เขียนโดย useroffice
แสงซินโครตรอน เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นเดียวกับแสงที่มาจาก ดวงอาทิตย์ แต่แสงซินโครตรอนนั้นคือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากอนุภาคที่ มีประจุ เช่น อิเล็กตรอน ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงเกือบเท่าความเร็วแสง และถูกบังคับให้เลี้ยงโค้งด้วยสนามแม่เหล็ก ทำให้อิเล็กตรอนสูญเสียพลังงานบางส่วน และปลดปล่อยออกมาในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่เรียกว่า “แสงซินโครตรอน”
รู้หรือไม่ว่า ?? คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Radiation) คือ คลื่นตามขวางที่ประกอบด้วยสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้าที่ตั้งฉากซึ่งกันและกัน คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถเคลื่อนที่ได้โดยไม่ต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อน ที่ เช่น คลื่นวิทยุ (Radio waves) คลื่นไมโครเวฟ (Microwaves) รังสีอินฟราเรด (Infrared) รังสีเอกซ์ (X-rays) เป็นต้น
ปืนอิเล็กตรอน (Electron Gun)
ปืนอิเล็กตรอน ทำหน้าที่ผลิตอิเล็กตรอนจำนวนมหาศาล โดยการปล่อยกระแสไฟฟ้าให้กับไส้โลหะของปืนอิเล็กตรอนจนร้อน ทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมา จากนั้นใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้าแรงสูงขั้วบวกในการดึงอิเล็กตรอนให้วิ่งไปเข้า สู่เครื่องเร่งอนุภาคแนวตรงต่อไป
เครื่องเร่งอนุภาคแนวตรง (Linear Accelerator : Linac)
เครื่องเร่งอนุภาคแนวตรง ทำหน้าที่แบ่งอิเล็กตรอนที่ออกจากปืนอิเล็กตรอนให้เป็นกลุ่มๆ เรียกว่า electron bunch หลังจากนั้นจะเร่งอิเล็กตรอนในแนวเส้นตรงด้วยคลื่นไมโครเวฟ ให้มีพลังงานสูงถึง 40 ล้านอิเล็กตรอนโวลท์ (40 MeV) และส่งไปยังเครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลม
เครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลม (Booster Synchrotron)
เครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลม ทำหน้าที่เพิ่มพลังงานอิเล็กตรอนในแนววงกลมด้วยคลื่นวิทยุ ซึ่งการที่จะเร่งอิเล็กตรอนให้มีพลังงานสูงมากตามที่เราต้องการด้วยเครื่อง เร่งอนุภาคในแนวเส้นตรงเพียงอย่างเดียวนั้น ตัวเครื่องเร่งอนุภาคจะต้องมีความยาวหลายกิโลเมตร แต่ด้วยการคิดค้นของนักวิทยาศาสตร์ จึงได้ออกแบบเครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลม เพื่อบังคับอิเล็กตรอนให้วิ่งในแนววงกลม และมีพลังงานมากขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งมีพลังงานเท่ากับ 1, 000 ล้านอิเล็กตรอนโวลท์ (1 GeV) ในเวลาประมาณ 0.6 วินาที หรือเกือบเท่าความเร็วแสง แล้วจึงถูกส่งต่อไปยังวงกักเก็บอิเล็กตรอนต่อไป
วงกักเก็บอิเล็กตรอน (Storage Ring)
วงกักเก็บอิเล็กตรอน ทำหน้าที่เร่งอิเล็กตรอนให้มีพลังงานสูงถึง 1,200 ล้านอิเล็กตรอนโวลท์ (1.2 GeV) วงกักเก็บอิเล็กตรอนประกอบด้วยแม่เหล็กชนิดต่างๆ ได้แก่ แม่เหล็กสองขั้ว สี่ขั้ว และหกขั้ว เพื่อทำหน้าที่บังคับให้อิเล็กตรอนพลังงานสูงเหล่านี้เคลื่อนที่ภายในท่อ สุญญากาศ โดยบริเวณที่เป็นแม่เหล็กบังคับเลี้ยวสองขั้ว (Bending magnet) จะเป็นบริเวณที่มีการปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเราเรียกว่า “แสงซินโครตรอน”
ระบบลำเลียงแสง (Beamlines: BL)
ระบบลำเลียงแสง คือ ระบบที่ทำหน้าที่นำและเลือกแสงซินโครตรอนในย่านที่เราต้องการ ที่ผลิตได้จาก
วง กักเก็บอิเล็กตรอนมายังสถานีทดลอง ระบบลำเลียงแสง ประกอบด้วย ท่อสุญญากาศ (Vacuum) กระจกรวมแสง (Collimating mirror) ระบบคัดเลือกพลังงานแสง (Monochromator) กระจกโฟกัสแสง (Focusing mirror) ระบบช่องสำหรับแสงส่องผ่าน (Slit) และอุปกรณ์ปลีกย่อยอื่นๆ ส่วนท้ายสุดของระบบลำเลียงแสงจะเป็นสถานีทดลอง ซึ่งมีระบบวัดสัญญาณติดตั้งอยู่เพื่อดำเนินงานด้วยเทคนิคการทดลองเฉพาะด้าน เพื่อทำการวิจัยต่อไป
อุปกรณ์แทรก (Insertion Devices) การ ผลิตแสงซินโครตรอนนั้น หากต้องการแสงที่มีระดับความเข้มแสง และระดับพลังงานสูงตามที่นักวิทยาศาสตร์ต้องการ จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์แทรก (insertion devices) ติดตั้งให้กับเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน โดยอุปกรณ์แทรกที่เรานำมาใช้ ณ เครื่องกำเนิดแสงสยามมี 3 ชนิด คือ
Undulator ประกอบด้วย แม่เหล็กสองขั้วจำนวนมากวางสลับไปมา โดยมีสนามแม่เหล็กอยู่ในทิศตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน แม่เหล็กจำนวนมากทำให้อิเล็กตรอนเกิดการเลี้ยวโค้งหลายรอบ ซึ่งทุกรอบอิเล็กตรอนก็จะปลดปล่อยแสง
ซินโครตรอนออกมา แสงที่ปลดปล่อยออกมาจะรวมกันและถูกลำเลียงไปยังสถานีทดลอง ดังนั้นอุปกรณ์แทรก คือ อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่เพิ่มความเข้มแสงซินโครตรอน
Superconducting wavelength shifter (SWLS) คือ อุปกรณ์แทรกอีกชนิดหนึ่งที่มีจำนวนแม่เหล็กสองขั้วน้อยกว่า undulator แต่มีค่าสนามแม่เหล็กสูงกว่าทำให้เกิดการเลี้ยวโค้งของอิเล็กตรอนที่รุนแรง กว่า เป็นผลให้แสงที่ผลิตได้จาก wavelength shifter นั้นมีพลังงานสูงกว่าเมื่อเทียบกับแม่เหล็กสองขั้วหรือ undulator การที่จะผลิตสนามแม่เหล็กความเข้มสูงนั้นจำเป็นจะต้องใช้ขดลวดเหนี่ยวนำที่ เป็นซุปเปอร์คอนดักเตอร์ โดยค่าแม่เหล็กที่ผลิตได้จากอุปกรณ์แทรก ณ สถาบันฯ
มีค่าเท่ากับ 6.5 เทสลา เพื่อผลิตแสงให้มีพลังงานในช่วงเอกซ์พลังงานสูง (hard X- rays)
Multi-pole wiggler (MPW) คือ แม่เหล็กถาวรประเภทแม่เหล็กหลายขั้ว เพื่อเพิ่มพลังงานของแสงซินโครตรอน สำหรับการผลิตรังสีเอกซ์พลังงานสูง ซึ่งมีความถี่ใกล้เคียงกับความถี่ของรังสีแกมมา
สถานีทดลอง (Experimental Station)
ณ สถานีทดลอง เมื่อแสงซินโครตรอนวิ่งชนกับตัวอย่างจะเกิด
การก ระเจิง (Scattering) การดูดกลืน (Absorption) การปลดปล่อย (Emission) หรือการเรืองรังสี (Fluorescence) แล้วผ่านตัวตรวจวัดสัญญาณ (Detector) ซึ่งข้อมูลต่างๆ จะถูกส่งไปยังคอมพิวเตอร์และประมวลผลโดยนักวิทยาศาสตร์ เพื่อนำไปวิเคราะห์โครงสร้างของสสารในระดับโมเลกุลหรือโครงสร้างอะตอม
ขั้นตอนที่หนึ่ง คือ การผลิตอิเล็กตรอน โดยการปล่อยกระแสไฟฟ้าให้กับไส้โลหะของปืนอิเล็กตรอนจนร้อน จนทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมา จากนั้นจึงใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้าแรงสูงขั้วบวกในการดึงอิเล็กตรอนให้วิ่งไปในทิศทางเดียวกัน
ขั้นตอนที่สอง เป็นการเร่งความเร็วอิเล็กตรอนในแนวเส้นตรง ด้วยเครื่องเร่งอนุภาคแนวตรง หรือ linac เพื่อเร่งอิเล็กตรอนมีความเร็วสูงในระดับที่ต้องการ (40 ล้านอิเล็กตรอนโวลท์) จากนั้นป้อนอิเล็กตรอนนี้เข้าสู่เครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลมหรือเครื่องซินโครตรอน
ขั้นตอนที่สาม อิเล็กตรอนภายในเครื่องซินโครตรอนจะถูกบังคับให้วิ่งเป็นวงกลม และมีความเร็วเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ตามพลังงานที่ต้องการ โดยใช้สนามแม่เหล็กบังคับอิเล็กตรอนเคลื่อนไปตามแนววงกลม จนกระทั่งมีพลังงานเท่ากับ 1,200 ล้านอิเล็กตรอนโวลท์ (1.2 GeV) แล้วจึงถูกส่งต่อไปยังวงกักเก็บอิเล็กตรอนต่อไป
ขั้นตอนที่สี่ วงกักเก็บอิเล็กตรอน จะทำหน้าที่กักเก็บอิเล็กตรอนและผลิตแสงซินโครตรอน ประกอบด้วยแม่เหล็กชนิดต่างๆ ทำหน้าที่บังคับให้อิเล็กตรอนพลังงานสูงเหล่านี้เคลื่อนที่ในทิศทางที่ต้องการภายในท่อสุญญากาศ โดยบริเวณที่เป็นแม่เหล็กบังคับเลี้ยวสองขั้ว (Bending magnet) จะเป็นบริเวณที่อิเล็กตรอนเลี้ยวโค้ง (มีความเร่ง) และปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเราเรียกว่า แสงซินโคร ตรอน เข้าสู่ระบบลำเลียงแสง
ขั้นตอนที่ห้า ระบบลำเลียงแสง จะทำหน้าที่ลำเลียงแสงซินโครตรอนมายังสถานีทดลองโดยที่ระหว่างทางจะมีการ โฟกัสและคัดเลือกพลังงานแสง เพื่อให้บริการแก่นักวิทยาศาสตร์ในการใช้ประโยชน์กับงานวิจัยด้านต่าง ๆ ต่อไป
