รูปที่ 1 แสดงแผนผังของระบบลำเลียงแสงที่ 6 สำหรับเทคนิค micro-XRF และ DXL

บทนำ

เทคนิคการเรืองรังสีเอกซ์หรือ X-ray fluorescence (XRF) เป็นเทคนิคที่ใช้สำหรับการศึกษาองค์ประกอบของธาตุที่อยู่ในตัวอย่าง โดยอาศัยความต่างของชั้นพลังงานของแต่ละธาตุ (ชั้น K, L, M, ...) ดังนั้นเมื่อเรากระตุ้นอะตอมด้วยการให้พลังงานที่มากกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนชั้นใน ทำให้เกิดที่ว่าง และเมื่ออิเล็กตรอนในชั้นนอกลงมาแทนที่ อะตอมจะปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของรังสีเอกซ์ เรียกปรากฏการณ์ดังกล่าวว่า "การเรืองรังสีเอกซ์"    เราสามารถนำปรากฏการณ์นี้ไปใช้ในการหาชนิดของธาตุที่อยู่ในตัวอย่างที่เราสนใจได้ เราเรียกเทคนิคนี้ว่า "เทคนิคการเรืองรังสีเอกซ์" ซึ่งข้อดีของเทคนิคนี้ก็คือ การเตรียมตัวอย่างที่ไม่ยุ่งยาก และเป็นเทคนิคที่ไม่ทำลายคุณสมบัติของตัวอย่าง (non-destructive method) โดยทั่วไปเราจะใช้รังสีเอกซ์เป็นตัวกระตุ้นให้เกิดการคายพลังงานของอะตอมในตัวอย่าง ในที่นี้คือ แสงซินโครตรอนในย่านรังสีเอกซ์ และเนื่องจากแสงซินโครตรอนมีความเข้มสูง ทำให้เราสามารถโฟกัสลำรังสีเอกซ์ให้มีขนาดเล็กในระดับไมโครเมตรได้ ซึ่งเหมาะสำหรับการหาองค์ประกอบของธาตุที่บริเวณเล็กๆ บนตัวอย่างที่ไม่เป็นเนื้อเดียว นอกจากนั้นยังสามารถศึกษาการกระจายตัวของธาตุต่างๆ ได้ เราเรียกเทคนิคนี้ว่า micro-X-ray fluorescence spectroscopy/imaging   สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) ได้เล็งเห็นถึงประโยชน์ของเทคนิคนี้จึงได้มีการปรับปรุงระบบลำเลียงแสง 6 ซึ่งเดิมทีเป็นระบบลำเลียงแสงสำหรับเทคนิค Deep X-ray Lithography (DXL) เท่านั้น ให้มีศักยภาพในการรองรับเทคนิค micro-XRF สถาบันได้เปิดให้บริการตั้งแต่เดือนกันยายน พ.ศ. 2554 เป็นต้นมา สถานีทดลอง micro-XRF เป็นสถานีที่ใช้แสงซินโครตรอนในย่านรังสีเอกซ์แบบต่อเนื่อง (white X-ray beam) จากแม่เหล็กสองขั้วร่วมกับสถานีทดลอง DXL ดังรูปที่ 1  

ระบบลำเลียงแสง

          ระบบลำเลียงแสง BL6 ประกอบด้วยส่วนสำคัญคือ absorpber, beam shutter, shielding wall และ beryllium window โดยที่อุปกรณ์สองตัวแรกจะทำหน้าที่เปิดปิดเพื่อให้แสงซินโครตรอนผ่านไปยังสถานีทดลอง shielding wall หรือกำแพงกันรังสี จะทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้รังสีแกมมาจากวงกักเก็บอิเล็กตรอนหลุดลอดออกมายังภายนอก ส่วน beryllium window จะถูกใช้เป็นตัวกรองแสงซินโครตรอน โดยจะยอมให้แสงซินโครตรอนในย่านรังสีเอกซ์ผ่านเท่านั้น

          ระบบลำเลียงแสงนี้จะใช้แสงซินโครตรอนจากแม่เหล็กสองขั้ว หรือ Bending magnet (BM) ซึ่งจะให้แสงซินโครตรอนตามเส้นสีดำในรูปที่ 2 โดยแสงซินโครตรอนนี้จะครอบคลุมพลังงานตั้งแต่รังสีอินฟราเรดไปจนถึงรังสีเอกซ์ (แกน y จะเป็นความหนาแน่นของแสงซินโครตรอน (flux density)) เมื่อผ่าน beryllium window แสงซินโครตรอนจะถูกกรองให้เหลือเฉพาะย่านรังสีเอกซ์เท่านั้นดังแสดงในรูปที่ 2 เส้นสีแดง และที่ตำแหน่งที่เป็นสถานีทดลอง BL6b:micro-XRF แสงซินโครตรอนจะถูกโฟกัสด้วยเลนส์รังสีเอกซ์ ซึ่งเป็นชนิดที่เรียกว่า polycapillary half lens และจะให้แสงที่จุดโฟกัส หรือตำแหน่งตัวอย่างมีขนาด 100 x 100 ^μm2 ดังเส้นสีเขียวในรูปที่ 2 

รูปที่ 2 แสดงความเข้มของรังสีเอกซ์ที่ตำแหน่งต่างๆ ในระบบลำเลียงแสงที่ 6

 

สถานีทดลอง

สถานีทดลอง micro-XRF ประกอบด้วย 4 ส่วนสำคัญ ดังแสดงในรูปที่ 3 ได้แก่

• เลนส์รังสีเอกซ์ (polycapillary lens) โดยจะติดตั้งอยู่บนระบบ alignment เนื่องจากต้องการความแม่นยำสูง
• กล้องไมโครสโคป (CCD microscope) สำหรับตรวจสอบและบันทึกภาพตัวอย่างก่อนและขณะทำการทดลอง
• ระบบจับยึดตัวอย่าง (sample stage) โดยตัวอย่างจะสามารถเลื่อนซ้ายขวาตั้งฉากกับแสงเพื่อทำการศึกษาการกระจายตัวของธาตุในตัวอย่าง
• ระบบวัดรังสี ณ สถานีทดลอง คือ Si(PIN) detector ซึ่งมีค่า energy resolution ที่ 160 eV ณ ตำแหน่ง Mn-Kα line

รูปที่ 3 สถานีทดลอง micro-XRF ของหัองปฏิบัติแสงสยาม

 

Beam profile

          ขนาดของลำแสงซินโครตรอน ณ ตำแหน่งตัวอย่าง (22 mm จากทางออกของเลนส์รังสีเอกซ์)ถูกวัดด้วยวิธี wire-scan โดยใช้ลวดทองแดงขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 μm วางตำแหน่งของตัวอย่าง และทำการเคลื่อนที่ตัดผ่านลำรังสีเอกซ์ เมื่อลวดทองแดงตัดผ่านลำรังสีเอกซ์อะตอมของทองแดงจะถูกกระตุ้นด้วยรังสีเอกซ์ของแสงซินโครตรอนให้ขึ้นไปอยู่ในสภาวะกระตุ้นหลังจากนั้นก็จะตกกลับมายังสถานะพื้นพร้อมกับคายรังสีเอกซ์พลังงานเดี่ยว (Cu-Kα, 8keV)ออกมา และถูกบันทึกด้วยหัววัดรังสี สุดท้ายเราจะได้ข้อมูลของสเปกตรัมของทองแดง ณ ตำแหน่งลวดต่าง ๆ และเมื่อทำการสร้างความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณรังสีเอกซ์ของทองแดงกับตำแหน่งของลวดเราจะได้กราฟดังรูปที่ 4เมื่อทำการเปรียบเทียบกราฟด้วยฟังก์ชั่นเกาส์จะได้ขนาดของ FWHM (Full Width at Half Maximum) เท่ากับ 100 μm นอกจากนั้นเมื่อทำการหาความสัมพันธ์กับขนาดของลำรังสีเอกซ์กับระยะห่างตามแนวแสงจะได้ความสัมพันธ์ตามกราฟในรูปเล็ก ซึ่งตำแหน่งที่ 0 คือตำแหน่งโฟกัส (22 mm) จากทางออกของเลนส์รังสีเอกซ์

 

รูปที่ 4 แสดงขนาดของลำรังเอกซ์ที่ตำแหน่งตัวอย่างและตำแหน่งต่างๆ ตามแนวแสงซินโครตรอน

 

ข้อมูลทางเทคนิคของระบบลำเลียงแสงและสถานีทดลอง micro-XRF

เทคนิค	Micro-beam X-ray Fluorescence
พลังงานรังสีเอกซ์	2 –10 keV (white beam)
ตัวอย่าง	ของแข็ง, ผง, ตัวอย่างมีชีวิต เช่น ใบไม้
ขนาดของลำแสงซินโครตรอน	100x100 μm2
detector	Si(PIN) detector with energy resolution of 160 eV
Sample environment	อากาศ

Publications

•  S. Tancharakorn, et. al., 2012, The First microbeam synchrotron x-ray fluorescence beamline at the Siam Photon Laboratory, J. Synchrotron Rad., 19, 536.
• W. Dhanmanonda, et. al., 2012, Characterization of enameled glass excavated from Laem Pho, South of Thailand, IOP Conf. Series:Material Science and Engineering, 37, 012014.
• P. Dararutana, et. al., 2013, X-ray spectrometry study on historical decorative glasses in Thailand: Lanna-style glass, Advanced Material Research, 60, 330.

Presentations

Beamline 6b: Introduction to BL6b

---

go to Top page