เครื่องเร่งอนุภาค
เครื่องกำเนิดแสงสยามคืออะไร?
What is the Siam Photon Sourceเครื่องกำเนิดแสงสยาม (Siam Photon Source: SPS-I) เป็นเครื่องเร่งอนุภาคที่ใช้สำหรับผลิตแสงซินโครตรอนเครื่องแรกของประเทศไทย ดำเนินการโดยสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) หรือ สซ. หน่วยงานในกำกับของกระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม ตั้งอยู่ในพื้นที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี จังหวัดนครราชสีมา เครื่องกำเนิดแสงสยามเร่งอิเล็กตรอนให้มีความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสง แล้วลำเลียงแสงที่ปลดปล่อยออกมาไปยังสถานีทดลองสำหรับใช้ในการวิจัย
โครงการเครื่องกำเนิดแสงสยามเริ่มต้นในปี พ.ศ. 2539 ด้วยการตั้งศูนย์ปฏิบัติการวิจัยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนแห่งชาติ โดยรับมอบชิ้นส่วนหลักและวงกักเก็บอิเล็กตรอนจากห้องปฏิบัติการ SORTEC ประเทศญี่ปุ่นที่ปิดตัวลง นำมาปรับปรุงใหม่ให้ทำงานที่พลังงาน 1.2 GeV ก่อนจะกักเก็บอิเล็กตรอนและเห็นแสงซินโครตรอนครั้งแรกในปี พ.ศ. 2544 และเปิดให้บริการแสงแก่นักวิจัยเป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2546 ต่อมาในปี พ.ศ. 2551 จึงได้รับการจัดตั้งเป็นสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) หน่วยงานที่ดำเนินการมาจนถึงปัจจุบัน
การรับมอบและดัดแปลงเครื่องเร่งอนุภาคดังกล่าว ทำให้นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรไทยเกิดการเรียนรู้และสร้างความชำนาญในเทคโนโลยีขั้นสูง เช่น ระบบสุญญากาศยิ่งยวด และการสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูงด้วยแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด นับตั้งแต่เปิดให้บริการ SPS-I ได้สนับสนุนงานวิจัยหลากหลายสาขา ทั้งวัสดุศาสตร์ เกษตรและอาหาร เภสัชกรรม การกักเก็บพลังงาน สิ่งแวดล้อม และมรดกทางวัฒนธรรม
- 2539
ตั้งศูนย์ปฏิบัติการวิจัยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนแห่งชาติ
- 2543
ติดตั้งเครื่องเร่งอนุภาคและระบบจ่ายไฟฟ้าแล้วเสร็จ
- 2544
กักเก็บอิเล็กตรอนพลังงาน 1 GeV และเห็นแสงซินโครตรอนครั้งแรก
- 2548
เพิ่มพลังงานอิเล็กตรอนในวงกักเก็บเป็น 1.2 GeV
- 2551
ติดตั้งอุปกรณ์แทรก Undulator U60
- 2552
ผลิตฮีเลียมเหลวจาก Cryogenics plant ของสถาบันสำเร็จ
- 2556
ติดตั้งอุปกรณ์แทรก Superconducting Wavelength Shifter 6.5 T และ Multipole Wiggler 2.2 T สำเร็จ
- 2559
ติดตั้งระบบโพรงความถี่คลื่นวิทยุตัวใหม่แล้วเสร็จ
- 2561
พัฒนาระบบฉีดอิเล็กตรอนแบบเต็มพลังงาน (Full energy injection) สำเร็จ และติดตั้ง Superconducting Multipole Wiggler 3.5 T แล้วเสร็จ
- ปัจจุบัน
เปิดให้บริการเต็มศักยภาพ
- SPS-II
เครื่องกำเนิดแสง 3 GeV เครื่องใหม่
หลักการทำงานของเครื่องเร่งอนุภาค
กดแต่ละส่วนของผังเพื่อดูหน้าที่ หรือกด “ชมทีละขั้น”อิเล็กตรอนถูกผลิตจากปืนอิเล็กตรอน เร่งในแนวตรงด้วย LINAC เป็น 40 MeV เร่งต่อในแนววงกลมด้วย Booster Synchrotron จนได้ 1.2 GeV แล้วส่งเข้าวงกักเก็บอิเล็กตรอน ซึ่งเมื่ออิเล็กตรอนเลี้ยวโค้งในสนามแม่เหล็กจะปลดปล่อยแสงซินโครตรอนออกไปยังระบบลำเลียงแสงและสถานีทดลอง
ผลิตอิเล็กตรอนจำนวนมากด้วยการให้ความร้อนแก่ไส้โลหะจนอิเล็กตรอนหลุดออกมา แล้วใช้สนามไฟฟ้าแรงสูงดึงอิเล็กตรอนให้เคลื่อนที่เข้าสู่เครื่องเร่งอนุภาคแนวตรง
แบ่งอิเล็กตรอนออกเป็นกลุ่มเล็ก ๆ เรียกว่า electron bunch แล้วเร่งด้วยคลื่นไมโครเวฟไปตามแนวเส้นตรงจนมีพลังงานถึง 40 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (40 MeV) ก่อนส่งต่อเข้าเครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลม
นำลำอิเล็กตรอนพลังงาน 40 MeV จาก LINAC เข้าสู่เครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลม (Booster Synchrotron)
เครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลม เส้นรอบวง 43 เมตร เร่งพลังงานต่อเนื่องด้วย RF Cavity 118 MHz ราว 4 ล้านรอบ ใน 0.6 วินาที ได้พลังงาน 1.2 GeV
นำลำอิเล็กตรอนพลังงาน 1.2 GeV จาก Booster Synchrotron เข้าสู่วงกักเก็บอิเล็กตรอน (Storage Ring)
วงกักเก็บอิเล็กตรอน เส้นรอบวง 81.3 เมตร กักเก็บและบังคับอิเล็กตรอนปลดปล่อยแสงเมื่อเลี้ยวโค้งในแม่เหล็กสองขั้ว หรือในอุปกรณ์แทรก
ติดตั้งเสริมในวงกักเก็บอิเล็กตรอนเพื่อเพิ่มความเข้มหรือพลังงานแสง ได้แก่ Undulator U60 เพิ่มความเข้มแสง, SWLS และ SMPW แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดที่ผลิตรังสีเอกซ์พลังงานสูง และ MPW แม่เหล็กถาวรหลายขั้วเพิ่มพลังงานแสง
นำแสงซินโครตรอนจากวงกักเก็บอิเล็กตรอนผ่านกระจกรวมแสง monochromator และกระจกโฟกัส ไปยังสถานีทดลอง ซึ่งแสงจะพุ่งชนตัวอย่าง เกิดการกระเจิง การดูดกลืน หรือการเรืองรังสี แล้วตัวตรวจวัดจะบันทึกข้อมูลเพื่อวิเคราะห์โครงสร้างในระดับอะตอมหรือโมเลกุล
หน้าที่ของแต่ละส่วนประกอบ
Componentsเส้นทางของแสงซินโครตรอนไม่ได้จบที่วงกักเก็บอิเล็กตรอน แต่ต่อเนื่องไปจนถึงสถานีทดลอง แต่ละส่วนประกอบทำหน้าที่เฉพาะดังนี้
Electron Gunปืนอิเล็กตรอน
ผลิตอิเล็กตรอนจำนวนมากด้วยการให้ความร้อนแก่ไส้โลหะจนอิเล็กตรอนหลุดออกมา แล้วใช้สนามไฟฟ้าแรงสูงดึงอิเล็กตรอนให้เคลื่อนที่เข้าสู่เครื่องเร่งอนุภาคแนวตรง
LINACเครื่องเร่งอนุภาคแนวตรง
แบ่งอิเล็กตรอนออกเป็นกลุ่มเล็ก ๆ เรียกว่า electron bunch แล้วเร่งด้วยคลื่นไมโครเวฟไปตามแนวเส้นตรงจนมีพลังงานถึง 40 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (40 MeV) ก่อนส่งต่อเข้าเครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลม
Booster Synchrotronเครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลม
เพิ่มพลังงานอิเล็กตรอนต่อด้วยคลื่นวิทยุในแนววงกลมแทนแนวเส้นตรง เพราะการเร่งพลังงานระดับนี้ด้วยเครื่องเร่งเชิงเส้นอย่างเดียวจะต้องมีความยาวหลายกิโลเมตร การบังคับให้อิเล็กตรอนวิ่งวนซ้ำจึงประหยัดพื้นที่กว่ามาก ใช้เวลาราว 0.6 วินาทีก่อนส่งต่อไปยังวงกักเก็บอิเล็กตรอน
Storage Ringวงกักเก็บอิเล็กตรอน
กักเก็บอิเล็กตรอนให้วิ่งวนต่อเนื่อง ภายในประกอบด้วยแม่เหล็กสองขั้ว (บังคับให้อิเล็กตรอนเลี้ยวโค้ง ซึ่งเป็นจุดปลดปล่อยแสงซินโครตรอน) และแม่เหล็กสี่ขั้ว-หกขั้ว (ควบคุมโฟกัสและความเสถียรของลำอิเล็กตรอนในท่อสุญญากาศ)
Beamlinesระบบลำเลียงแสง
นำแสงซินโครตรอนจากวงกักเก็บอิเล็กตรอนไปยังสถานีทดลอง ประกอบด้วยท่อสุญญากาศ กระจกรวมแสง ระบบคัดเลือกพลังงานแสง (monochromator) กระจกโฟกัสแสง และช่องสำหรับแสงส่องผ่าน เพื่อคัดกรองและโฟกัสแสงในย่านพลังงานที่ต้องการก่อนถึงตัวอย่าง
Insertion Devicesอุปกรณ์แทรก
ติดตั้งเสริมในวงกักเก็บอิเล็กตรอนเพื่อเพิ่มความเข้มหรือพลังงานแสง SPS-I ใช้งาน 4 ชนิด ได้แก่ Undulator U60 (เพิ่มความเข้มแสง), Superconducting Wavelength Shifter (SWLS) สนามแม่เหล็ก 6.5 เทสลา, Superconducting Multipole Wiggler (SMPW) สนามแม่เหล็ก 3.5 เทสลา ซึ่งทั้งสองตัวผลิตรังสีเอกซ์พลังงานสูง และ Multipole Wiggler (MPW) แม่เหล็กถาวรหลายขั้ว 2.2 เทสลา เพิ่มพลังงานแสง
Experimental Stationสถานีทดลอง
จุดที่แสงซินโครตรอนพุ่งชนตัวอย่างวิจัย เกิดการกระเจิง การดูดกลืน หรือการเรืองรังสี ซึ่งตัวตรวจวัดสัญญาณจะบันทึกและส่งข้อมูลไปประมวลผลด้วยคอมพิวเตอร์ เพื่อวิเคราะห์โครงสร้างของตัวอย่างในระดับอะตอมหรือโมเลกุล
ข้อมูลจำเพาะทางเทคนิค
Technical Specifications- พลังงานลำอิเล็กตรอน1.2 GeV
- เส้นรอบวงกักเก็บอิเล็กตรอน (Storage Ring)81.3 เมตร
- เส้นรอบวง Booster Synchrotron43 เมตร
- กระแสอิเล็กตรอนที่ฉีดเข้าต่อรอบการเติม150 mA
- อิมิตแตนซ์ของลำอิเล็กตรอน41 nm·rad
- ค่าชีวิตลำอิเล็กตรอน≈ 17 ชั่วโมง ที่ 100 mA
- พลังงาน LINAC40 MeV (2 ชุด ชุดละ 20 MeV)
- ความถี่ RF Cavity118 MHz
- อุปกรณ์แทรก (Insertion Device)U60 · MPW 2.2 T · SWLS 6.5 T · SMPW 3.5 T
- ช่วงพลังงานแสงที่ผลิตได้อินฟราเรด — รังสีเอกซ์พลังงานสูง
ระบบสนับสนุนของเครื่องเร่งอนุภาค
Supporting Systemsนอกจากลำอิเล็กตรอนและแม่เหล็กที่เห็นได้ชัดเจน เครื่องเร่งอนุภาคยังต้องอาศัยระบบสนับสนุนอีกหลายระบบทำงานประสานกันตลอดเวลา
ระบบแม่เหล็กMagnets
รายละเอียดเพิ่มเติม
ระบบสุญญากาศVacuum
รายละเอียดเพิ่มเติม
ระบบควบคุมControl
รายละเอียดเพิ่มเติม
ระบบความเย็นยวดยิ่งCryogenic
รายละเอียดเพิ่มเติม
ระบบสาธารณูปโภคUtilities
รายละเอียดเพิ่มเติม
ระบบไฟฟ้ากำลังElectrical
รายละเอียดเพิ่มเติม
ระบบ RFRF System
รายละเอียดเพิ่มเติม
ระบบตรวจวัดคุณลักษณะของลำอนุภาคBeam Diagnostics System
รายละเอียดเพิ่มเติม
เทียบกับเครื่องกำเนิดแสงอื่นในโลก
เส้นรอบวงของวงกักเก็บอิเล็กตรอน (เมตร)เมื่อเทียบกับเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนระดับชาติของประเทศอื่น SPS-I จัดอยู่ในกลุ่มที่มีขนาดกะทัดรัดและพลังงานค่อนข้างต่ำ ซึ่งเป็นจุดเด่นสำหรับงานวิจัยที่ต้องการพลังงานต่ำ
Siam Photon Source II
สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอนกำลังพัฒนาเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนขนาดพลังงาน 3 GeV เครื่องใหม่ ถูกออกแบบให้มีความสามารถในการให้บริการแสงที่เพิ่มขึ้นและคุณภาพของแสงที่ดีเยี่ยม เพื่อขยายศักยภาพงานวิจัยของประเทศไทย และยกระดับให้ทัดเทียมกับเครื่องกำเนิดแสงรุ่นใหม่ทั่วโลก โดย SPS-I จะยังคงเปิดให้บริการต่อไปในระหว่างการพัฒนา
ดูโครงการ SPS-II