CN101992052A - 同轴空心阴极放电分数氢催化反应发生器 - Google Patents

Abstract

同轴空心阴极放电分数氢催化反应发生器，属于新型氢能源研究领域。它解决了现有采用空心阴极放电方式来获取分数氢，由于无法实现对等离子体密度和温度的提高，致使分数氢反应强度低的问题。它双筒式阴极和单筒式阳极均位于反应真空管内并与其同轴设置，双筒式阴极的底端伸入单筒式阳极的上端口内或与其上端口相对设置，单筒式阳极下底面的中心开有阳极圆孔，单筒式阳极侧壁上分别固定连接一个钨杆接线柱；双筒式阴极的内筒从外筒的上底面中心外阴极孔处伸入并与外筒密封固定，内筒上端位于外筒之外并与支架一端固定连接，支架的另一端与两个钨杆接线柱固定连接，两个钨杆接线柱穿过所述反应真空管的上底面。本发明装置用于反应获取分数氢。

Description

同轴空心阴极放电分数氢催化反应发生器

技术领域

本发明涉及一种同轴空心阴极放电分数氢催化反应发生器，属于新型氢能源研究领域。

背景技术

氢能源由于储量巨大，而且清洁环保，被称为无限可持续利用的未来能源，具有重大的研究价值。目前对氢能的利用还局限在氢氧化学反应所释放出的化学能。美国的一个研究小组最新发现了氢的一种被称为分数氢的特殊存在形式，分数氢是一种以隐藏状态存在的低能量氢，这种分数氢可以通过催化反应，也称“黑光过程”产生，在氢向分数氢转化的过程会释放出大量能量，该能量能超过氢氧化学反应释放能量的200倍。目前美国的研究团队已经接近了新型分数氢能源的应用开发阶段，提出了可用于加热、分布式发电和集中发电的商用技术方案。这种分数氢能的最新利用技术将大大提高氢能的利用效率，无疑将是氢能研究的重大突破，具有不可估量的应用价值。

按照理论，分数氢是指比波尔氢原子模型的基态能级更大的束缚能级，这些能级(分数能级)是：

$E_n=\frac{13.6\mathrm{eV}}{n^2}$ $n=\frac{1}{2},\frac{1}{3},\frac{1}{4},...,\frac{1}{p}$ (一)；

其中p为整数。

分数氢是在氢原子和特定的某些催化物发生能量共振转移反应后产生的，催化物的条件是其具有反应的净焓值约为：E＝m·(27.2eV)，其中m为整数。当每一个催化物粒子和氢原子相互作用时，氢原子便释放出能量，并同时跃迁为分数能级的氢原子，即分数氢。例如当采用He₂气作为催化物，由于从He¹⁺到He²⁺的电离能是54.417eV，也就是m＝2，则它和氢原子的反应式为：

(二)；

由上式可以看出，氢原子经过和He¹⁺离子的催化反应，从基态跃迁到了能级，同时释放出108.8eV的能量。

空心阴极放电是目前采用的一种用来获取分数氢的技术手段，它是将氢气与催化反应气体以一定的比例混合后，通过空心阴极放电形成等离子体，该等离子体中含有解离的氢原子和起催化作用的离子，这两种粒子即为进行分数氢反应的反应粒子，反应粒子之间的碰撞会生成分数氢，同时释放出能量。对这种分数氢能的释放，可通过等离子体温度的升高、氢原子温度的大幅度升高及氢原子密度的增加等现象进行判断。一股采用氢原子特征谱线的多普勒展宽来测量氢原子温度，通过谱线的展宽程度来判断分数氢反应的强度。实验表明，增加等离子体的密度和温度是提高分数氢反应强度的有效手段。由于空心阴极放电属于辉光放电，放电电流很低，限制了对等离子体输入能量的提高，从而无法进一步提高等离子体的温度，由此造成分数氢反应的强度较低。实验数据表明，空心阴极放电的电流只能达到0.1-0.2A，在此电流下进行分数氢反应，氢原子温度最高只能达到10eV左右。由此需要找到一种方法，来提高空心阴极放电等离子体的密度和温度，来有效提高分数氢反应强度，获得更大的能量释放。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有采用空心阴极放电方式来获取分数氢，由于无法实现对等离子体密度和温度的提高，致使分数氢反应强度低的问题，提供一种同轴空心阴极放电分数氢催化反应发生器。

本发明所述同轴空心阴极放电分数氢催化反应发生器，它包括反应真空管，它还包括双筒式阴极、单筒式阳极、支架和四个钨杆接线柱，

双筒式阴极和单筒式阳极均位于反应真空管内，并与反应真空管同轴设置，双筒式阴极的底端伸入单筒式阳极的上端口内或与单筒式阳极的上端口相对设置，

单筒式阳极下底面的中心开有阳极圆孔，单筒式阳极侧壁的相对方向位置处分别设置一个侧壁通孔，所述侧壁通孔内分别穿入并密封固定一个钨杆接线柱，并且所述钨杆接线柱穿透所述反应真空管的侧壁引出至反应真空管的外部；

双筒式阴极外筒的上底面中心具有外阴极孔，双筒式阴极的内筒从所述外阴极孔处伸入并与外筒密封固定，所述内筒的上端位于外筒之外，并且与支架的一端固定连接；所述支架的另一端与两个钨杆接线柱固定连接，所述两个钨杆接线柱穿过所述反应真空管的上底面引出至反应真空管的外部。

本发明的优点是：本发明用于空心阴极放电机制产生分数氢的装置中，相比于传统的空心阴极放电装置，本发明采用了同轴双筒结构的阴极，这种双筒式阴极由于外筒的屏蔽作用，当放电在内筒激发时，能有效防止阴极内筒的溅射和蒸发，并屏蔽内筒的热辐射，使内筒等离子体温度大大提高，同时也大幅度提高了放电电流，由此，等离子体的温度及密度都得到大幅度提高，使分数氢催化反应得到有效加强。

将采用本发明所述发生器与采用现有单筒空心阴极放电装置分别进行的分数氢催化反应相对比，在相同的放电电压和气压下，本发明装置有效地提高了分数氢催化反应的放电电流，以及等离子体的温度和密度，结果使分数氢催化反应得到增强；同时也降低了启动放电的气压，使分数氢催化反应能在更低的气压下进行。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明所述的双筒式阴极与单筒式阳极的结构示意图；

图3为采用现有单筒空心阴极放电分数氢催化反应发生器获取分数氢的过程中得到的氢原子巴尔莫α谱线展宽图；

图4为采用本发明所述发生器获取分数氢的过程中得到的氢原子巴尔莫α谱线展宽图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1图2说明本实施方式，本实施方式所述同轴空心阴极放电分数氢催化反应发生器，它包括反应真空管1，它还包括双筒式阴极2、单筒式阳极3、支架4和四个钨杆接线柱5，

双筒式阴极2和单筒式阳极3均位于反应真空管1内，并与反应真空管1同轴设置，双筒式阴极2的底端伸入单筒式阳极3的上端口内或与单筒式阳极3的上端口相对设置，

单筒式阳极3下底面的中心开有阳极圆孔3-1，单筒式阳极3侧壁的相对方向位置处分别设置一个侧壁通孔，所述侧壁通孔内分别穿入并密封固定一个钨杆接线柱5，并且所述钨杆接线柱5穿透所述反应真空管1的侧壁引出至反应真空管1的外部；

双筒式阴极2外筒2-1的上底面中心具有外阴极孔2-11，双筒式阴极2的内筒2-2从所述外阴极孔2-11处伸入并与外筒2-1密封固定，所述内筒2-2的上端位于外筒2-1之外，并且与支架4的一端固定连接；所述支架4的另一端与两个钨杆接线柱5固定连接，所述两个钨杆接线柱5穿过所述反应真空管1的上底面引出至反应真空管1的外部。

现有普通的空心阴极放电装置为单筒结构，它容易引起阴极物质溅射和蒸发，使启动放电的电压阈值过高以及等离子体温度较低。本实施方式所述的同轴空心阴极放电分数氢催化反应发生器，其双筒式阴极2的外筒2-1可以起到阻挡阴极物质溅射和蒸发的作用，并且外筒2-1可以屏蔽内筒2-2，使内筒2-2的温度增加到很高的值。

本发明装置的四个钨杆接线柱5由金属钨制成并密封在石英玻璃管中，其既作为支撑杆，又是连接电源的接线柱；单筒式阳极3通过两个钨杆接线柱5分别连接电源的正极和负极，双筒式阴极2通过另外两个钨杆接线柱5分别连接电源的正极和负极。

单筒式阳极3下底面的中心的阳极圆孔3-1，用于通过等离子体光辐射，其光谱由单色仪进行探测。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一的进一步限定，所述单筒式阳极3呈圆台形，并且所述单筒式阳极3的上底面的半径小于下底面的半径。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

具体实施方式三：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式二的进一步限定，所述双筒式阴极2的外筒2-1与内筒2-2伸入外筒2-1内的部分均为圆台形，并且所述圆台形的上底面的半径大于下底面的半径，内筒2-2的上底面中心开有内阴极孔2-22。其它组成及连接关系与实施方式二相同。

具体实施方式四：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式三的进一步限定，内筒2-2的位于外筒2-1内部的侧壁上均匀分布多个流通孔2-21。其它组成及连接关系与实施方式三相同。

本实施方式所述的双筒式阴极2结构，能够增加化学反应过程中的机械压缩效应：等离子电弧在圆台形双筒式阴极2中行进时，其弧柱可被强迫缩小；

当带电粒子流在双筒式阴极2所形成的空间内运动，可将其看作是电流在一束平行“导线”中运动，由于其自身磁场所产生的电磁力，使这些“导线”互相吸引靠近，等离子弧柱由上至下被压缩，因此增强了电磁压缩效应。机械压缩效应也能同时增强其电磁压缩效应。

在内筒2-2的侧壁上均匀分布多个流通孔2-21，会更有利于内筒2-2与外筒2-1之间的气体混合，并增加内筒2-2与反应气体之间的接触面积，更加有利于放电的进行。由于流通孔2-21的设计，当放电在内筒2-2与外筒2-1之间进行，内筒2-2变的很热时，放电会更容易转移到内筒2-2中，以至产生热电子发射。

在内筒2-2的上底面中心开有内阴极孔2-22，它的作用是：在引起内筒2-2热量极少量散失的情况下，使气体经过上面的内阴极孔2-22，从而增加内筒2-2的反应原料。

具体实施方式五：下面结合图1、图3和图4说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一、二、三或四的进一步说明，所述反应真空管1的上段侧壁上具有进气口1-1，所述反应真空管1的下段侧壁上分别具有出气口1-2和真空探测器接口1-3。其它组成及连接关系与实施方式一、二、三或四相同。

本实施方式中的进气口1-1用于连接注气系统，真空探测器接口1-3用于连接真空探测器。

工作原理及工作过程：

首先将反应真空管1用真空泵抽真空，使其内达到气压0.1Pa以下；然后由进气口1-1向反应真空管1充入氩气，调节充气流量使反应真空管1内气压达到200Pa至300Pa之间的动态平衡，此时再向反应真空管1充入氢气，按照氢气与氩气为10∶1的比例调节气流流量，达到在原来的气压上增加20至30Pa，使氢气与氩气的摩尔数比为10∶1。

将与单筒式阳极3连接的两个钨杆接线柱5分别连接到直流电源的正、负电极上，将与支架4连接的另外两个钨杆接线柱5也分别连接到直流电源的正、负电极上，打开所述直流电源并调节其输出电压值为逐渐升高，直到双筒式阴极2内形成稳定放电。

放电的过程：首先在双筒式阴极2外筒2-1形成放电，随着外筒2-1对内筒2-2的屏蔽作用，内筒2-2的温度不断积聚上升，内筒2-2的加热作用明显，发射电子的能力显著增强，放电便逐渐转移到内筒2-2中进行，内筒2-2区域最后形成很高温度、密度的等离子体，发出很强的辐射光。

放电过程中能量的释放主要通过监测氢原子巴尔莫α谱线的展宽来验证，谱线越宽说明氢原子热运动的速度越快，温度越高。当放电达到最大强度时，利用透镜将通过石英观察窗透射出来的光聚焦耦合进光纤中，并输入到单色仪进行谱线测量，得到氢原子巴尔莫α谱线的轮廓特性，判断分数氢反应进行的强度。

如图3和图4所示，其中获取图3的实验条件为：放电电压400V，放电电流0.1A，实验结果谱线展宽为0.14nm，表明氢原子温度约为7.6eV；

获取图4的实验条件为：放电电压390V，放电电流5A，实验结果谱线展宽为0.25nm，表明氢原子温度约为23.4eV。由此表明，采用本发明装置获取分数氢，使分数氢反应得到大大加强。

上述实验结果证明，在基本相同的放电电压下，本发明与现有单筒空心阴极放电分数氢催化反应发生器相比，其阴极放电的放电电流增大了约50倍，分数氢催化反应明显增强，并且反应结果使氢原子温度达到单筒结构空心阴极放电氢原子温度的3倍。另外，本发明除了能够增强分数氢反应，还能够有效降低启动放电的气压，单筒结构阴极的最低启动放电气压为270Pa，而本发明装置阴极的最低启动放电气压仅为50Pa，这样就扩展了分数氢催化反应条件的范围，为实验研究的深入创造了更多空间。

Claims (5)

1.一种同轴空心阴极放电分数氢催化反应发生器，它包括反应真空管(1)，其特征在于：它还包括双筒式阴极(2)、单筒式阳极(3)、支架(4)和四个钨杆接线柱(5)，

双筒式阴极(2)和单筒式阳极(3)均位于反应真空管(1)内，并与反应真空管(1)同轴设置，双筒式阴极(2)的底端伸入单筒式阳极(3)的上端口内或与单筒式阳极(3)的上端口相对设置，

单筒式阳极(3)下底面的中心开有阳极圆孔(3-1)，单筒式阳极(3)侧壁的相对方向位置处分别设置一个侧壁通孔，所述侧壁通孔内分别穿入并密封固定一个钨杆接线柱(5)，并且所述钨杆接线柱(5)穿透所述反应真空管(1)的侧壁引出至反应真空管(1)的外部；

双筒式阴极(2)外筒(2-1)的上底面中心具有外阴极孔(2-11)，双筒式阴极(2)的内筒(2-2)从所述外阴极孔(2-11)处伸入并与外筒(2-1)密封固定，所述内筒(2-2)的上端位于外筒(2-1)之外，并且与支架(4)的一端固定连接；所述支架(4)的另一端与两个钨杆接线柱(5)固定连接，所述两个钨杆接线柱(5)穿过所述反应真空管(1)的上底面引出至反应真空管(1)的外部。

2.根据权利要求1所述的同轴空心阴极放电分数氢催化反应发生器，其特征在于：所述单筒式阳极(3)呈圆台形，并且所述单筒式阳极(3)的上底面的半径小于下底面的半径。

3.根据权利要求2所述的同轴空心阴极放电分数氢催化反应发生器，其特征在于：所述双筒式阴极(2)的外筒(2-1)与内筒(2-2)伸入外筒(2-1)内的部分均为圆台形，并且所述圆台形的上底面的半径大于下底面的半径，内筒(2-2)的上底面中心开有内阴极孔(2-22)。

4.根据权利要求3所述的同轴空心阴极放电分数氢催化反应发生器，其特征在于：内筒(2-2)的位于外筒(2-1)内部的侧壁上均匀分布多个流通孔(2-21)。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的同轴空心阴极放电分数氢催化反应发生器，其特征在于：所述反应真空管(1)的上段侧壁上具有进气口(1-1)，所述反应真空管(1)的下段侧壁上分别具有出气口(1-2)和真空探测器接口(1-3)。

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