ทำไมประเทศไทยต้องสร้างเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเครื่องที่สอง?
“เครื่องกำเนิดแสงสยาม 1” ในปัจจุบัน เป็นเทคโนโลยีรุ่นที่ 2 (2nd Generation) ที่ผ่านการใช้งานมานานกว่า 30 ปี (ใช้งานที่ญี่ปุ่น 10 ปี และไทย 20 ปี) แม้จะได้รับการพัฒนาจนเต็มขีดความสามารถแล้ว แต่ยังคงมีข้อจำกัดสำคัญที่ไม่สามารถตอบโจทย์อุตสาหกรรมแห่งอนาคตได้อย่างครบถ้วนและทันต่อความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี สถาบันฯ จึงได้ริเริ่มเดินหน้าโครงการสร้างเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน ระดับพลังงาน 3 GeV ซึ่งเป็นเทคโนโลยีรุ่นที่ 4 (4th Generation)
ช่วงพลังงานแสงที่กว้างขึ้น
ครอบคลุมถึงรังสีเอกซ์พลังงานสูง (hard X-rays) ระดับ 60 keV ทำให้วิเคราะห์ธาตุหนักได้ละเอียดขึ้น เช่น ธาตุหายาก โลหะมีค่า และโลหะหนักปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อม รวมถึงศึกษาโครงสร้างผลึกของวัสดุด้วยรังสีเอกซ์พลังงานสูง และติดตามการเปลี่ยนแปลงของวัสดุขณะใช้งานจริง (in situ/operando) เช่น แบตเตอรี่และตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งเครื่องปัจจุบัน (1.2 GeV) ทำได้จำกัด
การทะลุทะลวงที่ดียิ่งขึ้น
รังสีเอกซ์พลังงานสูงทะลุผ่านวัตถุได้ลึกกว่าเดิม ทำให้ถ่ายภาพสามมิติ (X-ray tomography) ได้กับวัตถุทุกความหนาแน่น ตั้งแต่เนื้อเยื่อ กระดูก ไปจนถึงหินและโลหะ จากเดิมที่ทำได้เพียงเนื้อเยื่อและชิ้นกระดูกขนาดเล็ก เปิดโอกาสให้ตรวจสอบโครงสร้างภายในแบบไม่ทำลายตัวอย่าง เช่น รอยร้าวและรูพรุนในชิ้นส่วนโลหะ โครงสร้างรูพรุนในหินกักเก็บ ฟอสซิล และโบราณวัตถุ
ตรวจวัดได้ละเอียดยิ่งขึ้น แม้ปริมาณน้อยกว่าขีดจำกัดเดิม
แสงที่มีความเข้มสูงขึ้นช่วยให้ตรวจวัดธาตุที่มีปริมาณน้อยมากได้ในเวลาสั้นลง เช่น เทคนิค X-ray fluorescence (XRF) ตรวจวัดได้ถึงระดับ 1 ppb ภายในเวลาเพียงไม่กี่วินาที จากเดิมที่ตรวจได้ต่ำสุดระดับ 10 ppm และใช้เวลาราว 10 นาที หรือตรวจวัดปริมาณที่ต่ำลงได้ประมาณ 10,000 เท่า ทำให้ตรวจหาสารปนเปื้อนในอาหาร ดิน น้ำ และตัวอย่างทางชีวภาพได้แม่นยำขึ้น และรองรับจำนวนตัวอย่างต่อวันได้มากขึ้น
ความละเอียดที่สูงขึ้น
ลำแสงที่มีขนาดเล็กและคมชัดขึ้นช่วยให้วิเคราะห์เฉพาะจุดได้เล็กลงอย่างมาก โดยเลือกวัดตำแหน่งที่ต้องการได้ในระดับต่ำกว่า 1 ตารางไมโครเมตร ทำให้ศึกษาองค์ประกอบและโครงสร้างในบริเวณเล็ก ๆ ได้โดยตรง เช่น การกระจายตัวของธาตุภายในเซลล์ เม็ดอนุภาคในวัสดุแบตเตอรี่ ข้อบกพร่องในชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ และแร่ขนาดเล็กในหิน ซึ่งเดิมต้องวัดเป็นค่าเฉลี่ยจากพื้นที่ที่กว้างกว่า
เก็บข้อมูลได้เร็วขึ้น
ลำแสงที่เข้มขึ้นช่วยลดเวลาในการวัดแต่ละครั้ง จนติดตามการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของตัวอย่างได้ขณะที่เกิดขึ้นจริง สำหรับเทคนิค SWAXS ที่ใช้ศึกษาโครงสร้างระดับนาโน เวลาต่อการวัดลดลงจากประมาณครึ่งนาทีเหลือระดับมิลลิวินาที ทำให้เห็นกระบวนการที่เกิดขึ้นรวดเร็ว เช่น การตกผลึกของพอลิเมอร์ การจัดเรียงตัวของอนุภาคนาโน และการเปลี่ยนโครงสร้างของวัสดุระหว่างให้ความร้อนหรือแรงดึง
ปลดล็อกเทคนิคใหม่
วงกักเก็บอิเล็กตรอนแบบใหม่ให้รังสีเอกซ์ที่มีความเป็นอาพันธ์ (coherent X-ray) สูงขึ้นมาก เปิดทางให้ใช้เทคนิคที่เครื่องเดิมทำไม่ได้ ตัวอย่างเช่น ptychography ซึ่งสร้างภาพจากรูปแบบการเลี้ยวเบนแทนการใช้เลนส์ ให้ภาพสองและสามมิติที่ละเอียดถึงระดับนาโนเมตร ทำให้เห็นโครงสร้างภายในของเซลล์ ชิปอิเล็กทรอนิกส์ และวัสดุพลังงานได้โดยไม่ต้องตัดหรือทำลายตัวอย่าง
พื้นที่สถานีทดลองที่ มากกว่าเดิม
เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเครื่องใหม่ มีขนาดใหญ่ขึ้น (เส้นรอบวงกว่า 320 เมตร) และมีการออกแบบวงกักเก็บอิเล็กตรอนที่สามารถติดตั้งอุปกรณ์แทรกได้มากถึง 21 จุด และใช้แสงซินโครตรอนจากแม่เหล็กเลี้ยวเบนได้อีก 2 จุด ทำให้สามารถสร้างระบบลำเลียงแสงและสถานีทดลองได้มากถึง 23 สถานี (ปัจจุบัน 13 สถานี) สามารถรองรับการร่วมทุนสร้างระบบลำเลียงแสงและสถานีทดลองจากทั้งภาครัฐและเอกชน ทั้งในและต่างประเทศในอนาคต
สร้างฐานอุตสาหกรรม
การผลิตขั้นสูงในไทย
เครื่องใหม่เป็นเครื่องที่ไทยพัฒนาขึ้นเอง และถ่ายทอดองค์ความรู้ด้านการผลิตสู่ภาคอุตสาหกรรม ทำให้เกิดฐานการผลิตชิ้นส่วนและอุปกรณ์ของเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนที่ยั่งยืนภายในประเทศ พร้อมโครงสร้างพื้นฐานและองค์ความรู้ที่ต่อยอดสู่การผลิตเทคโนโลยีขั้นสูงอื่น ๆ เช่น ฟิล์มบางสำหรับเซมิคอนดักเตอร์และโซลาร์เซลล์ และเครื่องเร่งอนุภาคโปรตอนสำหรับรักษามะเร็ง
ความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ
การวิจัยและประยุกต์ใช้แสงซินโครตรอนช่วยให้ภาคอุตสาหกรรมพัฒนาผลิตภัณฑ์และกระบวนการผลิตใหม่ ๆ เป็นแรงขับเคลื่อนเศรษฐกิจฐานนวัตกรรมของประเทศ ขณะเดียวกัน ความสามารถในการผลิตชิ้นส่วนและดูแลรักษาเครื่องได้เองภายในประเทศช่วยลดการพึ่งพาการนำเข้าเทคโนโลยีจากต่างประเทศ ลดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาระยะยาว และทำให้การให้บริการแสงซินโครตรอนดำเนินไปได้อย่างยั่งยืน
ประโยชน์จากการประยุกต์ใช้แสงซินโครตรอน
จากเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนระดับพลังงาน 3 GeV
ด้านการแพทย์ และเทคโนโลยีชีวภาพ
ช่วยยกระดับความสามารถทางการแพทย์ เภสัชกรรม และเทคโนโลยีชีวภาพ โดยการศึกษาโครงสร้างของโปรตีนและไวรัส โครงสร้างเนื้อเยื่อของอวัยวะโดยละเอียด เพื่อหากลไกการติดเชื้อ การก่อโรค และการทำงานของอวัยวะ ฮอร์โมนและเอนไซม์ รวมไปถึงการวิจัยด้านพืชและสมุนไพรที่มีสรรพคุณในการรักษาโรค และการคิดค้นวัสดุสมัยใหม่เพื่อพัฒนาอุปกรณ์ทางการแพทย์
ด้านอาหาร และการเกษตร
ช่วยพัฒนานวัตกรรมด้านอาหาร ทั้งอาหารฟังก์ชั่น อาหารที่มีความเป็นยา พัฒนาผลิตภัณฑ์ทั้งด้านคุณค่าทางโภชนาการและการย่อย รสชาติ รสสัมผัส และความปลอดภัยของอาหาร รวมถึงพัฒนากระบวนการทางการเกษตรสู่เกษตรปลอดภัย ไร้สารเคมีตกค้าง เพิ่มผลผลิต รวมถึงพัฒนาบรรจุภัณฑ์อัจฉริยะ
ด้านวัสดุสมัยใหม่
ช่วยพัฒนาวัสดุที่ทันสมัย ทั้งแบตเตอรี่ เซมิคอนดักเตอร์ เซลล์แสงอาทิตย์ เซลล์พลังงาน (Fuel Cell) คอนกรีตและวัสดุคอมโพสิทชนิดใหม่ โดยพัฒนาตั้งแต่วัสดุชนิดใหม่ กระบวนการขึ้นรูป เทคโนโลยีการเคลือบ ไปจนถึงประสิทธิภาพการใช้งาน
ด้านสังคมและสิ่งแวดล้อม
ช่วยพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อการดักจับและแปลงคาร์บอน หรือโลหะเจือปนในสิ่งแวดล้อม ให้เป็นสารหรือวัสดุที่มีประโยชน์และมีคุณค่า ช่วยวิเคราะห์การปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อมได้อย่างแม่นยำ รวมถึงหาสาเหตุของโรคพืช โรคสัตว์ นอกจากนี้ยังใช้ในการไขความลับทางนิติวิทยาศาสตร์ งานศิลปะและโบราณวัตถุได้อีกด้วย
เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนระดับพลังงาน 3 GeV
ผลิตแสงซินโครตรอนเปี่ยมคุณภาพได้อย่างไรเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเร่งอิเล็กตรอนจนมีพลังงาน 3 GeV และเคลื่อนที่เกือบเท่าความเร็วแสง จากนั้นใช้แม่เหล็กบังคับให้อิเล็กตรอนเลี้ยวและส่ายไปมา เพื่อปลดปล่อย “แสงซินโครตรอน” ที่สว่างจ้าและพุ่งเป็นลำแคบ สำหรับศึกษาโครงสร้างของสสารในระดับโมเลกุลและอะตอม
กดปุ่ม “เล่นทีละขั้น” หรือแตะหมายเลขบนภาพ เพื่อติดตามการเดินทางของอิเล็กตรอน
จุดเริ่มต้นของการเดินทาง แคโทดภายในปืนอิเล็กตรอนปล่อยอิเล็กตรอนออกมา แล้วสนามไฟฟ้าแรงสูงจะดึงอิเล็กตรอนออกมาเป็นกลุ่มเล็ก ๆ เรียกว่า “บันช์” (bunch) ส่งต่อเข้าสู่เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้น
อิเล็กตรอนพุ่งผ่านท่อเร่งที่เรียงต่อกันเป็นแนวตรง คลื่นไมโครเวฟกำลังสูงจากไคลสตรอน (Klystron) ผลักให้อิเล็กตรอนเร่งความเร็วจนเกือบเท่าความเร็วแสง ก่อนส่งต่อเข้าสู่วงแหวนบูสเตอร์
วงแหวนเร่งอนุภาคที่ติดตั้งอยู่ในอุโมงค์เดียวกับวงกักเก็บ อิเล็กตรอนวิ่งวนและได้รับพลังงานเพิ่มทุกรอบจากโพรงเร่ง (RF cavity) ขณะที่สนามแม่เหล็กค่อย ๆ แรงขึ้นเพื่อคุมวงโคจร จนพลังงานเพิ่มจาก 270 MeV เป็น 3 GeV หรือสูงขึ้นราว 11 เท่า
อิเล็กตรอนพลังงาน 3 GeV ถูกส่งเข้าวงกักเก็บ ซึ่งใช้โครงสร้างแม่เหล็กแบบ Double-Triple Bend Achromat (DTBA) บีบลำอิเล็กตรอนให้เล็กมาก อิเล็กตรอนวิ่งวนในท่อสุญญากาศ และปล่อยแสงซินโครตรอนออกมาทุกครั้งที่ถูกแม่เหล็กบังคับให้เลี้ยว ยิ่งลำอิเล็กตรอนเล็ก แสงที่ได้ก็ยิ่งสว่างจ้า
ติดตั้งในช่วงตรงของวงกักเก็บ เป็นแถวแม่เหล็กที่เรียงสลับขั้วเหนือ–ใต้ ทำให้อิเล็กตรอนส่ายไปมาเป็นคลื่น แสงที่ปล่อยออกมาจากแต่ละช่วงจะเสริมกัน จึงได้แสงที่สว่างจ้ากว่าเดิมมากและพุ่งเป็นลำแคบไปข้างหน้า
แสงซินโครตรอนพุ่งออกตามแนวสัมผัสของวงเข้าสู่ระบบลำเลียงแสง ซึ่งมีกระจกและโมโนโครเมเตอร์คัดเลือกช่วงพลังงานแสงที่ต้องการ แล้วส่งไปยังสถานีทดลอง เพื่อศึกษาโครงสร้างของวัสดุในระดับโมเลกุลและอะตอม สนับสนุนงานวิจัยด้านการแพทย์ เกษตร อาหาร วัสดุ และอุตสาหกรรม
1 ปืนอิเล็กตรอน
ผลิตอิเล็กตรอนจำนนวมหาศาล โดยการปล่อบกระแสไฟฟ้าให้กับไส้โลหะของปืนอิเล็กตรอนจนร้อน จากนั้นใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้าทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมา
2 เครื่องเร่งอนุภาคแนวตรง
เครื่องเร่งอนุภาคแนวตรง (Linear accelerator หรือ Linac) แบ่งอิเล็กตรอนที่ออกจากปืนอิเล็กตรอนให้เป็นกลุ่ม ๆ เรียกว่า Electron bunch หลังจากนั้น จะเร่งพลังงานของอิเล็กตรอนในแนวเส้นตรง ด้วยคลื่นไมโครเวฟ ให้มีพลังงานสูงถึง 270 MeV และส่งไปยังเครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลม ซึ่งอิเล็กตรอนจะมีความเร็ว 99.9998% ของความเร็วแสง
3 เครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลม
เครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลม (Booster synchrotron) เพิ่มพลังงานให้กับอิเล็กตรอนด้วยคลื่นวิทยุ ในขณะที่บังคับให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่เป็นวงกลมและเพิ่มพลังงานอย่างต่อเนื่องจนถึงระดับพลังงาน 3 GeV ก่อนสั่งไปยังวงกักเก็บอิเล็กตรอน ซึ่งอิเล็กตรอนจะมีความเร็ว 99.999998% ของความเร็วแสง
4 วงกักเก็บอิเล็กตรอน
วงกักเก็บอิเล็กตรอน (Storage ring) ทำหน้าที่กักเก็บอิเล็กตรอน และรักษาลำอิเล็กตรอนให้มีความเสถียร เพื่อให้สามารถผลิตแสงซินโครตรอนได้อย่างต่อเนื่อง โดยบังคับให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านอุปกรณ์แทรก หรือผ่านแม่เหล็กสองขั้ว ซึ่งวงกักเก็บอิเล็กตรอนนี้ออกแบบชุดแม่เหล็กแบบ DTBA ทำให้มีส่วนตรงที่มีระยะห่างระหว่างชุดแม่เหล็กเพียงพอมากถึง 28 จุด สำหรับการติดตั้งอุปกรณ์ต่าง ๆ รวมถึงอุปกรณ์แทรกจำนวน 21 ตัว
5 อุปกรณ์แทรก
อุปกรณ์แทรก (Insertion devices) เป็นแม่เหล็กชนิดพิเศษ ที่ถูกติดตั้งในส่วนตรงของวงกักเก็บอิเล็กตรอน เพื่อสร้างแสงซินโครตรอนที่มีความเข้ม หรือพลังงานสูงกว่าแสงซินโครตรอนที่ได้จากการเลี้ยวเบน
6 ระบบลำเลียงแสงและสถานีทดลอง
ระบบลำเลียงแสง (Beamline) ทำหน้าที่ลำเลียงแสงมายังสถานีทดลอง พร้อมทั้งคัดเลือกและปรับคุณลักษณะของแสงให้เหมาะสมกับการทดลองของผู้ใช้บริการ
การพัฒนาต้นแบบเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนภายในประเทศ
สถาบันฯ ได้พัฒนาต้นแบบอุปกรณ์หลักของเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนระดับพลังงาน 3 GeV ขึ้นเองภายในประเทศ ควบคู่กับการออกแบบเครื่อง เพื่อทดสอบต้นแบบว่าผ่านคุณสมบัติตามข้อกำหนดทางเทคนิคก่อนการผลิตจริง พร้อมทั้งสร้างองค์ความรู้และความพร้อมให้บุคลากรและภาคอุตสาหกรรมไทยในการผลิตชิ้นส่วนที่ต้องการความแม่นยำสูง และลดการพึ่งพาการนำเข้าจากต่างประเทศ ตัวอย่างต้นแบบที่สถาบันฯ พัฒนาขึ้น มีดังนี้
สถานที่ตั้งเชิงยุทธศาสตร์ ส่งเสริมระบบนิเวศนวัตกรรม
โครงการนี้ ไม่ได้เพียงยกระดับเครื่องมือวิเคราะห์วิจัยที่มีอยู่เดิม แต่เป็นโครงสร้างพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ในระดับชาติ ที่จะเป็นองค์ประกอบสำคัญในพื้นที่ เขตนวัตกรรมระเบียงเศรษฐกิจพิเศษภาคตะวันออก (EECi) ที่จะช่วยสร้างให้ระบบนิเวศการทางวิจัยและพัฒนานวัตกรรมสมบูรณ์ยิ่งขึ้น สร้างโอกาสให้กับวิสาหกิจ เพิ่มขีดความสามารถ และยกระดับผลงานนวัตกรรม เพื่อตอบโจทย์เศรษฐกิจและสังคมได้
Eastern Economic Corridor (EEC)
ฉะเชิงเทรา · ชลบุรี · ระยองEastern Economic Corridor Innovation Zone (EECi)
วังจันทร์วัลเลย์ ต.ป่ายุบใน อ.วังจันทร์ จ.ระยองแตะหรือชี้ที่หมุดบนแผนที่ / รายการ เพื่อดูตำแหน่ง
