แสงซินโครตรอน – สซ. : สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)

แสงซินโครตรอน คืออะไร

แสงซินโครตรอน คือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากอนุภาคที่มีประจุ เช่น อิเล็กตรอน ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสง และถูกบังคับให้เลี้ยวโค้งด้วยสนามแม่เหล็ก อิเล็กตรอนจะสูญเสียพลังงานบางส่วนออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่เรียกว่า “แสงซินโครตรอน”

แสงซินโครตรอนมีช่วงความยาวคลื่นครอบคลุมตั้งแต่แสงอินฟราเรด แสงที่ตามองเห็น แสงอัลตราไวโอเลต และรังสีเอกซ์ จึงสามารถวิเคราะห์โครงสร้างวัสดุได้ในระดับที่ตามองไม่เห็น เช่น อะตอมหรือโมเลกุล และสามารถวิเคราะห์สารตัวอย่างที่มีปริมาณน้อยๆ ได้ สู่การไขความลับในงานวิจัย พัฒนาผลิตภัณฑ์ ปรับปรุงกระบวนการผลิต เกิดองค์ความรู้ทางวิทยาศาสตร์ และนวัตกรรมทางวิทยาศาสตร์

ภาพแสดงแม่เหล็กบังคับเลี้ยว (Bending magnet) ของวงกักเก็บอิเล็กตรอนของเครื่องกำเนิดแสงสยาม และการปล่อยแสงซินโครตรอนโดยอิเล็กตรอนที่เลี้ยวโค้ง

แสงซินโครตรอน คือ แสงพิเศษพลังสูงที่ทำหน้าที่เหมือนไฟฉายยักษ์ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์มองเห็นสิ่งเล็กจิ๋วอย่างอะตอมเพื่อนำไปสู่การค้นพบและนวัตกรรม

รู้หรือไม่ว่า

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Radiation) คือคลื่นตามขวางที่ประกอบด้วยสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าที่ตั้งฉากซึ่งกันและกัน โดยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเคลื่อนที่ได้โดยไม่ต้องอาศัยตัวกลาง ได้แก่ คลื่นวิทยุ (Radio waves) คลื่นไมโครเวฟ (Microwaves) รังสีอินฟราเรด (Infrared) แสงที่ตามองเห็น (Visible light) รังสีอัลตราไวโอเลต (Ultraviolet) รังสีเอกซ์ (X-rays) และรังสีแกมมา (Gamma rays)

ภาพถ่ายขาวดำเครื่องซินโครตรอนของบริษัทเจนเนอรัลอิเล็กทริก ปี ค.ศ. 1947 มีลูกศรชี้ตำแหน่งที่แสงซินโครตรอนปรากฏ — แสงซินโครตรอนจากเครื่องซินโครตรอนที่บริษัทเจนเนอรัลอิเล็กทริก

กำเนิดแสงซินโครตรอน

แสงซินโครตรอนที่มนุษย์ผลิตขึ้นนั้นมีการสังเกตเห็นเป็นครั้งแรกจากเครื่องเร่งอนุภาคซินโครตรอนที่บริษัทเจนเนอรัลอิเล็กทริก (General Electric) ที่เมืองนิวยอร์ก ประเทศสหรัฐอเมริกา ในปี ค.ศ. 1947 ขณะที่นักวิทยาศาสตร์กำลังทดลองเครื่องเร่งอนุภาค พวกเขาสังเกตเห็นแสงสว่างจ้าสีขาวอมฟ้าที่ปล่อยออกมาจากเครื่องเร่งอนุภาค ซึ่งเป็นไปตามทฤษฎีที่นักฟิสิกส์เคยทำนายไว้ว่า เมื่ออนุภาคที่มีประจุถูกเร่งด้วยความเร็วสูงใกล้เคียงกับความเร็วแสง แล้วถูกบังคับให้เลี้ยวผ่านสนามแม่เหล็ก จะปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ต่อมาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าดังกล่าวถูกระบุว่าเป็น “แสงซินโครตรอน” ซึ่งมีช่วงความยาวคลื่นต่อเนื่องครอบคลุมตั้งแต่รังสีอินฟราเรด แสงที่ตามองเห็น แสงอัลตราไวโอเลต ไปจนถึงรังสีเอกซ์ แต่ในขณะนั้นยังไม่มีการนำแสงซินโครตรอนมาใช้ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ จนกระทั่งภายหลังปี ค.ศ. 1960 จึงเริ่มมีการนำแสงซินโครตรอนมาใช้ในการวิจัยแทนหลอดรังสีเอกซ์ที่ใช้กันทั่วไปในห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์

การผลิตแสงซินโครตรอน

แสงซินโครตรอนที่ผลิตขึ้น ณ ห้องปฏิบัติการแสงสยาม มีความสว่างกว่าแสงดวงอาทิตย์กว่าล้านเท่า คมชัด ความเข้มสูง อำนาจการทะลุทะลวงสูง และมีขนาดของลำแสงเล็กได้ถึงขนาดความหนาของเส้นผม ทำให้สามารถศึกษาถึงโครงสร้างระดับอะตอมของธาตุชนิดต่างๆ ได้

นอกจากนี้ยังครอบคลุมช่วงความยาวคลื่นต่อเนื่อง ตั้งแต่รังสีอินฟราเรด แสงที่ตามองเห็น รังสีอัลตราไวโอเลต และรังสีเอกซ์ ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเลือกใช้ช่วงความยาวคลื่นหรือพลังงานที่เหมาะสม สำหรับใช้ศึกษาในงานวิจัยต่างๆ ตามที่ต้องการ

ภาพแสดงการปล่อยแสงซินโครตรอนโดยอิเล็กตรอนที่เลี้ยวโค้งในแม่เหล็กบังคับเลี้ยวทั้งแปดตัวของวงกักเก็บอิเล็กตรอนของเครื่องกำเนิดแสงสยาม

ส่วนประกอบของเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน

ภาพจำลองผังเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน ประกอบด้วยปืนอิเล็กตรอน เครื่องเร่งอนุภาคแนวตรง เครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลม วงกักเก็บอิเล็กตรอน ระบบลำเลียงแสง และสถานีทดลอง

1 2 3 4 5 6

เลือกหมายเลขบนภาพเพื่อไปยังส่วนนั้น

ปืนอิเล็กตรอน Electron Gun

ทำหน้าที่ผลิตอิเล็กตรอนจำนวนมหาศาล โดยการจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับไส้โลหะจนร้อน ทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมา จากนั้นใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้าแรงสูงขั้วบวกดึงอิเล็กตรอนออกจากไส้โลหะเข้าสู่เครื่องเร่งอนุภาคแนวตรง
เครื่องเร่งอนุภาคแนวตรง Linear Accelerator

ทำหน้าที่เร่งอิเล็กตรอนให้เคลื่อนตัวในแนวเส้นตรงให้ได้พลังงานและความเร็วที่ต้องการ และส่งไปยังเครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลม
เครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลม Booster Synchrotron

ทำหน้าที่เพิ่มพลังงาน เร่งความเร็วอิเล็กตรอนในแนววงกลมด้วยคลื่นวิทยุ ให้มีความเร็วสูงมาก และมีพลังงานเท่ากับ 1,200 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (1.2 GeV) แล้วจึงส่งต่อไปยังวงกักเก็บอิเล็กตรอน
วงกักเก็บอิเล็กตรอน Storage Ring

ทำหน้าที่กักเก็บอิเล็กตรอนและผลิตแสงซินโครตรอน ประกอบด้วยแม่เหล็กชนิดต่างๆ ทำหน้าที่บังคับให้อิเล็กตรอนพลังงานสูงเหล่านี้เคลื่อนที่ในทิศทางที่ต้องการภายในท่อสุญญากาศ โดยบริเวณที่เป็นแม่เหล็กบังคับเลี้ยวสองขั้ว (Bending magnet) จะเป็นบริเวณที่อิเล็กตรอนเลี้ยวโค้ง และปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเราเรียกว่า แสงซินโครตรอน เข้าสู่ระบบลำเลียงแสง
ระบบลำเลียงแสง Beamline (BL)

ทำหน้าที่ลำเลียงแสงซินโครตรอนมายังสถานีทดลองเพื่อให้นักวิทยาศาสตร์ใช้ในการทดลอง โดยระหว่างทางจะมีการโฟกัสลำแสงและคัดเลือกพลังงานแสงเพื่อใช้ ณ สถานีทดลองนั้นๆ
สถานีทดลอง Experimental Station

ส่วนสุดท้ายที่ต่อจากระบบลำเลียงแสง ซึ่งมีระบบวัดสัญญาณติดตั้งอยู่เพื่อดำเนินงานด้วยเทคนิคการทดลองเฉพาะด้าน เช่น การกระเจิง (Scattering) การดูดกลืน (Absorption) การปลดปล่อย (Emission) หรือการเรืองรังสี (Fluorescence) ซึ่งข้อมูลต่างๆ จะผ่านตัวตรวจวัดสัญญาณ (Detector) ถูกส่งไปยังคอมพิวเตอร์เพื่อประมวลผล โดยนักวิทยาศาสตร์จะนำไปวิเคราะห์โครงสร้างของสสารในระดับโมเลกุลหรือโครงสร้างอะตอมเพื่อทำการวิจัยต่อไป

ห้องปฏิบัติการแสงสยาม จ.นครราชสีมา

เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน ณ ห้องปฏิบัติการแสงสยาม มองเห็นแม่เหล็กสีน้ำเงินและสีแดงเรียงโค้งตามวงกักเก็บอิเล็กตรอน — เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน ณ ห้องปฏิบัติการแสงสยาม จ.นครราชสีมา

แสงซินโครตรอนที่เกิดขึ้นเองในธรรมชาติ

แสงซินโครตรอนเกิดขึ้นได้ในธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น เนบิวลาปูในอวกาศ คือ กลุ่มของฝุ่นและก๊าซในอวกาศที่บางส่วนอยู่ในรูปของไอออนประจุบวกและประจุลบ เมื่อประจุเหล่านี้มีการเคลื่อนที่เข้าหากันหรือออกจากกันด้วยความเร่ง ก็จะทำให้เกิดแสงซินโครตรอนในลักษณะเดียวกันกับการกำเนิดแสงซินโครตรอนด้วยเครื่องเร่งอนุภาคที่สร้างด้วยฝีมือมนุษย์

เนบิวลาปู กลุ่มฝุ่นและก๊าซรูปทรงรีในอวกาศ เส้นใยสีส้มและเขียวล้อมรอบใจกลางที่เรืองแสงสีฟ้าอมขาว — เนบิวลาปู (Crab Nebula) ภาพจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล
ภาพ: NASA, ESA, J. Hester และ A. Loll (Arizona State University)

เกิดอะไรขึ้นเมื่อแสงซินโครตรอนกระทบวัตถุ?

เมื่อแสงซินโครตรอนกระทบวัตถุจะเกิดปรากฏการณ์ทางแสงต่างๆ ได้แก่ การปลดปล่อยอิเล็กตรอน การดูดกลืนรังสีเอกซ์ การดูดกลืนรังสีอินฟราเรด การเรืองรังสีเอกซ์ การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ และการกระเจิงรังสีเอกซ์ ซึ่งปรากฏการณ์ทางแสงเหล่านี้นำไปสู่การวัด วิเคราะห์ และทดสอบคุณสมบัติของสารตัวอย่างในระดับอะตอมและโมเลกุล เพื่อการประยุกต์ใช้งานด้านต่างๆ

การปลดปล่อย Emission

Photoemission electron spectroscopy
การปลดปล่อยอิเล็กตรอน: วัดค่าพลังงานของอิเล็กตรอนที่ปลดปล่อยออกมาเมื่อถูกกระตุ้นด้วยรังสีเอกซ์

การดูดกลืน Absorption

X-ray absorption spectroscopy
การดูดกลืนรังสีเอกซ์: วัดค่าการดูดกลืนของรังสีเอกซ์ที่ค่าพลังงานต่างๆ
Infrared absorption spectroscopy
การดูดกลืนรังสีอินฟราเรด: วัดค่าพลังงานการสั่นของโมเลกุล เมื่อกระตุ้นด้วยรังสีอินฟราเรด

การเรืองรังสี Fluorescence

X-ray fluorescence
การเรืองรังสีเอกซ์: วัดค่าการคายพลังงานเมื่อตัวอย่างถูกกระตุ้นด้วยรังสีเอกซ์

การเลี้ยวเบนและการกระเจิง Diffraction and Scattering

การวัดค่าการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ที่มุมต่างๆ เมื่อรังสีเอกซ์ตกกระทบกับตัวอย่าง

Small/Wide angle X-ray scattering
การกระเจิงรังสีเอกซ์มุมแคบ/มุมกว้าง
X-ray diffraction
การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์
Macromolecular crystallography
การศึกษาโครงสร้างผลึกสารชีวโมเลกุลขนาดใหญ่ด้วยรังสีเอกซ์พลังงานสูง

การส่องผ่าน Transmission

X-ray absorption spectroscopy
การดูดกลืนรังสีเอกซ์: วัดค่าการดูดกลืนของรังสีเอกซ์ที่ค่าพลังงานต่างๆ

คุณสมบัติของแสงซินโครตรอน

มีความสว่างกว่าแสงในเวลากลางวันกว่าล้านเท่า

มีความคมชัด และความเข้มสูง

ลำแสงเล็กได้ถึงขนาดเส้นผม

มีอำนาจการทะลุทะลวงสูง

ไม่ทำลายสารตัวอย่าง

วิเคราะห์สารตัวอย่างที่มีปริมาณน้อยมากๆ ได้

ครอบคลุมช่วงความยาวคลื่นต่อเนื่อง ตั้งแต่รังสีอินฟราเรด แสงที่ตามองเห็น รังสีอัลตราไวโอเลต และรังสีเอกซ์

คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้สามารถศึกษาถึงโครงสร้างระดับอะตอมของธาตุชนิดต่างๆ ได้ นอกจากนี้ยังทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเลือกใช้ช่วงความยาวคลื่นหรือพลังงานที่เหมาะสม เพื่อนำมาใช้ศึกษาในงานวิจัยด้านต่างๆ ตามที่ต้องการได้ อีกทั้งยังใช้ในการพัฒนา/ปรับปรุงผลิตภัณฑ์ และแก้ไขปัญหากระบวนการผลิต สร้างองค์ความรู้ทางวิทยาศาสตร์และสร้างนวัตกรรมให้กับประเทศ

การนำแสงซินโครตรอนไปใช้ประโยชน์

แสงซินโครตรอนสามารถนำไปวิเคราะห์สิ่งต่างๆ ที่ตามองไม่เห็นได้ถึงระดับโมเลกุลและอะตอม จึงสามารถประยุกต์ใช้งานได้หลากหลาย

การวิจัยทางการแพทย์

เช่น การพัฒนายา การพัฒนาวัคซีน การวิเคราะห์เนื้อเยื่อและเซลล์มะเร็ง เป็นต้น

การศึกษาทางชีววิทยา

เช่น โครงสร้างโปรตีน เอนไซม์ และไวรัส เป็นต้น

วัสดุและอุตสาหกรรม

การพัฒนาวัสดุใหม่ๆ และการตรวจสอบคุณภาพของผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม

อาหารและการเกษตร

ภาคอุตสาหกรรมอาหารและเกษตร ช่วยเพิ่มมูลค่าผลิตภัณฑ์และตรวจสอบความปลอดภัย

โบราณวัตถุและงานศิลปะ

การวิเคราะห์วัตถุโบราณและงานศิลปะ ช่วยวิเคราะห์องค์ประกอบโดยไม่ทำลายวัตถุ

สิ่งแวดล้อม

ช่วยตรวจสอบสารปนเปื้อนในน้ำ ดิน และอากาศอย่างแม่นยำ

เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนทั่วโลก

ปัจจุบันมีเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนมากกว่า 50 แห่งทั่วโลก ทั้งในยุโรป อเมริกา เอเชีย และออสเตรเลีย ประเทศที่มีความก้าวหน้าด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีต่างให้ความสำคัญกับการลงทุนสร้างเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน เพื่อเป็นโครงสร้างพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ที่ช่วยยกระดับขีดความสามารถในการวิจัยและพัฒนานวัตกรรมของประเทศ

สำหรับประเทศไทยมีเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเครื่องแรกระดับพลังงาน 1.2 GeV ตั้งอยู่ที่สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน จ.นครราชสีมา และในอนาคตประเทศไทยจะมีเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเครื่องใหม่ระดับพลังงาน 3 GeV ที่จะขยายขีดความสามารถในการวิจัยเพื่อสร้างมูลค่าเพิ่มทางเศรษฐกิจให้ประเทศต่อไป