Z箍缩中非热电子韧致辐射特性研究

Z-pinch is a useful plasma radiation source for ICF researches and high energy physics studies. When it radiates thermal radiation, an amount of non-thermal electrons can be produced. With bremsstrahlung measurements, the mechanism of non-thermal electron production is studied, while a possibility of producing high dose rate warm-hot x-ray pulse may be explored, in which the photon energy is in a range of tens to hundreds of keV. Deep understanding about non-thermal electron production at Z-pinch stagnation driven by multi MA current has not been revealed yet. In this project, property of 10 keV to hundreds of keV Z-pinch radiation is studied, making use of a multi-MA Z-pinch facility in China, utilizing hard x-ray dose rate, image diagnostics, a time-resolved spectrometer and a polarimeter. Spectrum and directionality of no-thermal electron around pinch plasma at stagnation is explored. Non-thermal electron productions with different Z-pinch material are unfolded. Questions will be answered, about non-thermal electron production mechanism at stagnation. This study is good for understanding energy balance of Z-pinch, and it unfolds the usefulness of non-thermal electron and its radiation in high energy density physics.

Z箍缩是一种可用于ICF和高能量密度物理研究的等离子体辐射源，其产生热辐射的同时可以产生大量非热电子。通过实验研究Z箍缩非热电子韧致辐射特性，可分析非热电子的产生机理，同时也是探索利用Z箍缩产生光子能量在数十到数百keV的高剂量率温-热X射线辐射脉冲的必要手段。目前数MA电流驱动的Z箍缩停滞阶段非热电子产生机理认识还不透彻，基于此，本项目拟依托国内数MA驱动电流的Z箍缩装置，利用硬X射线剂量率、图像、时间分辨的能谱和偏振诊断，在Z箍缩实验中搭车对光子能量在10 keV-数百keV辐射的相关特性进行研究，分析箍缩停滞阶段箍缩等离子周围非热电子的产生、能谱和方向性，及其在不同材料导致的不同状态的Z箍缩中的差异，提升对箍缩停滞阶段非热电子产生机理相关的关键物理问题的认识，帮助理解Z箍缩能量转化过程，拓展非热电子及其辐射在高能量密度物理领域的应用。

Z箍缩是一种可用于ICF和高能量密度物理研究的等离子体辐射源，其产生热辐射的同时可以产生大量非热电子。通过实验研究Z箍缩非热电子轫致辐射特性，可分析非热电子的产生机理，同时也是探索利用Z箍缩产生光子能量在数十到数百keV的高剂量率温-热X射线辐射脉冲的必要手段。本项目依托国内数MA驱动电流的Z箍缩装置，利用硬X射线剂量率、图像、时间分辨的能谱和偏振诊断，在Z箍缩实验中搭车对光子能量在10 keV-数百keV辐射的相关特性进行研究，分析箍缩停滞阶段箍缩等离子周围非热电子的产生、能谱和方向性，探索在不同材料导致的不同状态的Z箍缩中的差异。实验结果表明:在等离子体主要物质为钨的Z箍缩实验中，光子能量大于10 keV的X射线辐射剂量率峰值可达数十mGy/ns（@1m），剂量率峰值时刻与软X射线峰值时刻基本相同，峰值时刻辐射能谱与能量为~3MeV的电子轫致辐射产生的辐射能谱相近，X射线主要来源于等离子体区域，且不存在明显偏振；铝丝阵Z箍缩产生的数十keV以上能段的X射线辐射剂量率比钨等离子体Z箍缩低1个量级左右，辐射能谱对应的电子能量~1.5MeV。另外，在铜等离子体喷流实验中，观察到了与钨丝阵Z箍缩辐射参数接近的X射线（数十keV-数百keV能段）。基于实验结果的理论分析表明：箍缩等离子柱周围电场强度应当达到10MV/mm才能使强磁场中的电子被迅速加速以产生实验中观察到的辐射；并且，箍缩等离子中可能存在箍缩中心不断切换，使得非热电子被来回加速的机制。通过上述研究，除了从科学上增强对Z箍缩物理过程的相关认识外，还提供了一种产生脉冲时间在数纳秒到十数纳秒，光子能量在数十keV到数MeV的强脉冲X射线的可行方法。在离辐射源<10 cm的距离处，辐射剂量率可超过1Gy/ns，可被应用于电子学系统抗辐射加固等实验研究。