เทคโนโลยี
สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอนดำเนินการพัฒนาเทคโนโลยีและวิศวกรรมขั้นสูงเพื่อรองรับงานวิจัยด้วยแสงซินโครตรอน
ตั้งแต่การออกแบบและพัฒนาเครื่องมือวิทยาศาสตร์ ระบบควบคุม และอุปกรณ์ความแม่นยำสูง
ไปจนถึงการพัฒนาระบบคอมพิวเตอร์และเทคโนโลยีที่สนับสนุนการทดลองขั้นแนวหน้า
พร้อมถ่ายทอดองค์ความรู้และเทคโนโลยีสู่ภาคอุตสาหกรรมเพื่อสร้างนวัตกรรมและต่อยอดสู่การใช้งานจริง
เทคโนโลยีเครื่องเร่งอนุภาค
Accelerator Technologies · ระบบหลักของเครื่องกำเนิดแสงสยาม (SPS-I)นอกจากลำอิเล็กตรอนและแม่เหล็กที่เห็นได้ชัดเจน เครื่องเร่งอนุภาคยังต้องอาศัยระบบสนับสนุนอีกหลายระบบทำงานประสานกันตลอดเวลา เลือกระบบด้านล่างเพื่อดูรายละเอียด องค์ประกอบ บริการด้านเทคโนโลยี และภาพอุปกรณ์จริงที่ SPS-I
เทคโนโลยีแม่เหล็กคือโครงสร้างกระดูกสันหลังของเครื่องเร่งอนุภาค เป็นตัวกำหนดเส้นทางของลำอิเล็กตรอนตลอดทั้งเส้นทางตั้งแต่การสร้างลำอิเล็กตรอนจนถึงการกักเก็บเพื่อผลิตแสงซินโครตรอน หากไม่มีแม่เหล็กเหล่านี้ก็จะไม่มีวงแหวน ไม่มีการเลี้ยวโค้ง และไม่มีแสงซินโครตรอนเกิดขึ้น
สร้างสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอที่บังคับให้อิเล็กตรอนเลี้ยวโค้งไปตามแนววงแหวน จุดที่อิเล็กตรอนเลี้ยวโค้งนี้เองคือจุดกำเนิดแสงซินโครตรอน เพราะอนุภาคมีประจุที่เปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่จะแผ่รังสีออกมาในรูปแบบคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ทำหน้าที่โฟกัสลำอิเล็กตรอนให้รวมกลุ่มแน่น เปรียบเสมือนเลนส์ที่บีบลำอนุภาคไม่ให้กระจายตัวออกขณะเดินทางรอบวง
แก้ไขความคลาดสี (chromatic aberration) ที่เกิดจากอิเล็กตรอนแต่ละตัวมีพลังงานแตกต่างกันเล็กน้อย ทำให้แต่ละตัวถูกโฟกัสไม่เท่ากันหากไม่มีการแก้ไข
แม่เหล็กทั้งหมดต้องควบคุมด้วยแหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าความแม่นยำสูงระดับหนึ่งในล้านส่วน เพราะความผันผวนของกระแสเพียงเล็กน้อยก็ส่งผลต่อความเสถียรของลำอิเล็กตรอนได้ทันที
ภาพอุปกรณ์และระบบจริงที่ SPS-I
13 ภาพกดที่ภาพเพื่อดูภาพขยายอีกหนึ่งเทคโนโลยีที่เป็นองค์ประกอบสำคัญของเครื่องเร่งอนุภาคคือ สภาวะสุญญากาศระดับสูงพิเศษ (Ultra-High Vacuum) ภายในท่อลำเลียงลำอนุภาคที่เปรียบเสมือนกับเส้นเลือดที่ต้องมีความสะอาด และจำเป็นต้องมีอุปสรรคในการเดินทางของลำอิเล็กตรอนให้น้อยที่สุด จึงต้องรักษาความดันให้ต่ำมากตลอดแนววงแหวนกักเก็บความยาวกว่า 80 เมตร
หากในท่อลำเลียงมีโมเลกุลก๊าซหลงเหลืออยู่มากเกินไป อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้แสงจะชนกับโมเลกุลเหล่านั้น ทำให้ลำอนุภาคมีค่าอายุของลำอนุภาค (Beam Lifetime) สั้นลง ระบบสุญญากาศของ SPS-I จึงต้องรักษาความดันในระดับ 10⁻¹⁰ Torr ตลอดวงแหวนกักเก็บ
การรักษาสุญญากาศระดับนี้อาศัยปั๊มหลายชนิดทำงานร่วมกัน ทั้งปั๊มไอออน (Ion Pump) ปั๊มดูดซับก๊าซแบบไม่ระเหย (NEG Pump) และปั๊มเทอร์โบโมเลกุล (Turbomolecular Pump) ร่วมกับกระบวนการอบไล่ก๊าซ (Bake-out) เพื่อกำจัดโมเลกุลก๊าซที่เกาะอยู่บนผิวท่อโลหะก่อนเริ่มใช้งานจริง
ท่อลำเลียงลำอนุภาคส่วนใหญ่ผลิตจากสแตนเลสหรืออะลูมิเนียมคุณภาพสูง ผ่านกระบวนการเชื่อมและตรวจสอบรอยรั่วอย่างละเอียด เพื่อให้มั่นใจว่าไม่มีจุดรั่วซึมตลอดความยาวของระบบก่อนนำไปติดตั้งใช้งานจริง
ภาพอุปกรณ์และระบบจริงที่ SPS-I
10 ภาพกดที่ภาพเพื่อดูภาพขยายระบบควบคุมเปรียบเสมือนระบบประสาทที่เชื่อมโยงทุกระบบของเครื่องเร่งอนุภาคเข้าด้วยกัน ทำให้ผู้ควบคุมเครื่องสามารถเฝ้าติดตามและสั่งการทุกระบบย่อยได้จากห้องควบคุมเพียงจุดเดียว
ระบบนี้เฝ้าติดตามค่าพารามิเตอร์นับพันจุดแบบเรียลไทม์ ทั้งกระแสในแม่เหล็ก ความดันในระบบสุญญากาศ กำลังของระบบ RF ตำแหน่งของลำอิเล็กตรอน และอีกหลายค่า พร้อมระบบเตือนภัยและระบบล็อกความปลอดภัย (Interlock) ที่สามารถหยุดการทำงานบางส่วนของเครื่องได้โดยอัตโนมัติหากตรวจพบความผิดปกติ
เทคโนโลยีระบบควบคุม สำหรับเครื่องเร่งอนุภาคและอุตสาหกรรมที่มีความซับซ้อนที่ใช้งานตามมาตรฐานสากลเป็นระบบ Experimental Physics and Industrial Control System (EPICS) ด้วยระบบควบคุมนี้ ผู้ควบคุมเครื่องสามารถปรับพารามิเตอร์ต่าง ๆ จากระยะไกลได้โดยไม่ต้องเข้าไปในพื้นที่ที่มีรังสีระหว่างเดินเครื่อง ช่วยเพิ่มทั้งความปลอดภัยและความแม่นยำในการดำเนินงาน
ข้อมูลทั้งหมดยังถูกบันทึกอย่างต่อเนื่องเพื่อใช้วิเคราะห์แนวโน้มการทำงานของเครื่องในระยะยาว และช่วยวินิจฉัยสาเหตุหากเกิดความผิดปกติขึ้น
ภาพอุปกรณ์และระบบจริงที่ SPS-I
6 ภาพกดที่ภาพเพื่อดูภาพขยายเทคโนโลยีความเย็นยวดยิ่ง นับเป็นบันไดก้าวสำคัญของเครื่องกำเนิดแสงสยาม ที่ขับศักยภาพการผลิต X-rays พลังงานสูงออกมาได้ อุปกรณ์แทรกบางชนิดของ SPS-I ใช้แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด (Superconducting Magnet) ซึ่งสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูงกว่าแม่เหล็กไฟฟ้าธรรมดามาก แต่ต้องอาศัยความเย็นระดับใกล้ศูนย์สัมบูรณ์จึงจะแสดงสภาพนำไฟฟ้ายิ่งยวดได้
ระบบความเย็นยวดยิ่งจึงทำหน้าที่รักษาอุณหภูมิของขดลวดตัวนำยิ่งยวดให้ต่ำมากด้วยฮีเลียมเหลว เพื่อให้ขดลวดคงสภาพนำไฟฟ้าโดยไม่มีความต้านทาน และสามารถสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูงได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่สูญเสียพลังงานเป็นความร้อน
ที่ SPS-I เทคโนโลยีนี้ถูกใช้ในอุปกรณ์แทรกสองชนิด ได้แก่ Superconducting Wavelength Shifter (SWLS) ขนาด 6.5 เทสลา และ Superconducting Multipole Wiggler (SMPW) ขนาด 3.5 เทสลา ซึ่งทั้งคู่ผลิตแสงซินโครตรอนย่านพลังงานสูงกว่าที่แม่เหล็กธรรมดาในวงแหวนจะทำได้
ระบบทำความเย็นต้องทำงานต่อเนื่องตลอดเวลาที่อุปกรณ์เหล่านี้ใช้งาน เพราะหากอุณหภูมิสูงขึ้นแม้เพียงเล็กน้อย ขดลวดอาจสูญเสียสภาพนำไฟฟ้ายิ่งยวดโดยฉับพลัน (Quench) ซึ่งอาจก่อให้เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์ได้
ภาพอุปกรณ์และระบบจริงที่ SPS-I
12 ภาพกดที่ภาพเพื่อดูภาพขยายเบื้องหลังความสำเร็จของเครื่องเร่งอนุภาคไม่ได้มีเพียงแม่เหล็กหรือระบบเร่งพลังงานเท่านั้น แต่ยังต้องอาศัยระบบสาธารณูปโภคพื้นฐานที่ทำงานเงียบ ๆ อยู่เบื้องหลังตลอดเวลา
แม่เหล็กและระบบ RF ที่ทำงานด้วยกระแสไฟฟ้าสูงต่อเนื่องจะเกิดความร้อนสะสมจำนวนมาก ระบบน้ำหล่อเย็นจึงต้องระบายความร้อนออกอย่างต่อเนื่อง ไม่เช่นนั้นอุปกรณ์อาจร้อนเกินขีดจำกัดและค่าพารามิเตอร์ต่าง ๆ จะเบี่ยงเบนไปจากที่ตั้งไว้
ระบบปรับอากาศ (HVAC) ก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน เพราะอุณหภูมิห้องที่เปลี่ยนแปลงเพียงหนึ่งองศาเซลเซียสก็อาจทำให้โครงสร้างของวงแหวนขยายหรือหดตัวจนตำแหน่งแม่เหล็กคลาดเคลื่อนได้ในระดับที่วัดผลกระทบต่อลำอิเล็กตรอนได้จริง
นอกจากนี้ยังมีระบบอัดลม (Compressed Air) สำหรับขับเคลื่อนอุปกรณ์นิวเมติกส์ต่าง ๆ ทั่วทั้งอาคาร ซึ่งล้วนเป็นส่วนประกอบที่จำเป็นแม้จะไม่ค่อยถูกพูดถึง
ภาพอุปกรณ์และระบบจริงที่ SPS-I
5 ภาพกดที่ภาพเพื่อดูภาพขยายระบบไฟฟ้ากำลังจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้ทุกระบบของเครื่องเร่งอนุภาค ตั้งแต่แหล่งจ่ายกระแสของแม่เหล็ก ระบบ RF ไปจนถึงอุปกรณ์สนับสนุนอื่น ๆ ทั่วทั้งอาคาร
แหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าให้แม่เหล็กต้องมีความเสถียรสูงมากและปราศจากสัญญาณรบกวน (ripple) เพราะความผันผวนของกระแสเพียงเล็กน้อยจะส่งผลโดยตรงต่อความเสถียรของลำอิเล็กตรอนในทันที
ระบบไฟฟ้าสำรอง (UPS) มีความสำคัญอย่างยิ่งเช่นกัน เนื่องจากไฟฟ้าดับหรือกระเพื่อมแม้เพียงเสี้ยววินาทีก็อาจทำให้ลำอิเล็กตรอนที่กักเก็บไว้สูญหายทั้งหมด ต้องเริ่มกระบวนการฉีดและเร่งอิเล็กตรอนใหม่ทั้งหมด
ระบบยังต้องออกแบบให้ปลอดภัยต่อผู้ปฏิบัติงาน โดยเฉพาะระบบ RF ที่เกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้าสูงระดับหลายหมื่นโวลต์ จึงต้องมีระบบป้องกันและการต่อลงดินที่ได้มาตรฐาน
ภาพอุปกรณ์และระบบจริงที่ SPS-I
6 ภาพกดที่ภาพเพื่อดูภาพขยายเทคโนโลยีระบบ RF เปรียบเสมือนกับหัวใจที่คอยสูบฉีดพลังงานให้กับลำอิเล็กตรอน เนื่องจากทุกครั้งที่อิเล็กตรอนเลี้ยวโค้งผ่านแม่เหล็กสองขั้ว มันจะปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของแสงซินโครตรอน ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนจะสูญเสียพลังงานไปเล็กน้อยทุกรอบที่วิ่งผ่านวงแหวน หากไม่มีการเติมพลังงานกลับคืน ลำอิเล็กตรอนจะช้าลงและหลุดออกจากวงในเวลาไม่นาน
ระบบ RF (Radio Frequency) ทำหน้าที่ชดเชยพลังงานที่สูญเสียไปนี้ ผ่านคลื่นความถี่วิทยุกำลังสูงที่ป้อนเข้า RF Cavity ซึ่งสร้างสนามไฟฟ้าแบบสั่น (oscillating) จังหวะพอดีกับรอบการวิ่งของกลุ่มอิเล็กตรอน ทำให้อิเล็กตรอนแต่ละกลุ่มได้รับพลังงานเพิ่มเล็กน้อยทุกครั้งที่ผ่าน Cavity
ที่ SPS-I ระบบ RF ทำงานที่ความถี่ 118 MHz และยังใช้เร่งพลังงานอิเล็กตรอนในเครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลม (Booster Synchrotron) จนได้พลังงานตามที่ต้องการก่อนฉีดเข้าสู่วงกักเก็บอิเล็กตรอนด้วย
กำลังไฟฟ้าความถี่วิทยุที่ใช้ขับเคลื่อน RF Cavity มาจากเครื่องขยายสัญญาณกำลังสูง ซึ่งต้องมีระบบระบายความร้อนของตัว Cavity เองด้วย เนื่องจากมีพลังงานไฟฟ้าจำนวนมากไหลผ่านตลอดเวลาที่เครื่องทำงาน
ภาพอุปกรณ์และระบบจริงที่ SPS-I
4 ภาพกดที่ภาพเพื่อดูภาพขยายเทคโนโลยีการตรวจวัดลำอนุภาคจำเป็นอย่างยิ่งในการควบคุมคุณภาพของแสงซินโครตรอนที่ผลิต ระบบตรวจวัดคุณลักษณะของลำอนุภาคจึงเปรียบเสมือนประสาทสัมผัสของเครื่องเร่งอนุภาค ที่คอยรายงานสถานะของลำอิเล็กตรอนแบบต่อเนื่องระหว่างเดินเครื่อง
ติดตั้งกระจายอยู่รอบวงกักเก็บอิเล็กตรอน ทำหน้าที่ตรวจวัดตำแหน่งของลำอิเล็กตรอนได้ในระดับต่ำกว่ามิลลิเมตรแบบเรียลไทม์ ข้อมูลนี้ถูกส่งต่อให้ระบบควบคุมใช้ปรับแก้แม่เหล็กเพื่อรักษาตำแหน่งลำอิเล็กตรอนให้อยู่ในเส้นทางที่ถูกต้องตลอดเวลา
วัดกระแสอิเล็กตรอนที่กักเก็บอยู่ในวงแหวน บอกได้ว่าขณะนี้มีอิเล็กตรอนเหลืออยู่เท่าใด และลดลงเร็วเพียงใดตามเวลา ซึ่งสัมพันธ์โดยตรงกับความเข้มของแสงซินโครตรอนที่ผลิตได้
นอกจากนี้ยังมีระบบตรวจวัดขนาดลำอิเล็กตรอน (Beam Size Monitor) และระบบวัดความถี่การสั่นของลำอิเล็กตรอน (Tune Measurement) ซึ่งช่วยให้ทีมควบคุมเครื่องวินิจฉัยความผิดปกติของลำอิเล็กตรอนได้ตั้งแต่ระยะเริ่มต้น ก่อนที่จะส่งผลกระทบต่อคุณภาพแสงที่ส่งไปยังสถานีทดลอง




