氫氬等離子體氫原子譜線的雙峰擬合

欒伯晗，劉麗英，趙永蓬，趙衛(wèi)疆，寧中喜

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

0 引 言

隨著能源危機日益臨近，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)在多種放電機制上實現(xiàn)，包括高溫白熾燈絲加熱，射頻激發(fā)和輝光放電等[2－4]，這些實驗都預示了某種高能狀態(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)生能量的測量實驗，證明其單位質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年提出了氫原子分數(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)生能量共振轉移反應后產(chǎn)生的，這些能態(tài)（分數(shù)能級）是：

目前國際上已經(jīng)有一系列的實驗證實了氫原子經(jīng)催化反應后能夠向分數(shù)能級躍遷，如果這種分數(shù)氫等離子體確實存在，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，遠遠超過一個氫原子與氧原子結合成水分子釋放的能量（約1.25eV）。

1 實驗方案及實驗裝置

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，在國際上的多種實驗裝置中得到了觀測，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行了氫氬放電等離子體的光譜研究，主要目的是驗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。

實驗裝置見圖1，主要由空心陰極放電管，真空系統(tǒng)，供氣系統(tǒng)，真空計，放電電源以及進行光譜測量的單色儀構成。實驗過程中，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，使放電管中氣壓達到基本恒定的值，也就是管內(nèi)的氣壓達到動態(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帶走。然后啟動放電電源，使空心陰極達到穩(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單色儀導光光纖的端頭，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 實驗結果及討論

在整個實驗中采用單色儀掃描目標波長區(qū)間，得到譜線測量結果。實驗條件：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。在這種實驗條件下，理論和實驗都表明，譜線展寬的機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 實驗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線的測量結果，實驗條件：氫氬配比為1∶10，氣壓為220Pa，放電電壓365V，放電電流0.2A。擬合的結果表明譜線的展寬達到了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行了測量，結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為某種原因得到了加熱，達到了很高的能量。這種加熱機制明顯不是目前已知的任何一種物理機制，因為已知的任何一種物理機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到如此高能量的來源。這個結果表明，分數(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

對譜線測量的結果進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，實驗條件為：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，實驗測得的譜線可認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。結果表明等離子體中氫原子并沒有達到熱平衡狀態(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，這也預示著氫氬等離子體中一定發(fā)生了某種效應，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確的譜線展寬結果

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的過程和機理，應該在實驗中爭取得到更多這樣的譜線結果，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 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制條件的部分氫原子所獲得的能量，此現(xiàn)象更加預示了這種效應的存在。

3）通過譜線雙峰擬合能夠得到更準確的譜線展寬結果，同時也提供了理解高能氫原子產(chǎn)生和碰撞加熱動力學過程的方法，后續(xù)的實驗中應當在這方面進行更深入的研究。

[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.