ความเสถียรเชิงตำแหน่ง (beam position stability) ของลำอิเล็กตรอนในวงกักเก็บอิเล็กตรอน นอกจากจะมีความจำเป็นและสำคัญต่องานวิจัยที่ใช้แสงซินโครตรอนแล้ว ยังใช้เป็นตัวชี้วัดหรือบ่งบอกถึงคุณภาพและมาตรฐานของเครื่องกำเนิดแสงซิโครตรอนทั่วโลก

รูปที่ 1. แสดงการเคลื่อนที่ของลำอิเล็กตรอนในแนวแกน X และ Y ของเครื่องกำเนิดแสงสยามใน 11 ชม. ของการให้บริการ
 

รูปที่ 1 แสดงให้เห็นถึงการเคลื่อนที่ของลำอิเล็กตรอนภายในวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนของเครื่องกำเนิดแสงสยามในช่วง 11 ชั่วโมงของการให้บริการ พบว่าการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งทั้งแนวแกน X และ Y เฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 50-120 ไมครอน ซึ่งถือว่าค่อนข้างสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับระบบลำเลียงแสงที่มีการโฟกัสลำอิเล็กตรอนให้มีขนาดเล็กลง (focused beam) และระบบลำเลียงแสงที่ใช้เทคนิคการแทรกสอดกันของแสง (interference) ที่ทางสถาบันฯ กำลังดำเนินการจัดสร้างขึ้น ดังนั้นจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเร่งดำเนินการปรับปรุงความมีเสถียรภาพของลำอิเล็กตรอน

สถาบันฯ โดยการทำงานร่วมกันของฝ่ายเทคโนโลยีเครื่องเร่งอนุภาคและฝ่ายเทคนิคและวิศวกรรม อาศัยหลักการและทฤษฎีระบบควบคุมที่เรียกว่า Fault-Tolerant Control (FTC) ได้ออกแบบและพัฒนาระบบควบคุมตำแหน่งของลำอิเล็กตรอนขึ้น

 
หลักการ Fault-Tolerant Control (FTC)
 

FTC คือเทคนิคที่ถูกออกแบบและพัฒนาขึ้นเพื่อแก้ไขข้อจำกัดของ feedback control เมื่อมีเหตุการณ์ที่ระบบ (plant) เกิดความผิดพลาด (faults: e.g. actuator fault, sensor fault and component fault) หรือมีสิ่งรบกวนจากภายนอก (external disturbances; e.g. EMI, noise, temperature) เข้ามาทำให้ระบบเสียสภาพสมดุล (unstable) จนทำให้ทฤษฎีระบบควบคุมแบบเดิมๆ ไม่สามารถรับมือได้

รูปที่ 2. แสดงหลักการทำงานของ Fault-Tolerant Control (FTC)

FTC สามารถชดเชยปัญหาต่างๆ เหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยการปรับค่าของตัวควบคุมใหม่ (controller reconfiguration) เพื่อให้สอดคล้องกับระบบที่กำลังเผชิญหน้าอยู่กับปัญหาหรือความผิดพลาดแบบ real-time โดยอาศัยเครื่องมือที่เรียกว่า Fault Diagnosis ผ่าน Model-based observer เพื่อทำการประมวลผล ตรวจจับ (detection) ระบุตำแหน่ง (isolation) ตลอดจนประมาณค่า (estimation) ของปัญหา ข้อผิดพลาด และสิ่งรบกวนที่เกิดขึ้นในระบบได้ โดยข้อมูลเหล่านี้จะถูกต่อส่งไปยัง Compensator Mechanism ในปรับการทำงานใหม่ของ Controller เพื่อชดเชยและรักษาเสถียรภาพของระบบที่กำลังควบคุมให้สามารถดำเนินต่อไปได้อย่างสมบูรณ์

FTC เป็นที่รู้จักและมีการประยุกต์ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมด้านต่างๆ อาทิเช่น อุตสาหกรรมการบิน ปิโตรเคมี โรงงานนิวเคลียร์ หรือเทคโนโลยีระดับสูงทางการทหาร ที่จำเป็นจะต้องคำนึงถึงความปลอดภัย และให้ได้มาถึงประสิทธิภาพสูงสุด

อย่างไรก็ตามสำหรับงานทางด้านซินโครตรอนแล้ว FTC ถือว่าเป็นเรื่องใหม่ และเป็นครั้งแรกที่สถาบันฯ ได้นำเทคนิค FTC ดังกล่าวฯ มาประยุกต์ใช้ในการควบคุมการเคลื่อนที่ของลำอิเล็กตรอนภายในวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอน

รูปที่ 3. แสดงระบบควบคุมที่ออกแบบและพัฒนาขึ้นโดยการประยุกต์ใช้ทฤษฎี Fault-Tolerant Control (FTC)

ผลการปรับปรุงเสถียรภาพของลำอิเล็กตรอน

ในเดือนสิงหาคม 2555 ที่ผ่านมา สถาบันฯ ประสบความสำเร็จในการควบคุมลำอิเล็กตรอนได้ต่ำกว่า 5 ไมครอน ในช่วงเวลา 11 ชั่วโมงของการให้บริการ โดยใช้เทคนิค FTC ดังกล่าวฯ (ดูรูปที่ 4)

 รูปที่ 4. แสดงการเคลื่อนที่ของลำอิเล็กตรอนในแนวแกน X และ Y ภายในวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนหลังการปรับปรุง

นอกจากนี้ FTC ยังได้แสดงให้เห็นว่า ถึงแม้อุณหภูมิภายในอาคารปฏิบัติการแสงสยามจะเพิ่มสูงขึ้นถึง 2-3 องศาเซลเซียส ระบบควบคุม (controller) ที่ได้ออกแบบและพัฒนาขึ้น ยังสามารถรักษาเสถีรภาพและควบคุมกรเคลื่อนที่ของลำอิเล็กตรอนได้เป็นอย่างดี แต่ในทางกลับกันเมื่อไม่มีระบบ FTC ดังกล่าวฯ อิเล็กตรอนภายในวงแหวนกักเก็บฯ มีการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งไปมากกว่า 40 ไมครอน ทั้งแนวแกน X และ Y ภายในเวลาเพียงแค่หนึ่งชั่วโมง (ดูรูปที่ 5)

รูปที่ 5.
(บน) แสดงอุณหภูมิภายในอาคารปฏิบัติการแสงสยามที่เพิ่มสูงขึ้น 
(ล่าง) แสดงการเคลื่อนที่ของลำอิเล็กตรอนในแนวแกน X และ Y ภายในวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอน แบบมีและไม่มี FTC