近日,理学院周虎博士带领“原子分子构筑及电磁兼容性”研究团队联合兰州大学、西安交通大学、兰州城市学院兰州大学第二医院、中陕核陕西秦洲核与辐射安全技术有限公司和中陕核（西安）中子科技有限公司等科研团队在负离子转化研究领域取得新进展，在美国化学协会(ACS)旗下的权威期刊《The Journal of Physical Chemistry A》在线发表了题为“Significantly Large Negative Ion Formation in Grazing Scattering of Neutral Deuterium and Tritium Atoms from a CsI(100) Surface[J. Phys. Chem. A,129,6815–6824(2025)]”的学术论文。论文以西安工程大学为第一署名单位,理学院硕士研究生王艺清为第一作者,西安工程大学理学院周虎博士、兰州城市学院电子工程学院王光毅副教授和兰州大学核科学与技术学院陈熙萌教授为该论文的共同第一通讯作者。
核聚变反应因其高产能，近乎零污染等优势可被认为是能源领域的“圣杯”，目前研究最多的是D/T核聚变，在该核聚变中，需要可控、高能（MeV）、强流（MÅ）、定向、稳定的中性D0原子束用于燃料注入和大的聚变等离子体加热，对于MeV能量的中性D0原子束，由于其速度大于氢原子的基态电子轨道速度，不能用D+离子中和直接获得。需要先转化为D-离子束，再加速到MeV能量并剥离产生MeV的中性D0原子束。目前，通常采用溅射负离子源和表面散射负离子源产生D-/T-离子束,为了增大离子源引出负离子束流强,需要向离子源中注入铯用以降低材料表面功函来增大电子俘获几率,进而实现显著增大离子源引出负离子束流强的目的。
在本研究中，团队提出一种创新性策略：将离子源引出的低能、强流、定向、稳定的D+/T+离子束通过Mg气室中性化得到低能、强流、定向、稳定的中性D0/T0原子束,再将该D0/T0原子束掠散射绝缘离子晶体CsI(100)面,从而得到高产额D-/T-离子转化并引出得到可控、低能、强流、定向、稳定的D-/T-离子束。该研究针对D0/T0原子束以掠入射角α=1°从绝缘离子晶体CsI(100)面散射,散射束中负离子转化产额随入射速度的演化进行了定量理论模拟。模拟结果揭示在入射能量范围EP∈[1.12,9.24] keV内,D-离子转换产额高达86％，在入射能量范围EP∈[1.69,9.18] keV内，T-离子转换产额高达82％。这表明以离子型晶CsI(100)作为核心散射转化器件,可实现高比例的D-/T-离子产生。该负离子产生机制可被用于设计下一代D-/T-离子源，在核聚变燃料注入以及中子测井方面具有重要应用前景。
该研究得到了国家自然科学基金、陕西省自然科学基础研究计划项目、陕西省教育厅数理科学基金、西安工程大学博士启动金、西安工程大学研究生创新基金的支持。（撰稿：周虎，审核：冯进钤，刘玉森）
原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.jpca.5c03433
