งานพัฒนาท่อสุญญากาศสำหรับระบบสุญญากาศระดับสูงยิ่งยวด (Ultra-High Vacuum: UHV) เป็นส่วนสำคัญของการสร้างเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนระดับพลังงาน 3 GeV (SPS-II) ลำอิเล็กตรอนในวงกักเก็บวิ่งวนอยู่ในท่อสุญญากาศเป็นระยะทางนับพันล้านกิโลเมตร หากชนกับโมเลกุลแก๊สในท่อ อิเล็กตรอนจะหลุดออกจากวงโคจร ท่อจึงต้องมีโมเลกุลแก๊สเหลือเพียงราวยี่สิบห้าล้านตัวต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ขณะที่อากาศรอบตัวเราในปริมาตรเท่ากันมีราวยี่สิบห้าล้านล้านล้านตัว หรือมากกว่าประมาณหนึ่งล้านล้านเท่า (ความดันราว 10⁻⁷ Pa)

แม้ปั๊มสุญญากาศจะดึงแก๊สออกจากท่อได้เกือบหมดแล้ว ผิวด้านในของท่อก็ยังปล่อยโมเลกุลแก๊สออกมาตลอดเวลา และปล่อยมากขึ้นเมื่อถูกแสงซินโครตรอนตกกระทบ ความสะอาดของผิวท่อจึงเป็นตัวกำหนดความดันที่ระบบทำได้จริง นอกจากนี้ ท่อยังต้องสอดผ่านช่องของแม่เหล็กซึ่งมีขนาดเพียงขนาดเล็กมาก ชิ้นงานจึงต้องผลิตได้แม่นยำในระดับ 100 ไมครอน

การผลิตท่อสุญญากาศให้ได้ตามเงื่อนไขทั้งสองข้อนี้ต้องอาศัยหลายขั้นตอน ได้แก่ การจำลองการกระจายความดันและความร้อนจากแสงซินโครตรอน การออกแบบทางวิศวกรรม การกัดขึ้นรูปที่แม่นยำ การทำความสะอาดผิวด้วยกระบวนการพิเศษ และการทดสอบอัตรารั่วและอัตราการปล่อยแก๊ส

การกัดขึ้นรูปโลหะด้วยเครื่อง CNC ทั่วไปใช้น้ำมันหล่อเย็นเพื่อระบายความร้อนและหล่อลื่นคมมีด คราบน้ำมันส่วนหนึ่งจะติดค้างที่ผิวชิ้นงาน และกลายเป็นแหล่งปล่อยแก๊สเมื่อนำไปใช้ในระบบสุญญากาศ โครงการจึงพัฒนากระบวนการกัดขึ้นรูปที่ใช้เอทานอลแทนน้ำมันหล่อเย็น เพราะเอทานอลระเหยออกจากผิวได้หมดโดยไม่ทิ้งคราบ เทคโนโลยี Oil-less Machining นี้มีประโยชน์ดังนี้

1. ความแม่นยำในการขึ้นรูปสูง

   ละอองเอทานอลถูกพ่นมาพร้อมลมเย็นที่แห้งมาก เอทานอลระเหยทันทีที่สัมผัสจุดตัดและดึงความร้อนออกไปด้วย ชิ้นงานจึงไม่สะสมความร้อนจนขยายตัวหรือบิดตัว ลมที่มีจุดน้ำค้างต่ำถึง −120 °C ยังทำให้ทำความเย็นได้ต่ำโดยไม่มีน้ำหรือน้ำแข็งเกาะบนผิวชิ้นงาน

2. พื้นผิวสะอาดตั้งแต่ขั้นตอนการผลิต

   อะลูมิเนียมจะสร้างชั้นออกไซด์บาง ๆ ทันทีที่ผิวใหม่สัมผัสอากาศ ถ้ากัดด้วยน้ำมัน สารไฮโดรคาร์บอนจะถูกกักไว้ในชั้นนี้และล้างออกยาก เมื่อกัดด้วยเอทานอล ชั้นออกไซด์จะเกิดบนผิวโลหะที่สะอาด ซึ่งเป็นสาเหตุให้ชิ้นงานมีการปลดปล่อยแก๊สต่ำตั้งแต่ต้น

3. เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

   กระบวนการนี้ไม่มีน้ำมันหล่อเย็นใช้แล้ว และไม่ต้องใช้สารละลายกรดและด่างเข้มข้นซึ่งจำเป็นสำหรับล้างชิ้นงานที่กัดด้วยน้ำมัน จึงลดของเสียอันตรายตั้งแต่ขั้นตอนการผลิตจนถึงขั้นตอนการทำความสะอาด

หลังจากพัฒนากระบวนการผลิตตั้งแต่การขึ้นรูปอะลูมิเนียม การกัดขึ้นรูป การทำความสะอาด จนถึงการเชื่อม โครงการได้สร้างต้นแบบท่อสุญญากาศเพื่อยืนยันว่ากระบวนการทั้งหมดควบคุมความแม่นยำและความสะอาดของชิ้นงานได้ตามข้อกำหนดของระบบสุญญากาศขั้นสูงยิ่งยวด ต้นแบบแต่ละชิ้นใช้ทดสอบคุณสมบัติต่างกัน

• ท่อสุญญากาศส่วนตรงStraight vacuum chamberใช้ตรวจการเสียรูปจากการเชื่อมตลอดความยาวท่อ
• ท่อสุญญากาศส่วนโค้ง VCB-4Bending vacuum chamberมีรูปทรงซับซ้อนที่สุด จึงใช้ทดสอบทั้งความแม่นยำของการกัดขึ้นรูปและความแน่นของรอยเชื่อม
• ห้องทดสอบการปล่อยแก๊สThermal outgassing test chamberใช้วัดปริมาณแก๊สที่ผิวด้านในปลดปล่อยออกมา

ท่อสุญญากาศส่วนตรงและส่วนโค้ง ที่ประกอบและเชื่อมแล้ว แม้จะมีขนาดยาวถึง 1.5–1.7 เมตร แต่มีความแม่นยำในการผลิตสูงในพิกัดความคลาดเคลื่อนเพียง ± 0.230 มิลลิเมตร และเมื่อตรวจอัตราการรั่วด้วยแก๊สฮีเลียม พบว่ามีอัตรารั่วสูงสุดเพียง 6.5 × 10⁻¹¹ mbar·L/s อัตรารั่วระดับนี้เทียบได้กับอากาศ 1 ลูกบาศก์เซนติเมตรที่ต้องใช้เวลาราว 500 ปีจึงจะรั่วเข้าไปในท่อจนหมด

ท่อสุญญากาศสำหรับการทดสอบการปลดปล่อยแก๊สที่ผลิตด้วยกระบวนการเดียวกัน เมื่อผ่านการอบไล่แก๊ส (bake-out) ที่ 150 °C เป็นเวลา 24 ชั่วโมง มีอัตราการปล่อยแก๊สจากผิวเพียง 1.38 × 10⁻¹³ mbar·L/(s·cm²) ต่ำกว่าเป้าหมายที่ 5 × 10⁻¹² mbar·m³/(s·m²) ประมาณ 36 เท่า ผลนี้ยืนยันว่ากระบวนการกัดขึ้นรูปโดยไม่ใช้น้ำมันและการทำความสะอาดให้ผิวท่อที่สะอาดเพียงพอสำหรับระบบสุญญากาศของ SPS-II

• ± 0.230มม.พิกัดความคลาดเคลื่อนของท่อส่วนตรงและส่วนโค้งที่ยาว 1.5–1.7 เมตร
• 6.5 × 10⁻¹¹อัตรารั่วสูงสุดเมื่อตรวจด้วยแก๊สฮีเลียม (mbar·L/s)
• ≈ 500ปีเวลาที่อากาศ 1 ลูกบาศก์เซนติเมตรจะรั่วเข้าไปในท่อจนหมด ที่อัตรารั่วระดับนี้
• 1.38 × 10⁻¹³อัตราการปล่อยแก๊สจากผิว หลังอบไล่แก๊สที่ 150 °C นาน 24 ชั่วโมง (mbar·L/(s·cm²))

ระบบแม่เหล็ก (Magnet System) เป็นหนึ่งในองค์ประกอบสำคัญของเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนระดับพลังงาน 3 GeV ทำหน้าที่ควบคุมและกำหนดเส้นทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน และควบคุมลำอิเล็กตรอนให้มีคุณสมบัติตามที่ต้องการ

เพื่อรองรับการพัฒนาเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนระดับพลังงาน 3 GeV สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) ได้ดำเนินการพัฒนา ต้นแบบแม่เหล็ก (Magnet Prototype) สำหรับวงกักเก็บอิเล็กตรอน (Storage Ring) และเครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลม (Booster Synchrotron) โดยร่วมมือกับผู้ผลิตภายในประเทศ ตั้งแต่การออกแบบทางฟิสิกส์และวิศวกรรม การจัดทำแบบสำหรับการผลิต การผลิตแกนแม่เหล็กและขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า การประกอบแม่เหล็ก ไปจนถึงการตรวจสอบและทดสอบคุณสมบัติของแม่เหล็กแต่ละชนิด

แม่เหล็กแต่ละชนิดมีหน้าที่ต่างกัน และมีชื่อเรียกตามจำนวนขั้วแม่เหล็กดังนี้

• แม่เหล็กสองขั้วDipole

  มีหน้าที่บังคับให้อิเล็กตรอนเลี้ยวโค้ง และเป็นจุดที่ทำให้เกิดแสงซินโครตรอน

• แม่เหล็กสี่ขั้วQuadrupole

  มีหน้าที่โฟกัสลำอิเล็กตรอน

• แม่เหล็กหกขั้วSextupole

  มีหน้าที่แก้ไขผลกระทบจากความคลาดเคลื่อนของพลังงานของอิเล็กตรอน

• แม่เหล็กแปดขั้วOctupole

  มีหน้าที่แก้ไขผลกระทบจากความคลาดเคลื่อนของสนามแม่เหล็กแบบไม่เป็นเชิงเส้น ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ได้เสถียรขึ้น

ก่อนที่อิเล็กตรอนจะเข้าสู่วงกักเก็บอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนจะต้องถูกเร่งและเตรียมให้มีพลังงานสูงถึง 3 GeV และมีคุณสมบัติตามที่กำหนด โดยเครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลมทำหน้าที่เป็นส่วนสำคัญในการเร่งพลังงานและควบคุมลำอิเล็กตรอนให้เป็นไปตามเงื่อนไขที่ต้องการ จึงต้องอาศัยแม่เหล็กหลายชนิดที่ทำงานร่วมกันอย่างแม่นยำ ต้นแบบแม่เหล็กสำหรับเครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลมประกอบไปด้วย

• Combined Dipole Magnet BD
• Quadrupole Magnet QF, QD
• Sextupole Magnet SF/SD
• Correcting Magnet CH

• ต้นแบบแม่เหล็กสองขั้ว-สี่ขั้ว-หกขั้วCombined Dipole Magnet

  

  

  สนามแม่เหล็ก

  1.048T2.084T/m29.995T/m²

  กระแสไฟฟ้าสูงสุด

  665A

• ต้นแบบแม่เหล็กสี่ขั้ว-หกขั้วCombined Quadrupole Magnet

  

  

  สนามแม่เหล็ก

  19.395T/m22.326T/m²

  กระแสไฟฟ้าสูงสุด

  300A

• ต้นแบบแม่เหล็กสี่ขั้วQuadrupole Magnet

  

  

  สนามแม่เหล็ก

  0.7T/m

  กระแสไฟฟ้าสูงสุด

  20A

• ต้นแบบแม่เหล็กหกขั้วSextupole Magnet

  

  

  สนามแม่เหล็ก

  133T/m²

  กระแสไฟฟ้าสูงสุด

  81A

• ต้นแบบแม่เหล็กสองขั้วHorizontal Correcting Magnet

  

  

  สนามแม่เหล็ก

  0.1T

  กระแสไฟฟ้าสูงสุด

  12A

วงกักเก็บอิเล็กตรอนของเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนระดับพลังงาน 3 GeV มีการออกแบบการจัดเรียงแม่เหล็กในรูปแบบ Double Triple Bend Achromat (DTBA) โดยต้นแบบแม่เหล็กที่พัฒนาขึ้นครอบคลุมชุดแม่เหล็กสำหรับครึ่งเซลล์ (Half-cell) ของโครงสร้างการจัดเรียงแม่เหล็กดังกล่าว ภายในหนึ่ง Half-cell ประกอบด้วยแม่เหล็กหลายชนิดที่ทำงานร่วมกัน เพื่อควบคุมทั้งทิศทาง ขนาด และคุณภาพของลำอิเล็กตรอน ได้แก่

• Dipole Magnet BM1, BM2
• Combined Dipole-Quadrupole Magnet DQ1
• Quadrupole Magnet QF, QD
• Sextupole Magnet SF, SD
• Octupole Magnet OF

• ต้นแบบแม่เหล็กสองขั้วDipole Magnet

  

  

  สนามแม่เหล็ก

  0.87T

  กระแสไฟฟ้า

  530A

• ต้นแบบแม่เหล็กสองขั้ว-สี่ขั้วCombined Dipole-Quadrupole Magnet

  

  

  สนามแม่เหล็ก

  0.60T26.4T/m

  กระแสไฟฟ้า

  145A

• ต้นแบบแม่เหล็กสี่ขั้วQuadrupole Magnet

  

  

  สนามแม่เหล็ก

  44 – 60T/m

  กระแสไฟฟ้า

  85 – 113A

• ต้นแบบแม่เหล็กหกขั้วSextupole Magnet

  

  

  สนามแม่เหล็ก

  1,800T/m²

  กระแสไฟฟ้า

  85A

• ต้นแบบแม่เหล็กแปดขั้วOctupole Magnet

  

  

  สนามแม่เหล็ก

  72,000T/m³

  กระแสไฟฟ้า

  103A

เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนระดับพลังงาน 3 GeV อิเล็กตรอนวิ่งด้วยความเร็วใกล้แสงภายในวงกักเก็บอิเล็กตรอน (Storage Ring) โดยมีแม่เหล็กจำนวนมากทำหน้าที่บังคับทิศทางและควบคุมอิเล็กตรอน แม่เหล็กเหล่านี้ต้องวางในตำแหน่งที่แม่นยำระดับไมโครเมตร ซึ่งเล็กกว่าเส้นผมหลายเท่า โครงสร้างที่ทำให้ความแม่นยำนี้เป็นไปได้คือ “Girder” หรือ “ต้นแบบแท่นปรับพิกัดตำแหน่งแม่เหล็ก”

วงกักเก็บอิเล็กตรอนประกอบด้วย 14 เซลล์แบบ DTBA แต่ละเซลล์ใช้ Girder 6 ชุด รวมทั้งสิ้น 84 ชุด มีความยาว 5 แบบ เพื่อรองรับตำแหน่งของแม่เหล็ก อุปกรณ์วัดตำแหน่งลำอิเล็กตรอน (BPM) แม่เหล็กปรับแก้ และวาล์ว ที่แตกต่างกันไปในแต่ละช่วง

• 3GeVระดับพลังงานของเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน
• 14เซลล์แบบ DTBA ในวงกักเก็บอิเล็กตรอน
• 84ชุด Girder ทั้งหมด (6 ชุดต่อเซลล์)
• ≤ 15µmความตรงของร่องอ้างอิงด้านบน Girder

1. โครงสร้าง Girder Girder Structure

   เป็นโครงสร้างหลักสำหรับรองรับแม่เหล็กและอุปกรณ์ต่าง ๆ ภายใน Storage Ring โดยออกแบบเป็นโครงสร้างเหล็กแบบกล่องที่มีความแข็งแรงสูง ภายในมีคานและแผ่นเสริมความแข็งแรง เพื่อช่วยลดการเสียรูปเมื่อรับน้ำหนักของแม่เหล็ก บริเวณด้านบนของ Girder มีร่องสำหรับใช้เป็นแนวอ้างอิงในการติดตั้งและจัดตำแหน่งแม่เหล็ก ซึ่งต้องผลิตให้มีความแม่นยำสูงมาก โดยควบคุมความตรงไว้ไม่เกิน 15 ไมโครเมตร พร้อมทั้งมีจุดอ้างอิงและรูสำหรับกำหนดตำแหน่งของอุปกรณ์ให้ถูกต้อง

2. ฐานรองรับ Pedestal

   ทำหน้าที่เชื่อมต่อระหว่าง Girder กับพื้นคอนกรีตของอุโมงค์ ทำหน้าที่รับน้ำหนักของ Girder และแม่เหล็ก แล้วถ่ายน้ำหนักลงสู่พื้นอย่างมั่นคง ช่วยให้ Girder ตั้งอยู่ได้อย่างเสถียร และลดผลกระทบจากแรงสั่นสะเทือนที่อาจส่งมาจากพื้นหรืออุปกรณ์โดยรอบ

3. ชุดปรับระดับ Wedgemount

   กลไกที่ใช้สำหรับปรับและจัดตำแหน่งของ Girder ให้ได้ตำแหน่งที่ต้องการอย่างละเอียด โดยติดตั้งอยู่ระหว่าง Pedestal กับ Girder นอกจากช่วยจัดตำแหน่งแล้ว ยังช่วยยึด Girder ให้อยู่กับที่อย่างมั่นคง ขณะเดียวกันก็รองรับการขยายหรือหดตัวของโครงสร้างจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้ โดยไม่ทำให้เกิดความเค้นสะสมภายในโครงสร้าง

ความยาวของ Girder ทั้ง 5 แบบ

ตำแหน่ง Girder	ความยาว (มม.)
G1	2,174
G2 และ G5	2,700
G3	3,505
G4	3,335
G6	2,324