แม่เหล็ก steering, sextupole, quadrupole และ dipole (จากซ้ายไปขวา) ที่จัดเรียงในวงกักเก็บอิเล็กตรอน

 

การออกแบบและจัดสร้างแม่เหล็กสำหรับเครื่องเร่งอนุภาค

สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน ได้ดำเนินโครงการพัฒนาห้องปฏิบัติการแม่เหล็กสำหรับเครื่องเร่งอนุภาคขึ้น เพื่อสนับสนุนการดำเนินงานวิจัยทางด้านแม่เหล็กและเตรียมความพร้อมสำหรับการพัฒนาเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนในอนาคต กิจกรรมหลักที่สำคัญ ได้แก่ การออกแบบและจัดสร้างแม่เหล็กสำหรับเครื่องเร่งอนุภาค โดยเริ่มจากแม่เหล็กที่มีลักษณะไม่ซับซ้อนและมีความเข้มสนามแม่เหล็กต่ำ เช่น แม่เหล็กสองขั้วขนาดเล็กที่ใช้ในการปรับทิศทางของลำอิเล็กตรอน (steering magnet) ไปจนถึงแม่เหล็กที่มีความเข้มสนามแม่เหล็กสูงและมีฟังก์ชันการทำงานที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น

แม่เหล็กเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นจากการพันขดลวดทองแดงรอบแกนแม่เหล็กที่มีการผลิตให้มีรูปร่างเฉพาะสำหรับแม่เหล็กแต่ละประเภท เรียกว่า แม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnet) สนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นโดยการจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับขดลวด ซึ่งเป็นไปตามกฎของแอมแปร์ (Ampère’s law) การปรับค่าความเข้มสนามเหล็กสามารถทำได้โดยการปรับค่ากระแสไฟฟ้าที่จ่ายให้แก่ขดลวด

โครงสร้างของแม่เหล็กที่สำคัญ 3 ชนิดสำหรับเครื่องเร่งอนุภาค ได้แก่ แม่เหล็กสองขั้ว (dipole) ทำหน้าที่เลี้ยวเบนลำอิเล็กตรอนให้เคลื่อนที่เป็นวงกลม แม่เหล็กสี่ขั้ว (quadrupole) ทำหน้าที่โฟกัสหรือบีบลำอิเล็กตรอนให้เล็กลง และแม่เหล็กหกขั้ว (sextupole) ทำหน้าที่แก้ไขผลที่เกิดขึ้นจากการที่พลังงานของอิเล็กตรอนมีความคลาดเคลื่อนไปจากค่าที่ออกแบบ ช่วยให้อิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่างกันถูกโฟกัสที่จุดเดียวกัน

เครื่องพันขดลวดแบบกึ่งอัตโนมัติที่พัฒนาขึ้นสำหรับผลิตขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า ขดลวดที่ผลิตจากตัวนำทองแดงชนิดที่มีรูกลวงสำหรับน้ำหล่อเย็นจำเป็นต้องได้รับการพันหรือห่อหุ้มด้วยฉนวนเทปผ้าใยแก้วก่อนการผลิต

กราฟแสดงการอิ่มตัวทางแม่หล็กของเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนต่างๆ กัน แกนและขั้วแม่เหล็กของแม่เหล็กสำหรับเครื่องเร่งอนุภาคนิยมผลิตขึ้นจากเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำที่มีปริมาณคาร์บอนไม่เกิน 0.1 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งมีคุณสมบัติทางแม่เหล็กดีเยี่ยมและมีความแข็งแรงสูง (ที่มา: AK Steel International, POISSON)

อุปกรณ์วัดสนามแม่เหล็กโดยอาศัยปรากฏการณ์ฮอลล์ (Hall probe) ซึ่งทางสถาบันฯได้พัฒนาโปรแกรมควบคุมการวัดขึ้น โดยสามารถควบคุมการเคลื่อนที่ของ Hall probe ได้ใน 3 ทิศทาง (x, y, z) และสามารถเก็บข้อมูลความเข้มสนามแม่เหล็กทั้ง 3 ทิศทาง (Bx, By, Bz) ได้พร้อมกัน

แกนเหล็ก (ซ้าย) และขดลวด (ขวา) ที่ผลิตขึ้นสำหรับแม่เหล็ก horizontal steering ซึ่งใช้ในการปรับทิศทางของลำอิเล็กตรอนในแนวนอน

แม่เหล็ก vertical steering (ซ้าย) สำหรับใช้ปรับทิศทางของลำอิเล็กตรอนในแนวตั้ง และแม่เหล็ก horizontal/vertical steering (ขวา) สำหรับใช้ปรับทิศทางของลำอิเล็กตรอนได้ทั้ง 2 แนวในตัวเดียว

แบบจำลองทางแม่เหล็ก 2 มิติจากโปรแกรม POISSON แสดงผลการคำนวณสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กหกขั้วเมื่อใช้ขดลวดชุดใหม่ที่ผลิตขึ้นเองโดยจ่ายกระแสไฟฟ้า 250 แอมแปร์

แบบจำลองทางแม่เหล็ก 3 มิติจากโปรแกรม Radia (ซ้าย) ของแม่เหล็กหกขั้วกับขดลวดชุดใหม่ ซึ่งได้มีการทดสอบการใช้งานขดลวด วัดอุณหภูมิ และวัดสนามแม่เหล็กด้วย Hall probe (ขวา) นอกจากนี้ทางสถาบันฯยังได้ดำเนินการผลิตแกนเหล็กของแม่เหล็กหกขั้วขึ้น โดยใช้เทคโนโลยีด้านการผลิตที่แม่นยำในระดับไมครอนในการผลิตขั้วแม่เหล็กที่มีผิวโค้ง

แบบจำลองทางแม่เหล็ก 2 มิติจากโปรแกรม POISSON แสดงผลการคำนวณสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กตัวต้นแบบชนิด combined function ซึ่งเป็นแม่เหล็กที่ถูกออกแบบให้ทำหน้าที่ของ dipole และ quadrupole ได้ในตัวเดียวกัน ทำให้ใช้พื้นที่ในวงกักเก็บอิเล็กตรอนน้อยลง

ในปี 2560 ห้องปฏิบัติการแม่เหล็กของสถาบันฯได้ดำเนินการออกแบบและจัดสร้างตัวต้นแบบของแม่เหล็กชนิด combined function ขึ้น โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อพัฒนาศักยภาพในการดำเนินงานวิจัยทางด้านแม่เหล็กและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องขึ้นภายในสถาบันฯ ซึ่งจะเป็นการพัฒนาองค์ความรู้ทั้งทางด้านการออกแบบและการผลิตแม่เหล็กที่สามารถนำไปใช้ได้จริง มีความเฉพาะเจาะจง และเหมาะสมกับการพัฒนาเครื่องกำเนิดแสงสยามในอนาคต