欒伯晗，劉麗英，趙永蓬，趙衛(wèi)疆，寧中喜

（1.黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院，哈爾濱 150080；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001）

0 引 言

隨著能源危機(jī)日益臨近，氫能作為一種重要的新能源，幾十年來，國際上一直持續(xù)著氫能的研究熱，而高能含氫等離子體的研究開拓了氫能研究的一個新領(lǐng)域。近十幾年來，國際上相繼報道的在含有氫氣成分的混合氣體等離子體中發(fā)現(xiàn)的特異光譜現(xiàn)象[1]（氫原子巴爾莫α線超常展寬），目前已經(jīng)在多種放電機(jī)制上實(shí)現(xiàn)，包括高溫白熾燈絲加熱，射頻激發(fā)和輝光放電等[2－4]，這些實(shí)驗(yàn)都預(yù)示了某種高能狀態(tài)含氫等離子體的存在。2002年美國R.Mills等人完成了這種等離子體產(chǎn)生能量的測量實(shí)驗(yàn)，證明其單位質(zhì)量的氫所釋放的熱焓值比氫氧燃燒高1個數(shù)量級[5]，這使其可能成為一種未來的新能源。

R.Mills于2000年提出了氫原子分?jǐn)?shù)主量子數(shù)能級假說：氫原子可能存在更大的束縛能態(tài)，是在氫原子和特定的某些催化物（如Ar＋）發(fā)生能量共振轉(zhuǎn)移反應(yīng)后產(chǎn)生的，這些能態(tài)（分?jǐn)?shù)能級）是：

目前國際上已經(jīng)有一系列的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了氫原子經(jīng)催化反應(yīng)后能夠向分?jǐn)?shù)能級躍遷，如果這種分?jǐn)?shù)氫等離子體確實(shí)存在，它所產(chǎn)生的高能量將極大的解決人類能源問題，例如一個氫原子從n＝1到n＝1／2釋放出的能量為40.8eV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一個氫原子與氧原子結(jié)合成水分子釋放的能量（約1.25eV）。

1 實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)裝置

含氫等離子體中發(fā)現(xiàn)的氫原子巴爾莫α線的超常展寬現(xiàn)象，在國際上的多種實(shí)驗(yàn)裝置中得到了觀測，并被加以研究。這些放電裝置主要包括：尖狀電極放電裝置，空心陰極放電裝置，波能放電裝置等。我們采用空心陰極放電裝置進(jìn)行了氫氬放電等離子體的光譜研究，主要目的是驗(yàn)證氫原子譜線的超常展寬現(xiàn)象，以及通過光譜分析尋找這種譜線展寬的規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)裝置見圖1，主要由空心陰極放電管，真空系統(tǒng)，供氣系統(tǒng)，真空計，放電電源以及進(jìn)行光譜測量的單色儀構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)過程中，先由真空泵將放電管抽成低真空，氣壓＜1Pa，然后從流量計的儲氣罐中向放電管注入事先混合好的氫氬混合氣體，混合的比例是提前所設(shè)定的。用真空計監(jiān)視放電管中的氣壓，調(diào)節(jié)流量計的注氣閥門和真空泵的抽氣閥門，使放電管中氣壓達(dá)到基本恒定的值，也就是管內(nèi)的氣壓達(dá)到動態(tài)平衡，并維持一定的時間，保證流動的氣體將原來管中的空氣雜質(zhì)帶走。然后啟動放電電源，使空心陰極達(dá)到穩(wěn)定輝光放電，放電等離子體所發(fā)出的光經(jīng)放電管前端的石英玻璃窗射出，經(jīng)過透鏡聚焦后耦合進(jìn)單色儀導(dǎo)光光纖的端頭，最后由單色儀掃描出氫原子的特定譜線。

圖1 單管空心陰極氣體放電管采集光譜示意圖Fig.1 Experimental setup of discharge tube with single hollow cathode for collecting hydrogen spectrum

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

在整個實(shí)驗(yàn)中采用單色儀掃描目標(biāo)波長區(qū)間，得到譜線測量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)條件：直流輝光放電，放電電壓250～350V，放電電流0.1～1.0A，氣壓為250～500Pa。在這種實(shí)驗(yàn)條件下，理論和實(shí)驗(yàn)都表明，譜線展寬的機(jī)制主要是多普勒展寬，因此可以用多普勒展寬來計算氫原子的溫度[3]。

2.1 實(shí)驗(yàn)探測到了氫原子巴爾莫α線的超常展寬

圖2給出了氫原子巴爾莫α線的測量結(jié)果，實(shí)驗(yàn)條件：氫氬配比為1∶10，氣壓為220Pa，放電電壓365V，放電電流0.2A。擬合的結(jié)果表明譜線的展寬達(dá)到了0.19nm，根據(jù)多普勒展寬計算的氫原子溫度為14.6eV。同時對氬離子的譜線也進(jìn)行了測量，結(jié)果氬離子譜線并沒有任何展寬，說明氬離子溫度仍為正常值，證明了氫氬等離子體中氫原子因?yàn)槟撤N原因得到了加熱，達(dá)到了很高的能量。這種加熱機(jī)制明顯不是目前已知的任何一種物理機(jī)制，因?yàn)橐阎娜魏我环N物理機(jī)制都無法解釋為什么只有氫原子得到加熱，并且也無法解釋氫原子達(dá)到如此高能量的來源。這個結(jié)果表明，分?jǐn)?shù)氫理論對于解釋高能氫原子現(xiàn)象可能是一種適用的理論。

2.2 氫原子巴爾莫α線的高斯雙峰擬合

對譜線測量的結(jié)果進(jìn)行高斯線形擬合分析時發(fā)現(xiàn)，有的譜線明顯可以擬合成兩種溫度組分的氫原子譜線的疊加，見圖3，實(shí)驗(yàn)條件為：氫氬配比為1∶10，氣壓為220Pa，放電電壓479V，放電電流0.3A。

由圖3可見，實(shí)驗(yàn)測得的譜線可認(rèn)為是兩條高斯線形譜線的疊加，這兩條高斯譜線的展寬不同，分別代表了兩種能量的氫原子組分，一種是能量較低的，一種是能量較高的。經(jīng)過計算表明，高能組分的譜線展寬達(dá)到了0.54nm，溫度為118.4eV，低溫組分的譜線展寬則為0.19nm，溫度為14.6 eV。結(jié)果表明等離子體中氫原子并沒有達(dá)到熱平衡狀態(tài)，高能氫原子源源不斷的產(chǎn)生，并經(jīng)過與其他低能氫原子碰撞加熱了所有的氫原子，這也預(yù)示著氫氬等離子體中一定發(fā)生了某種效應(yīng)，使得一部分符合條件的氫原子先得到很高的能量，之后通過碰撞使所有氫原子的能量升高。

2.3 雙峰擬合能夠得到更準(zhǔn)確的譜線展寬結(jié)果

通過對氫原子譜線的高斯線形雙峰擬合，表明了部分氫原子處于極高的能量狀態(tài)，這個超高能量說明，針對于氫原子有某種效應(yīng)發(fā)生并釋放出了極大的能量。而且，這樣的擬合分析能夠更準(zhǔn)確地判定氫原子的不同能量組分，有助于更好地理解氫原子反應(yīng)的過程和機(jī)理，應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)中爭取得到更多這樣的譜線結(jié)果，通過這樣的分析找到高能氫原子產(chǎn)生和演變規(guī)律。

3 結(jié) 論

1）利用單管空心陰極放電管探測到了氫原子巴爾莫α譜線的超常展寬（達(dá)到0.19nm），說明氫氬等離子體中存在高能氫原子。

2）對氫原子巴爾莫α譜線進(jìn)行了高斯線形雙峰擬合，表明氫原子可以分成高能和低能兩種組分，氫氬等離子體中氫原子處于非平衡態(tài)，高能氫原子是來源于符合某種加熱機(jī)制條件的部分氫原子所獲得的能量，此現(xiàn)象更加預(yù)示了這種效應(yīng)的存在。

3）通過譜線雙峰擬合能夠得到更準(zhǔn)確的譜線展寬結(jié)果，同時也提供了理解高能氫原子產(chǎn)生和碰撞加熱動力學(xué)過程的方法，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)當(dāng)在這方面進(jìn)行更深入的研究。

[1]Kuraica M，Konjevic N.Line shapes of atomic hydrogen in a plane-cathode abnormal glow discharge [J].Phys.Rev.A，1992，46：4429-4432.

[2]Mills R，Nansteel M，Ray P.Argon-hydrogen-strontium discharge light source [J].IEEE Transations on Plasma Science，2002，30（2）：639-652.

[3]Mills R，Ray P，Dhandapani B.Comparison of excessive balmerαline broadening of inductively and capacitively coupled RF，microwave，and glow-discharge hydrogen plasmas with certain catalysts [J].IEEE Trans.Plasma Sci.，2003，31（3）：338-355.

[4]Mills R，Chen X，Ray P.Plasma power source based on a catalytic reaction of atomic hydrogen measured by water bath calorimetry [J].Thermochimica Acta，2003，406：35-53.

[5]Mills R，Ray P，Dhandapani B.New power source from fractional quantum energy levels of atomic hydrogen that surpasses internal combustion [J].Journal of Molecular Structure，2002，643：43-54.