專利名稱：同軸空心陰極放電分數(shù)氫催化反應發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種同軸空心陰極放電分數(shù)氫催化反應發(fā)生器，屬于新型氫能源研究 領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
氫能源由于儲量巨大，而且清潔環(huán)保，被稱為無限可持續(xù)利用的未來能源，具有重 大的研究價值。目前對氫能的利用還局限在氫氧化學反應所釋放出的化學能。美國的一個 研究小組最新發(fā)現(xiàn)了氫的一種被稱為分數(shù)氫的特殊存在形式，分數(shù)氫是一種以隱藏狀態(tài)存 在的低能量氫，這種分數(shù)氫可以通過催化反應，也稱“黑光過程”產(chǎn)生，在氫向分數(shù)氫轉(zhuǎn)化的 過程會釋放出大量能量，該能量能超過氫氧化學反應釋放能量的200倍。目前美國的研究 團隊已經(jīng)接近了新型分數(shù)氫能源的應用開發(fā)階段，提出了可用于加熱、分布式發(fā)電和集中 發(fā)電的商用技術(shù)方案。這種分數(shù)氫能的最新利用技術(shù)將大大提高氫能的利用效率，無疑將 是氫能研究的重大突破，具有不可估量的應用價值。按照理論，分數(shù)氫是指比波爾氫原子模型的基態(tài)能級更大的束縛能級，這些能級 (分數(shù)能級)是
13 6eV 111 1 _4] K = l^n = -其中ρ為整數(shù)。分數(shù)氫是在氫原子和特定的某些催化物發(fā)生能量共振轉(zhuǎn)移反應后產(chǎn)生的，催化物 的條件是其具有反應的凈焓值約為疋二！^^？^^丨，其中?。?！為整數(shù)。當每一個催化物粒子 和氫原子相互作用時，氫原子便釋放出能量，并同時躍遷為分數(shù)能級的氫原子，即分數(shù)氫。 例如當采用He2氣作為催化物，由于從He1+到He2+的電離能是54. 417eV，也就是m = 2，則 它和氫原子的反應式為54A\7eV + He1+ + H[a0] ^ He2++ +//[^] + 108.8eF (二)；由上式可以看出，氫原子經(jīng)過和He1+離子的催化反應，從基態(tài)躍遷到了《 = |能級， 同時釋放出108. 8eV的能量?？招年帢O放電是目前采用的一種用來獲取分數(shù)氫的技術(shù)手段，它是將氫氣與催化 反應氣體以一定的比例混合后，通過空心陰極放電形成等離子體，該等離子體中含有解離 的氫原子和起催化作用的離子，這兩種粒子即為進行分數(shù)氫反應的反應粒子，反應粒子之 間的碰撞會生成分數(shù)氫，同時釋放出能量。對這種分數(shù)氫能的釋放，可通過等離子體溫度的 升高、氫原子溫度的大幅度升高及氫原子密度的增加等現(xiàn)象進行判斷。一股采用氫原子特 征譜線的多普勒展寬來測量氫原子溫度，通過譜線的展寬程度來判斷分數(shù)氫反應的強度。 實驗表明，增加等離子體的密度和溫度是提高分數(shù)氫反應強度的有效手段。由于空心陰極 放電屬于輝光放電，放電電流很低，限制了對等離子體輸入能量的提高，從而無法進一步提高等離子體的溫度，由此造成分數(shù)氫反應的強度較低。實驗數(shù)據(jù)表明，空心陰極放電的電流 只能達到0. 1-0. 2A，在此電流下進行分數(shù)氫反應，氫原子溫度最高只能達到IOeV左右。由 此需要找到一種方法，來提高空心陰極放電等離子體的密度和溫度，來有效提高分數(shù)氫反 應強度，獲得更大的能量釋放。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有采用空心陰極放電方式來獲取分數(shù)氫，由于無法實 現(xiàn)對等離子體密度和溫度的提高，致使分數(shù)氫反應強度低的問題，提供一種同軸空心陰極 放電分數(shù)氫催化反應發(fā)生器。本發(fā)明所述同軸空心陰極放電分數(shù)氫催化反應發(fā)生器，它包括反應真空管，它還 包括雙筒式陰極、單筒式陽極、支架和四個鎢桿接線柱，雙筒式陰極和單筒式陽極均位于反應真空管內(nèi)，并與反應真空管同軸設(shè)置，雙筒 式陰極的底端伸入單筒式陽極的上端口內(nèi)或與單筒式陽極的上端口相對設(shè)置，單筒式陽極下底面的中心開有陽極圓孔，單筒式陽極側(cè)壁的相對方向位置處分別 設(shè)置一個側(cè)壁通孔，所述側(cè)壁通孔內(nèi)分別穿入并密封固定一個鎢桿接線柱，并且所述鎢桿 接線柱穿透所述反應真空管的側(cè)壁引出至反應真空管的外部；雙筒式陰極外筒的上底面中心具有外陰極孔，雙筒式陰極的內(nèi)筒從所述外陰極孔 處伸入并與外筒密封固定，所述內(nèi)筒的上端位于外筒之外，并且與支架的一端固定連接；所 述支架的另一端與兩個鎢桿接線柱固定連接，所述兩個鎢桿接線柱穿過所述反應真空管的 上底面引出至反應真空管的外部。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明用于空心陰極放電機制產(chǎn)生分數(shù)氫的裝置中，相比于傳 統(tǒng)的空心陰極放電裝置，本發(fā)明采用了同軸雙筒結(jié)構(gòu)的陰極，這種雙筒式陰極由于外筒的 屏蔽作用，當放電在內(nèi)筒激發(fā)時，能有效防止陰極內(nèi)筒的濺射和蒸發(fā)，并屏蔽內(nèi)筒的熱輻 射，使內(nèi)筒等離子體溫度大大提高，同時也大幅度提高了放電電流，由此，等離子體的溫度 及密度都得到大幅度提高，使分數(shù)氫催化反應得到有效加強。將采用本發(fā)明所述發(fā)生器與采用現(xiàn)有單筒空心陰極放電裝置分別進行的分數(shù)氫 催化反應相對比，在相同的放電電壓和氣壓下，本發(fā)明裝置有效地提高了分數(shù)氫催化反應 的放電電流，以及等離子體的溫度和密度，結(jié)果使分數(shù)氫催化反應得到增強；同時也降低了 啟動放電的氣壓，使分數(shù)氫催化反應能在更低的氣壓下進行。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明所述的雙筒式陰極與單筒式陽極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為采用現(xiàn)有單筒空心陰極放電分數(shù)氫催化反應發(fā)生器獲取分數(shù)氫的過程中 得到的氫原子巴爾莫α譜線展寬圖；圖4為采用本發(fā)明所述發(fā)生器獲取分數(shù)氫的過程中得到的氫原子巴爾莫α譜線 展寬圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結(jié)合圖1圖2說明本實施方式，本實施方式所述同軸空心陰 極放電分數(shù)氫催化反應發(fā)生器，它包括反應真空管1，它還包括雙筒式陰極2、單筒式陽極 3、支架4和四個鎢桿接線柱5，雙筒式陰極2和單筒式陽極3均位于反應真空管1內(nèi)，并與反應真空管1同軸設(shè)置， 雙筒式陰極2的底端伸入單筒式陽極3的上端口內(nèi)或與單筒式陽極3的上端口相對設(shè)置，單筒式陽極3下底面的中心開有陽極圓孔3-1，單筒式陽極3側(cè)壁的相對方向位置 處分別設(shè)置一個側(cè)壁通孔，所述側(cè)壁通孔內(nèi)分別穿入并密封固定一個鎢桿接線柱5，并且所 述鎢桿接線柱5穿透所述反應真空管1的側(cè)壁引出至反應真空管1的外部；雙筒式陰極2外筒2-1的上底面中心具有外陰極孔2-11，雙筒式陰極2的內(nèi)筒2-2 從所述外陰極孔2-11處伸入并與外筒2-1密封固定，所述內(nèi)筒2-2的上端位于外筒2-1之 外，并且與支架4的一端固定連接；所述支架4的另一端與兩個鎢桿接線柱5固定連接，所 述兩個鎢桿接線柱5穿過所述反應真空管1的上底面引出至反應真空管1的外部?，F(xiàn)有普通的空心陰極放電裝置為單筒結(jié)構(gòu)，它容易引起陰極物質(zhì)濺射和蒸發(fā)，使 啟動放電的電壓閾值過高以及等離子體溫度較低。本實施方式所述的同軸空心陰極放電分 數(shù)氫催化反應發(fā)生器，其雙筒式陰極2的外筒2-1可以起到阻擋陰極物質(zhì)濺射和蒸發(fā)的作 用，并且外筒2-1可以屏蔽內(nèi)筒2-2，使內(nèi)筒2-2的溫度增加到很高的值。本發(fā)明裝置的四個鎢桿接線柱5由金屬鎢制成并密封在石英玻璃管中，其既作為 支撐桿，又是連接電源的接線柱；單筒式陽極3通過兩個鎢桿接線柱5分別連接電源的正極 和負極，雙筒式陰極2通過另外兩個鎢桿接線柱5分別連接電源的正極和負極。單筒式陽極3下底面的中心的陽極圓孔3-1，用于通過等離子體光輻射，其光譜由 單色儀進行探測。
具體實施方式
二 下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式是對實施方式一的 進一步限定，所述單筒式陽極3呈圓臺形，并且所述單筒式陽極3的上底面的半徑小于下底 面的半徑。其它組成及連接關(guān)系與實施方式一相同。
具體實施方式
三下面結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式為對實施方式 二的進一步限定，所述雙筒式陰極2的外筒2-1與內(nèi)筒2-2伸入外筒2-1內(nèi)的部分均為圓 臺形，并且所述圓臺形的上底面的半徑大于下底面的半徑，內(nèi)筒2-2的上底面中心開有內(nèi) 陰極孔2-22。其它組成及連接關(guān)系與實施方式二相同。
具體實施方式
四下面結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式為對實施方式 三的進一步限定，內(nèi)筒2-2的位于外筒2-1內(nèi)部的側(cè)壁上均勻分布多個流通孔2-21。其它 組成及連接關(guān)系與實施方式三相同。本實施方式所述的雙筒式陰極2結(jié)構(gòu)，能夠增加化學反應過程中的機械壓縮效 應等離子電弧在圓臺形雙筒式陰極2中行進時，其弧柱可被強迫縮??；當帶電粒子流在雙筒式陰極2所形成的空間內(nèi)運動，可將其看作是電流在一束平 行“導線”中運動，由于其自身磁場所產(chǎn)生的電磁力，使這些“導線”互相吸引靠近，等離子 弧柱由上至下被壓縮，因此增強了電磁壓縮效應。機械壓縮效應也能同時增強其電磁壓縮 效應。在內(nèi)筒2-2的側(cè)壁上均勻分布多個流通孔2-21，會更有利于內(nèi)筒2_2與外筒2_1之間的氣體混合，并增加內(nèi)筒2-2與反應氣體之間的接觸面積，更加有利于放電的進行。由 于流通孔2-21的設(shè)計，當放電在內(nèi)筒2-2與外筒2-1之間進行，內(nèi)筒2-2變的很熱時，放電 會更容易轉(zhuǎn)移到內(nèi)筒2-2中，以至產(chǎn)生熱電子發(fā)射。在內(nèi)筒2-2的上底面中心開有內(nèi)陰極孔2-22，它的作用是在引起內(nèi)筒2_2熱量 極少量散失的情況下，使氣體經(jīng)過上面的內(nèi)陰極孔2-22，從而增加內(nèi)筒2-2的反應原料。
具體實施方式
五下面結(jié)合圖1、圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式是對實 施方式一、二、三或四的進一步說明，所述反應真空管1的上段側(cè)壁上具有進氣口 1-1，所述 反應真空管1的下段側(cè)壁上分別具有出氣口 1-2和真空探測器接口 1-3。其它組成及連接 關(guān)系與實施方式一、二、三或四相同。本實施方式中的進氣口 1-1用于連接注氣系統(tǒng)，真空探測器接口 1-3用于連接真 空探測器。工作原理及工作過程首先將反應真空管1用真空泵抽真空，使其內(nèi)達到氣壓0. IPa以下；然后由進氣口 1-1向反應真空管1充入氬氣，調(diào)節(jié)充氣流量使反應真空管1內(nèi)氣壓達到200Pa至300Pa之 間的動態(tài)平衡，此時再向反應真空管1充入氫氣，按照氫氣與氬氣為10 1的比例調(diào)節(jié)氣 流流量，達到在原來的氣壓上增加20至30Pa，使氫氣與氬氣的摩爾數(shù)比為10 1。將與單筒式陽極3連接的兩個鎢桿接線柱5分別連接到直流電源的正、負電極上， 將與支架4連接的另外兩個鎢桿接線柱5也分別連接到直流電源的正、負電極上，打開所述 直流電源并調(diào)節(jié)其輸出電壓值為逐漸升高，直到雙筒式陰極2內(nèi)形成穩(wěn)定放電。放電的過程首先在雙筒式陰極2外筒2-1形成放電，隨著外筒2-1對內(nèi)筒2-2的 屏蔽作用，內(nèi)筒2-2的溫度不斷積聚上升，內(nèi)筒2-2的加熱作用明顯，發(fā)射電子的能力顯著 增強，放電便逐漸轉(zhuǎn)移到內(nèi)筒2-2中進行，內(nèi)筒2-2區(qū)域最后形成很高溫度、密度的等離子 體，發(fā)出很強的輻射光。放電過程中能量的釋放主要通過監(jiān)測氫原子巴爾莫α譜線的展寬來驗證，譜線 越寬說明氫原子熱運動的速度越快，溫度越高。當放電達到最大強度時，利用透鏡將通過石 英觀察窗透射出來的光聚焦耦合進光纖中，并輸入到單色儀進行譜線測量，得到氫原子巴 爾莫α譜線的輪廓特性，判斷分數(shù)氫反應進行的強度。如圖3和圖4所示，其中獲取圖3的實驗條件為放電電壓400V，放電電流0. 1Α， 實驗結(jié)果譜線展寬為0. 14nm，表明氫原子溫度約為7. 6eV ；獲取圖4的實驗條件為放電電壓390V，放電電流5A，實驗結(jié)果譜線展寬為 0. 25nm，表明氫原子溫度約為23. 4eV。由此表明，采用本發(fā)明裝置獲取分數(shù)氫，使分數(shù)氫反 應得到大大加強。上述實驗結(jié)果證明，在基本相同的放電電壓下，本發(fā)明與現(xiàn)有單筒空心陰極放電 分數(shù)氫催化反應發(fā)生器相比，其陰極放電的放電電流增大了約50倍，分數(shù)氫催化反應明顯 增強，并且反應結(jié)果使氫原子溫度達到單筒結(jié)構(gòu)空心陰極放電氫原子溫度的3倍。另外，本 發(fā)明除了能夠增強分數(shù)氫反應，還能夠有效降低啟動放電的氣壓，單筒結(jié)構(gòu)陰極的最低啟 動放電氣壓為270Pa，而本發(fā)明裝置陰極的最低啟動放電氣壓僅為50Pa，這樣就擴展了分 數(shù)氫催化反應條件的范圍，為實驗研究的深入創(chuàng)造了更多空間。
權(quán)利要求
一種同軸空心陰極放電分數(shù)氫催化反應發(fā)生器，它包括反應真空管(1)，其特征在于它還包括雙筒式陰極(2)、單筒式陽極(3)、支架(4)和四個鎢桿接線柱(5)，雙筒式陰極(2)和單筒式陽極(3)均位于反應真空管(1)內(nèi)，并與反應真空管(1)同軸設(shè)置，雙筒式陰極(2)的底端伸入單筒式陽極(3)的上端口內(nèi)或與單筒式陽極(3)的上端口相對設(shè)置，單筒式陽極(3)下底面的中心開有陽極圓孔(3 1)，單筒式陽極(3)側(cè)壁的相對方向位置處分別設(shè)置一個側(cè)壁通孔，所述側(cè)壁通孔內(nèi)分別穿入并密封固定一個鎢桿接線柱(5)，并且所述鎢桿接線柱(5)穿透所述反應真空管(1)的側(cè)壁引出至反應真空管(1)的外部；雙筒式陰極(2)外筒(2 1)的上底面中心具有外陰極孔(2 11)，雙筒式陰極(2)的內(nèi)筒(2 2)從所述外陰極孔(2 11)處伸入并與外筒(2 1)密封固定，所述內(nèi)筒(2 2)的上端位于外筒(2 1)之外，并且與支架(4)的一端固定連接；所述支架(4)的另一端與兩個鎢桿接線柱(5)固定連接，所述兩個鎢桿接線柱(5)穿過所述反應真空管(1)的上底面引出至反應真空管(1)的外部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同軸空心陰極放電分數(shù)氫催化反應發(fā)生器，其特征在于所 述單筒式陽極(3)呈圓臺形，并且所述單筒式陽極(3)的上底面的半徑小于下底面的半徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的同軸空心陰極放電分數(shù)氫催化反應發(fā)生器，其特征在于所 述雙筒式陰極(2)的外筒(2-1)與內(nèi)筒(2-2)伸入外筒(2-1)內(nèi)的部分均為圓臺形，并且 所述圓臺形的上底面的半徑大于下底面的半徑，內(nèi)筒(2-2)的上底面中心開有內(nèi)陰極孔 (2-22)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的同軸空心陰極放電分數(shù)氫催化反應發(fā)生器，其特征在于內(nèi) 筒(2-2)的位于外筒(2-1)內(nèi)部的側(cè)壁上均勻分布多個流通孔(2-21)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的同軸空心陰極放電分數(shù)氫催化反應發(fā)生器，其特征 在于所述反應真空管(1)的上段側(cè)壁上具有進氣口(1-1)，所述反應真空管(1)的下段側(cè) 壁上分別具有出氣口(1-2)和真空探測器接口(1-3)。
全文摘要
同軸空心陰極放電分數(shù)氫催化反應發(fā)生器，屬于新型氫能源研究領(lǐng)域。它解決了現(xiàn)有采用空心陰極放電方式來獲取分數(shù)氫，由于無法實現(xiàn)對等離子體密度和溫度的提高，致使分數(shù)氫反應強度低的問題。它雙筒式陰極和單筒式陽極均位于反應真空管內(nèi)并與其同軸設(shè)置，雙筒式陰極的底端伸入單筒式陽極的上端口內(nèi)或與其上端口相對設(shè)置，單筒式陽極下底面的中心開有陽極圓孔，單筒式陽極側(cè)壁上分別固定連接一個鎢桿接線柱；雙筒式陰極的內(nèi)筒從外筒的上底面中心外陰極孔處伸入并與外筒密封固定，內(nèi)筒上端位于外筒之外并與支架一端固定連接，支架的另一端與兩個鎢桿接線柱固定連接，兩個鎢桿接線柱穿過所述反應真空管的上底面。本發(fā)明裝置用于反應獲取分數(shù)氫。
文檔編號B01J19/08GK101992052SQ20101052431
公開日2011年3月30日 申請日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者喬增熙, 于達仁, 欒伯晗 申請人:黑龍江大學