Scientific and Technological Advancements in Microwave and Radiofrequency Engineering: from Safety in Food Heating and in Bioelectromagnetics to Assisted Chemical Processing

The research activity carried out during the Ph. D. course can be divided in several sub-topics related to radiofrequency and microwave engineering. The projects are characetrized by different aims, technical-scientific complexities and application sectors. All the projects can be gathered by the same physical aspects which characterize the studied phenomena. The common background is related to dielectric polarization due to alternating electric field in resonant or propagation conditions. Particular attention was turned to phenomenological theory and numerical computing. The findings of the current work can be useful for microwave oven users and manufacturers, since safety implications on responsible use and design are provided. A theoretical mechanistic understanding of arcing in microwave ovens is given, analysing electromagnetics, heat-transfer, moisture-transfer and electrodynamics, in an unified framework. Findings related to bioelectromagnetics can facilitate the CE marking approval of an inovative equipment to treat patients subjected to Disfunctional Tear Syndrome. Based on the obatined data, physicians can define new protocols in terms of length and intensity of the electromagnetic stimulation under safe conditions. Regarding chemical processes that are assisted by microwave radiation, a rigourous demonstration that solid-state technology improves the quality of the heating pattern with respect to magnetron based technology is provided. An original probabilistic algorithm to pilot solid-state based reactors was developed and tested to show the improved capabilities in terms of uniform heating with respect to traditional techniques.

L'attività svolta durante il corso di dottorato di ricerca può essere suddivisa in diversi sottotemi relativi alla radiofrequenza e all'ingegneria delle microonde. I progetti sono caratterizzati da diversi obiettivi, complessità tecnico-scientifiche e settori applicativi. Tutti i progetti possono essere raccolti dagli stessi aspetti fisici che caratterizzano i fenomeni studiati. Lo sfondo comune è legato alla polarizzazione dielettrica dovuta al campo elettrico alternato in condizioni di risonanza o di propagazione. Particolare attenzione è stata rivolta alla teoria fenomenologica e al calcolo numerico. I risultati del lavoro corrente possono essere utili per gli utenti di forni a microonde e anche per i produttori, dal momento che vengono fornite le implicazioni di sicurezza sull'uso responsabile e sulla progettazione. Viene fornita una comprensione teorica meccanicistica della scarica nei forni a microonde, analizzando elettromagnetismo, trasferimento di calore, trasferimento di umidità ed elettrodinamica, in un quadro unificato. I risultati nell'ambito bioelettromagnetico possono facilitare l'approvazione del marchio CE di un'apparecchiatura innovativa per il trattamento di pazienti soggetti a sindrome lacrimale disfunzionale. Sulla base dei dati ottenuti, i medici possono definire nuovi protocolli in termini di lunghezza e intensità della stimolazione elettromagnetica in condizioni di sicurezza. Per quanto riguarda i processi chimici assistiti dalle radiazioni a microonde, viene fornita una dimostrazione rigorosa che la tecnologia a stato solido migliora la qualità del modello di riscaldamento rispetto alla tecnologia basata su magnetron. Un algoritmo probabilistico originale per pilotare reattori a stato solido è stato sviluppato e testato per mostrare le migliorate capacità in termini di riscaldamento uniforme rispetto alle tecniche tradizionali.