แสงซินโครตรอน คือแสงที่เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคมีประจุวิ่งผ่านสนามแม่เหล็ก พลังงานและความเข้มของแสงซินโครตรอนถูกกำหนดด้วยคุณสมบัติของลำอนุภาค หนึ่งในคุณสมบัติที่มีผลอย่างมากคือพลังงานจลน์ของลำอนุภาค

การเพิ่มพลังงานจลน์ของอนุภาค เทียบเท่าได้กับการเพิ่มความเร็วของอนุภาค การเร่งความเร็วของอนุภาคมีประจุทำได้โดยการส่งอนุภาคมีประจุผ่านสนามไฟฟ้า อนุภาคจะถูกเร่งความเร็วตามทิศทางของสนามไฟฟ้าโดยจะวิ่งไปในทิศทางเดียวกับสนามไฟฟ้าหากเป็นอนุภาคประจุบวก และวิ่งทิศตรงข้ามกับสนามไฟฟ้าหากเป็นอนุภาคประจุลบ

 

สนามไฟฟ้าที่ใช้ในการเร่งอนุภาคสามารถแบ่งได้เป็นสองแบบคือ สนามไฟฟ้ากระแสตรงและสนามไฟฟ้ากระแสสลับ ในเครื่องเร่งอนุภาคที่ให้พลังงานสูงมาก ๆ จะใช้สนามไฟฟ้ากระแสสลับในการเร่งอนุภาค เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเครื่องปัจจุบันใช้สนามไฟฟ้ากระแสสลับในย่านไมโครเวฟที่ความถี่ 2.856 GHz ในการเร่งอิเล็กตรอนให้มีพลังงานประมาณ 40 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ จากนั้นจึงใช้คลื่นวิทยุความถี่ 118 MHz เพื่อเร่งอิเล็กตรอนให้มีพลังงาน 1.2 พันล้านอิเล็กตรอนโวลต์

 

ภาพที่ 1 ภาพระหว่างการออกแบบเครื่องเร่งอนุภาค

การออกแบบเครื่องเร่งอิเล็กตรอนสามารถแบ่งได้คร่าว ๆ สองขั้นตอนคือ

1. การออกแบบและคำนวณสนามไฟฟ้าที่ใช้ในการเร่งอิเล็กตรอน เพื่อให้อิเล็กตรอนสามารถเร่งความเร็วได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ สนามไฟฟ้าที่ใช้เร่งต้องมีขนาดและทิศทางที่เหมาะสมที่ตำแหน่งของอิเล็กตรอนในขณะเวลาใด ๆ ตลอดการเร่ง เพราะหากสนามไฟฟ้ามีขนาดและทิศทางไม่เหมาะสม อิเล็กตรอนจะถูกเร่งไปในทิศทางที่ผิดจนชนเข้ากับผนังของเครื่องเร่งอิเล็กตรอน สนามไฟฟ้าสามารถสร้างได้ภายในโพรงสุญญากาศที่อยู่ภายในตัวนำไฟฟ้า โดยตัวนำไฟฟ้าที่นิยมใช้ในเครื่องเร่งอนุภาคคือทองแดงและวัสดุนำไฟฟ้ายิ่งยวด

2. การคำนวณเส้นทางของลำอิเล็กตรอนในสนามไฟฟ้า เพื่อตรวจสอบคุณสมบัติในการเร่งของเครื่องเร่งที่ออกแบบไว้ ในการคำนวณนี้จะทำให้เราทราบพลังงานสุดท้ายของลำอิเล็กตรอน ขนาดของอิเล็กตรอน และการกระจายตัวของอิเล็กตรอน ซึ่งค่าเหล่านี้จะถูกกำหนดไว้ก่อนการออกแบบโดยยึดถึงการนำลำอิเล็กตรอนไปใช้งานเป็นหลัก

หลังจากที่ได้คำนวณสนามไฟฟ้าและเส้นทางของลำอิเล็กตรอนแล้ว งานต่อไปคือการแปลงแบบทางฟิสิกส์ของเครื่องเร่งอิเล็กตรอนให้เป็นแบบทางวิศวกรรมเพื่อใช้ในการขึ้นรูปเครื่องเร่งอนุภาค เครื่องเร่งอนุภาคที่ขึ้นรูปแล้วยังต้องมีการปรับแต่งเพื่อแก้ไขชดเชยความคลาดเคลื่อนในการผลิตด้วย

ภาพที่ 2 ภาพการสร้างเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นของจริง

ในการออกแบบและสร้างเครื่องเร่งอิเล็กตรอนมีความท้าทายทั้งในเชิงฟิสิกส์และวิศวกรรม การผลิตชิ้นส่วนเครื่องเร่งอิเล็กตรอนให้ผลิตสนามไฟฟ้าได้ตามที่ออกแบบต้องผ่านกระบวนการหลากหลาย เครื่องเร่งอิเล็กตรอนที่ออกแบบโดยนักวิจัยของสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอนถือเป็นความสำเร็จก้าวแรกของสถาบันและประเทศไทย ในการปูทางไปสู่การผลิตเครื่องเร่งอนุภาคในอนาคต

 

ทั้งนี้ เราประยุกต์ใช้งานเครื่องเร่งอนุภาคได้ในหลายด้าน อาทิ ทางการแพทย์สามารถนำไปใช้ผลิตรังสีเอกซ์เพื่อการถ่ายภาพ X-ray หรือใช้ในการฉายรังสีผู้ป่วยเพื่อบำบัดโรค ทางด้านอุตสาหกรรมสามารถนำไปใช้ฉายรังสีฆ่าเชื้อผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น ผักผลไม้ เครื่องมือแพทย์ หรือนำไปใช้ปรับปรุงคุณภาพหรือคุณสมบัติของวัสดุ เช่น การฉายอัญมณีเพื่อปรับสีและความใส และการประยุกต์ทางด้านอื่นๆ เช่น ใช้ฉายรังสีบำบัดน้ำเสีย หรือฉายภาพภายในวัตถุเพื่องานด้านความปลอดภัย

 

บทความโดย ดร.กีรติ มานะสถิตพงศ์ วิศวกรวิจัย