiej (EDS), która pozwoli na określenie zawartości poszczególnych faz w materiale. Struktura otrzymanych materiałów zostanie zbadana metodami skaningowej (SEM) oraz transmisyjnej (TEM) mikroskopii elektronowej oraz metodą spektrometrii mas jonów wtórnych (SIMS). W celu określenia właściwości elektrycznych badanych nanokompozytów wykonane zostaną pomiary zmiennoprądowych właściwości elektrycznych (rezystancja, pojemność, tangens kąta strat dielektrycznych, kąt przesunięcia fazowego) metodą spektroskopii impedancyjnej w zależności od rodzaju nanostruktury w układzie kondensatorowym lub po powierzchni (temperatura pomiarowa – 15 K-373 K, częstotliwość pomiarowa – 50 Hz-5 MHz). Określony zostanie wpływ wysokotemperaturowego wygrzewania na skład chemiczny nanokompozytów węglowych za pomocą analizy termograwimetrycznej (DSC i DTG). Właściwości elektryczne próbek będą badane po wytworzeniu oraz po wykonaniu ich wygrzewania. Określony zostanie wpływ zmian strukturalnych pod wpływem wygrzewania na właściwości elektryczne. Dokładna analiza poddanych badaniom nanokompozytów, w których składzie obecny będzie węgiel pozwoli na opracowanie praktycznych zastosowań tych materiałów w mikroelektronice (czujniki).

Słowa kluczowe: nanokompozyty, właściwości elektryczne, właściwości strukturalne, wygrzewanie

Description:

The aim of the work will be study the influence of chemical composition and structural properties on the alternating current properties of carbon-based nanocomposites. The study of the produced nanostructures will consist of the determination of the chemical composition and structure and their influence on electrical properties. Nanocomposites will consist of metal carbides (Ti, Zr), non-conductive polymers (epoxy resins), semiconductors (Si) and carbon nanoparticles such as nanocarbon, carbon nanotubes, and graphen nanopowders. The materials will be produced by a DC dual-source magnetron sputtering and by using ultrasonic and hydromechanical mixing techniques. This will allow obtaining samples of different structural properties (nanocoating, homogeneous material). Analysis of the chemical composition of the samples will be made 

by X-ray spectroscopy (EDS), which will allow determining their elemental composition. The structure of the obtained materials will be investigated by scanning (SEM) and transmission (TEM) electron microscopy and by secondary ion mass spectrometry (SIMS). In order to determine the electrical properties of the investigated nanocomposites, the measurements of alternating current electrical properties (resistance, capacitance, tangent of dielectric loss angle, phase shift angle) will be carried out by impedance spectroscopy method depending on the type of nanostructure in a capacitor configuration or on the surface (temperature range – 15 K-373 K, frequency range – 50 Hz-5 MHz). The effect of high-temperature annealing on the chemical composition of carbon-based nanocomposites will be determined by thermosgravimetric analysis (DSC and DTG). The electrical properties of the samples will be investigated after manufacturing as well as after annealing. 

The influence of structural changes under the annealing process on electrical properties will be determined. Precise analysis of the studied carbon-based nanocomposites will allow the develop practical applications of these materials in microelectronics (sensors).

Keywords: nanocomposites, electrical properties, structural properties, annealing

Dyscyplina naukowa: Automatyka, elektronika i elektrotechnika

Temat: Wpływ procesów technologicznych na właściwości elektryczne cienkowarstwowych struktur dielektrycznych na bazie tlenków i azotków

Topic: Influence of technological processes on the electrical properties of dielectric thin-film structures based on oxides and nitrides

Promotor: Dr hab. inż. Tomasz N. Kołtunowicz, profesor uczelni

Email: t.koltunowicz@pollub.pl

Opis

Tematyka badawcza dotyczy porównania zmiennoprądowych właściwości elektrycznych cienkowarstwowych struktur dielektrycznych wytworzonych metodą rozpylania magnetronowego. Prace będą obejmowały zaprojektowanie struktur na bazie azotków oraz tlenków o różnorodnych wymiarach geometrycznych zawierających różne materiały dodatkowe. Materiałami tymi będą metale diamagnetyczne lub paramagnetyczne o wysokiej konduktywności (np. Cu, Ti, Al), a także metale ferromagnetyczne (np. Fe, Co, NiFe). Planuje się proces osadzania struktur na co najmniej dwóch typach podłoży, tj. dielektrycznych oraz półprzewodnikowych.

W celu zbadania jakości i parametrów materiałowych wytworzonych struktur planuje się wykonanie:

• analizy składu chemicznego (spektroskopia dyspersji energii promieniowania X oraz spektroskopia fotoelektronów w zakresie promieniowania X);

• analizy strukturalnej do określenia m.in. stopnia krystalizacji materiału, rozmiarów ziaren, tekstury (np. rentgenografia strukturalna);

• analizy mikroskopowej przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego (określenie rozmiarów i kształtu ziaren przed i po wygrzewaniu).

 W ramach prac zostaną przeprowadzone zmiennoprądowe pomiary wielkości elektrycznych takich jak rezystancja, pojemność, kąt przesunięcia fazowego oraz tangens kąta strat dielektrycznych w funkcji temperatury pomiarowej z zakresu co najmniej od 15 K do 373 K. Spektroskopia impedancyjna jest uniwersalnym narzędziem do badania materiałów, którego zasada polega głównie na określeniu zależnej od częstotliwości zespolonej przenikalności dielektrycznej. Dostarcza również informacji o dynamice molekularnej, a także o ważnych parametrach materiałowych, takich jak statyczna przenikalność elektryczna, zmiennoprądowa przewodność elektryczna czy relaksacja dielektryczna. Uzyskane wyniki (eksperymentalne i teoretyczne) dadzą możliwości ich potencjalnego zastosowania praktycznego w przemyśle elektronicznym, w szczególności przy opracowywaniu przyrządów półprzewodnikowych, a także przy charakteryzowaniu materiałów izolacyjnych. 

Słowa kluczowe: spektroskopia impedancyjna, rozpylanie magnetronowe, właściwości elektryczne, struktury cienkowarstwowe

Description:

The research topic concerns the comparison of the AC electrical properties of thin-film dielectric structures produced by the magnetron sputtering method. The work will include the design of structures based on nitrides and oxides of various geometric dimensions and containing various additional materials. These materials will be diamagnetic or paramagnetic metals with high conductivity (eg Cu, Ti, Al) and also ferromagnetic metals (eg Fe, Co, NiFe). It is planned to deposit structures on at least two types of substrates, i.e. dielectric and semiconductor.

In order to examine the quality and material parameters of the manufactured structures, it is planned to perform:

• chemical composition analysis (X-ray energy dispersive spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy);

• structural analysis to determine, inter alia, the degree of crystallization of the material, grain size, texture (e.g. structural x-ray);

• microscopic analysis using a scanning electron microscope (determination of grain size and shape before and after annealing).

As part of the work, AC measurements of electrical parameters such as resistance, capacitance, phase shift angle, and the tangent of the dielectric loss angle as a function of the measurement temperature  ranging from at least 15 K to 373 K will be carried out. Impedance spectroscopy is a universal tool for the study of materials, the principle of which is to determine the frequency-dependent complex dielectric permittivity. It also provides information on molecular dynamics as well as important material parameters such as static electrical permittivity, AC electrical conductivity and dielectric relaxation. The obtained results (experimental and theoretical) will give the possibility of their potential practical application in the electronics industry, in particular in the development of semiconductor devices, as well as in the characterization of insulating materials.

Keywords: impedance spectroscopy, magnetron sputtering, electrical properties, thin-film structures

Dyscyplina naukowa: Automatyka, elektronika i elektrotechnika

Temat: Monitoring ciśnienia w próżniowych komorach gaszeniowych średniego napięcia

Topic: Pressure monitoring system in medium-voltage vacuum extinguishing chambers

Promotor: dr hab. inż. Paweł Węgierek, profesor uczelni

Email: p.wegierek@pollub.pl

Opis

Celem planowanych badań jest opracowanie i eksperymentalna weryfikacja systemu monitoringu on-line poziomu ciśnienia w próżniowych komorach gaszeniowych przeznaczonych do stosowania w aparaturze łączeniowej średniego napięcia (rozłączniki i wyłączniki) dedykowanej do sieci Smart Grid.

W ostatnich kilku latach nastąpił dynamiczny wzrost zainteresowania Operatorów Systemu Dystrybucyjnego stosowaniem próżniowej aparatury łączeniowej, głównie z uwagi na lepsze od innych rozwiązań (olej, SF6) parametry techniczne oraz potrzebę wyeliminowania szkodliwego dla środowiska sześciofluorku siarki, gazu dla którego wskaźnik GWP wynosi 22 200. Jedną z barier w pełnym wykorzystaniu zalet aparatury próżniowej, jest brak możliwości pomiaru wartości ciśnienia w komorach w czasie ich pracy. Ewentualne rozszczelnienie komór powoduje znacznie zmniejszenie wytrzymałości elektrycznej układu izolacyjnego wyłącznika / rozłącznika, a tym samym stwarza zagrożenie dla bezpiecznej eksploatacji sieci SN. Sprawdzenie sprawności aparatu wymaga jego wyizolowania i wykonania prób napięciowych, 

co wiąże się z przerwami w dystrybucji energii i pogorszeniem wskaźników jakościowych SAIDI i SAIFI.

Istota badań polega na wykorzystaniu światłowodowych siatek Bragga (FBG) wraz ze specjalnie w tym celu wykonanym układem przesłuchowym do opracowania systemu monitoringu poziomu próżni w trybie on-line. Czujniki fotoniczne oparte na FBG, mogą być stosowane w środowiskach niebezpiecznych, charakteryzują się małymi rozmiarami, dużą czułością na odkształcenia, odpornością na temperaturę i przede wszystkim na zakłócenia elektromagnetyczne. 

Te wszystkie cechy czynią je atrakcyjnymi elementami, które mogą zostać wykorzystane do monitorowania poziomu ciśnienia w komorach próżniowych, przewidzianych do zastosowania w wyłącznikach i rozłącznikach SN.

Prace będą prowadzone z wykorzystaniem dwóch specjalistycznych stanowisk. W pierwszym z nich obiektem badawczym będą komory próżniowe w wykonaniu specjalnym, z możliwością wielokrotnego wytwarzania próżni 

na poziomie 10-6 Pa. Drugie stanowisko, to unikalne rozwiązanie oparte o tzw. rozbieralną komorę próżniową, w której można umieścić głowicę pomiarową z czujnikiem FBG i rejestrować sygnały optyczne przy zmianie ciśnienia wymuszonej zestawem próżniowych pomp turbomolekuralnych oraz zmianie temperatury spowodowanej procesami łączeniowymi. Stanowiska badawcze są zasilane ze sterowanego automatycznie, wysokonapięciowego zestawu probierczego 50 kV.

Zakres badań zakłada opracowanie konstrukcji głowicy pomiarowej i sposobu jej montażu we wnętrzu komory próżniowej oraz przeprowadzenie pomiarów dla ciśnienia z zakresu od 10-6 Pa do około 105 Pa. Równolegle będą prowadzone pomiary wytrzymałości elektrycznej komór w celu określenia korelacji z ciśnieniem dla różnych konfiguracji układu stykowego i lokalizacji głowicy pomiarowej.

Planowane prace badawcze, w części symulacyjno-laboratoryjnej, będą prowadzone w Wydziałowym Laboratorium Aparatury Łączeniowej i Rozdzielczej, które dysponuje odpowiednimi zasobami technicznymi koniecznymi do ich realizacji.

Słowa kluczowe: monitoring ciśnienia, komory próżniowe, wytrzymałości elektryczne, światłowodowe siatki Bragga

Description:

The aim of the planned research is to develop and experimentally verify an on-line monitoring system of pressure levels in vacuum extinguishing chambers intended for use in medium-voltage switchgear (disconnectors and switches) dedicated to Smart Grid network.

In the last few years there has been a dynamic increase in interest of Distribution System Operators in the use of vacuum switchgear, mainly due to better technical parameters than other solutions (oil, SF6) and the need to eliminate environmentally harmful sulphur hexafluoride, a gas for which the GWP index is 22 200. One of the barriers to full use of the advantages of vacuum equipment is the inability to measure the pressure value in the chambers during their operation. A possible unsealing of the chambers results in a significant reduction of the electrical strength of the circuit breaker/disconnector insulation system, and thus poses a threat to the safe operation of MV networks. Checking the efficiency of the device requires its isolation and performing voltage tests, which is connected with breaks in energy distribution and deterioration of SAIDI and SAIFI power reliability indicators.

The essence of the research is to use Bragg Fiber Optic Grids (FBG) together with a system made especially for this purpose to develop an on-line vacuum level monitoring system. FBG-based photonic sensors can be used in hazardous environments and are characterized by their small size, high deformation sensitivity, resistance to temperature and above all to electromagnetic interference. All these features make them attractive elements that can be used to monitor the pressure level in vacuum chambers, intended for use in MV circuit breakers and disconnectors.

The work will be carried out using two specialist stands. In the first of them, the research object will be special vacuum chambers, with the possibility of multiple vacuum generation at 10-6 Pa. The second position is a unique solution based on the so-called demountable vacuum chamber, in which a measuring head with an FBG sensor can be placed and optical signals can be recorded when the pressure change caused by a set of turbo-molecular vacuum pumps and temperature change caused by switching processes. The test stands are powered from an automatically controlled 50 kV high voltage test set.

The range of tests assumes the development of the construction of the measuring head and the method of its installation inside the vacuum chamber, as well as measurements for pressures ranging from 10-6 Pa to about 105 Pa. In parallel, the electrical strength of the chambers will be measured in order to determine the correlation with pressure for different contact system configurations and the location of the measuring head.

The planned research works, in the simulation and laboratory part, will be carried out in the Departmental Laboratory of Switchgear and Distribution Equipment, which has adequate technical resources necessary for their implementation.

Keywords: pressure monitoring, vacuum chambers, electrical strength, fiber Bragg gratings