氢氩等离子体氢原子谱线的双峰拟合

栾伯晗，刘丽英，赵永蓬，赵卫疆，宁中喜

（1.黑龙江大学 电子工程学院，哈尔滨 150080；2.哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001）

0 引 言

随着能源危机日益临近，氢能作为一种重要的新能源，几十年来，国际上一直持续着氢能的研究热，而高能含氢等离子体的研究开拓了氢能研究的一个新领域。近十几年来，国际上相继报道的在含有氢气成分的混合气体等离子体中发现的特异光谱现象[1]（氢原子巴尔莫α线超常展宽），目前已经在多种放电机制上实现，包括高温白炽灯丝加热，射频激发和辉光放电等[2－4]，这些实验都预示了某种高能状态含氢等离子体的存在。2002年美国R.Mills等人完成了这种等离子体产生能量的测量实验，证明其单位质量的氢所释放的热焓值比氢氧燃烧高1个数量级[5]，这使其可能成为一种未来的新能源。

R.Mills于2000年提出了氢原子分数主量子数能级假说：氢原子可能存在更大的束缚能态，是在氢原子和特定的某些催化物（如Ar＋）发生能量共振转移反应后产生的，这些能态（分数能级）是：

目前国际上已经有一系列的实验证实了氢原子经催化反应后能够向分数能级跃迁，如果这种分数氢等离子体确实存在，它所产生的高能量将极大的解决人类能源问题，例如一个氢原子从n＝1到n＝1／2释放出的能量为40.8eV，远远超过一个氢原子与氧原子结合成水分子释放的能量（约1.25eV）。

1 实验方案及实验装置

含氢等离子体中发现的氢原子巴尔莫α线的超常展宽现象，在国际上的多种实验装置中得到了观测，并被加以研究。这些放电装置主要包括：尖状电极放电装置，空心阴极放电装置，波能放电装置等。我们采用空心阴极放电装置进行了氢氩放电等离子体的光谱研究，主要目的是验证氢原子谱线的超常展宽现象，以及通过光谱分析寻找这种谱线展宽的规律。

实验装置见图1，主要由空心阴极放电管，真空系统，供气系统，真空计，放电电源以及进行光谱测量的单色仪构成。实验过程中，先由真空泵将放电管抽成低真空，气压＜1Pa，然后从流量计的储气罐中向放电管注入事先混合好的氢氩混合气体，混合的比例是提前所设定的。用真空计监视放电管中的气压，调节流量计的注气阀门和真空泵的抽气阀门，使放电管中气压达到基本恒定的值，也就是管内的气压达到动态平衡，并维持一定的时间，保证流动的气体将原来管中的空气杂质带走。然后启动放电电源，使空心阴极达到稳定辉光放电，放电等离子体所发出的光经放电管前端的石英玻璃窗射出，经过透镜聚焦后耦合进单色仪导光光纤的端头，最后由单色仪扫描出氢原子的特定谱线。

图1 单管空心阴极气体放电管采集光谱示意图Fig.1 Experimental setup of discharge tube with single hollow cathode for collecting hydrogen spectrum

2 实验结果及讨论

在整个实验中采用单色仪扫描目标波长区间，得到谱线测量结果。实验条件：直流辉光放电，放电电压250～350V，放电电流0.1～1.0A，气压为250～500Pa。在这种实验条件下，理论和实验都表明，谱线展宽的机制主要是多普勒展宽，因此可以用多普勒展宽来计算氢原子的温度[3]。

2.1 实验探测到了氢原子巴尔莫α线的超常展宽

图2给出了氢原子巴尔莫α线的测量结果，实验条件：氢氩配比为1∶10，气压为220Pa，放电电压365V，放电电流0.2A。拟合的结果表明谱线的展宽达到了0.19nm，根据多普勒展宽计算的氢原子温度为14.6eV。同时对氩离子的谱线也进行了测量，结果氩离子谱线并没有任何展宽，说明氩离子温度仍为正常值，证明了氢氩等离子体中氢原子因为某种原因得到了加热，达到了很高的能量。这种加热机制明显不是目前已知的任何一种物理机制，因为已知的任何一种物理机制都无法解释为什么只有氢原子得到加热，并且也无法解释氢原子达到如此高能量的来源。这个结果表明，分数氢理论对于解释高能氢原子现象可能是一种适用的理论。

2.2 氢原子巴尔莫α线的高斯双峰拟合

对谱线测量的结果进行高斯线形拟合分析时发现，有的谱线明显可以拟合成两种温度组分的氢原子谱线的叠加，见图3，实验条件为：氢氩配比为1∶10，气压为220Pa，放电电压479V，放电电流0.3A。

由图3可见，实验测得的谱线可认为是两条高斯线形谱线的叠加，这两条高斯谱线的展宽不同，分别代表了两种能量的氢原子组分，一种是能量较低的，一种是能量较高的。经过计算表明，高能组分的谱线展宽达到了0.54nm，温度为118.4eV，低温组分的谱线展宽则为0.19nm，温度为14.6 eV。结果表明等离子体中氢原子并没有达到热平衡状态，高能氢原子源源不断的产生，并经过与其他低能氢原子碰撞加热了所有的氢原子，这也预示着氢氩等离子体中一定发生了某种效应，使得一部分符合条件的氢原子先得到很高的能量，之后通过碰撞使所有氢原子的能量升高。

2.3 双峰拟合能够得到更准确的谱线展宽结果

通过对氢原子谱线的高斯线形双峰拟合，表明了部分氢原子处于极高的能量状态，这个超高能量说明，针对于氢原子有某种效应发生并释放出了极大的能量。而且，这样的拟合分析能够更准确地判定氢原子的不同能量组分，有助于更好地理解氢原子反应的过程和机理，应该在实验中争取得到更多这样的谱线结果，通过这样的分析找到高能氢原子产生和演变规律。

3 结 论

1）利用单管空心阴极放电管探测到了氢原子巴尔莫α谱线的超常展宽（达到0.19nm），说明氢氩等离子体中存在高能氢原子。

2）对氢原子巴尔莫α谱线进行了高斯线形双峰拟合，表明氢原子可以分成高能和低能两种组分，氢氩等离子体中氢原子处于非平衡态，高能氢原子是来源于符合某种加热机制条件的部分氢原子所获得的能量，此现象更加预示了这种效应的存在。

3）通过谱线双峰拟合能够得到更准确的谱线展宽结果，同时也提供了理解高能氢原子产生和碰撞加热动力学过程的方法，后续的实验中应当在这方面进行更深入的研究。

[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.