แหล่งกำเนิดแสงรุ่นที่ 4 (4^th Generation Light Source)

         แหล่งกำเนิดแสง (Light source) ที่มีความเข้มสูงสำหรับใช้ในงานวิจัยนั้นถูกจัดแบ่งอย่างคร่าว ๆ เป็น 4 รุ่น (Generation) แหล่งกำเนิดแสงรุ่นแรกได้แก่วงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอน (Electron storage ring) ที่ไม่ได้ถูกสร้างขึ้นเพื่อการผลิตแสงโดยเฉพาะ แต่ถูกสร้างขึ้นเพื่องานวิจัยเกี่ยวกับฟิสิกส์พลังงานสูง (High-energy physics)หรือเครื่องเร่งอนุภาคสำหรับการศึกษาการชนกันของอนุภาค (Particle collider)แต่ได้แสงซินโครตรอนเป็นผลพลอยได้ ซึ่งแสงซินโครตรอนที่ได้นี้มีความเข้มสูงกว่าแหล่งกำเนิดแสงที่ใช้ทั่วไปตามห้องวิจัยเช่นหลอดบรรจุก๊าซฮีเลียมหรือหลอดรังสีเอ็กซ์อย่างมาก แหล่งกำเนิดแสงรุ่นที่สองเป็นระบบเครื่องเร่งอนุภาคและวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนที่ออกแบบมาเพื่อผลิตแสงซินโครตรอนโดยเฉพาะจึงมีชื่อเรียกว่าเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน แหล่งกำเนิดแสงรุ่นนี้จะมีระบบลำเลียงแสง (Beamline) หลายระบบและมีสถานีทดลองหลายสถานี ต่างกับแหล่งกำเนิดแสงรุ่นแรกซึ่งมีจำนวนระบบลำเลียงแสงและสถานีทดลองน้อยเนื่องจากการวิจัยโดยการใช้แสงซินโครตรอนเป็นเพียงแค่ผลพลอยได้ของการเดินเครื่องเพื่องานวิจัยเกี่ยวกับฟิสิกส์พลังงานสูงและฟิสิกส์อนุภาคเท่านั้น แหล่งกำเนิดแสงรุ่นที่ 3 เป็นเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนที่ได้ถูกปรับปรุงให้มีประสิทธิภาพเหนือกว่าเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนในรุ่นที่ 2 คือ มีค่าอิมิทแทนซ์ (Emittance) ของลำอิเล็กตรอนลดลง (ค่าอิมิทแทนซ์คือผลคูณระหว่างขนาดของลำอิเล็กตรอน (Beam size) และการกระจายเชิงมุมของลำอิเล็กตรอน (Beam divergence)) ซึ่งทำให้ได้แสงซินโครตรอนที่มีความเข้มสูงขึ้น และมีส่วนของระบบท่อลำเลียงอิเล็กตรอนในแนวตรงจำนวนมากขึ้นสำหรับการติดตั้งอุปกรณ์แทรก (Insertion device) เช่น อันดูเลเตอร์ (Undulator) และวิกเกลอร์ (Wiggler) เพื่อการผลิตแสงซินโครตรอนที่มีความเข้มสูงยิ่งขึ้น (ในกรณีของอุปกรณ์แทรกอันดูเลเตอร์) หรือมีพลังงานสูงขึ้น (ในกรณีของอุปกรณ์แทรกวิกเกลอร์ชนิด Wavelength shifter) หรือทั้งสองกรณี (สำหรับอุปกรณ์แทรกอันดูเลเตอร์และวิกเกลอร์แบบแม่เหล็กหลายขั้ว)
           สำหรับเครื่องกำเนิดแสงในรุ่นที่ 4 นั้นจะเป็นเครื่องกำเนิดแสงที่ให้แสงที่มีความเข้มสูงกว่าแสงจากอุปกรณ์แทรกอันดูเลเตอร์ที่ถูกติดตั้งในเครื่องกำเนิดแสงรุ่นที่ 3 แสงที่ถูกผลิตขึ้นจะมี Transversecoherence ที่ดีกว่าและมีความยาวของพัลส์สั้นกว่าแสงที่ได้จากเครื่องกำเนิดแสงรุ่นที่ 3 การผลิตแสงให้มี Transverse coherence มากขึ้นนั้นกระทำได้โดยการลดค่าอิมิทแทนซ์ของลำอิเล็กตรอนให้น้อยที่สุดจนเข้าใกล้ขีดจำกัดของการเลี้ยวเบน (Diffraction limit)  เทคโนโลยีเครื่องกำเนิดแสงที่ถูกเสนอสำหรับการสร้างเครื่องกำเนิดแสงในรุ่นที่ 4 ที่สำคัญมีสองชนิด ได้แก่ Free electron laser (FEL) และ Energyrecovery linac (ERL)ในส่วนของ FEL นั้นยังแบ่งได้อีกเป็นสองประเภทตามประเภทของเครื่องเร่งอนุภาคที่ใช้ คือ FEL ที่สร้างขึ้นจากการใช้วงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนและ FEL ที่สร้างขึ้นโดยใช้เครื่องเร่งอนุภาคแนวตรง (Linear accelerator หรือที่เรียกสั้นๆ ว่า Linac)

 
Free Electron Laser (FEL)
           ในการที่จะกล่าวถึงหลักการทำงานของ FEL นั้นจะต้องมีความเข้าใจในหลักการทำงานของอุปกรณ์แทรกอันดูเลเตอร์เสียก่อนเนื่องจากอันดูเลเตอร์เป็นส่วนประกอบสำคัญของระบบ FEL อุปกรณ์แทรกชนิดอันดูเลเตอร์คือชุดของแม่เหล็กสองขั้วเรียงกันเป็นคาบดังแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1อุปกรณ์แทรกชนิดอันดูเลเตอร์

          เมื่ออิเล็กตรอนที่มีความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสงเดินทางผ่านระบบอันดูเลเตอร์ อิเล็กตรอนนั้นจะเคลื่อนที่ส่ายไปมาดังที่แสดงในรูปที่ 1 และปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือแสงออกมาทางด้านหน้า ตัวระบบอันดูเลเตอร์เองนั้นถูกออกแบบมาให้แสงที่เกิดจากอิเล็กตรอนตัวเดียวกันเกิดการแทรกสอดกันที่ตำแหน่งต่างๆ ภายในอันดูเลเตอร์ ความยาวคลื่นของแสงที่ถูกปลดปล่อยออกมานั้นจะถูกกำหนดโดยเงื่อนใขของการแทรกสอด (Interference condition หรือ Coherence condition) นี้เอง ถ้าเราพิจารณาความเร็วของอิเล็กตรอนในอันดูเลเตอร์ในแนวการเคลื่อนที่เดิม (สมมติเป็นแนวแกน Z) จะพบว่าความเร็วเฉลี่ยของอิเล็กตรอนในแนวนั้นมีค่าเท่ากับ

โดยที่ c คือความเร็วของแสงในสุญญากาศ  คือ Lorentz factor ซึ่งสำหรับอิเล็กตรอนแล้ว  = 1957E โดยที่  E คือค่าพลังงานของลำอิเล็กตรอนในหน่วย GeV (พันล้านอิเล็กตรอนโวลต์) และ K คือค่าพารามิเตอร์การเลี้ยวเบน (Deflection parameter) ซึ่งหาได้จากความสัมพันธ์

โดยที่ คือความยาวคาบของอันดูเลเตอร์ในหน่วยเมตร และ คือค่าสนามแม่เหล็กสูงสุดของอันดูเลเตอร์ในหน่วยเทสลา

รูปที่ 2หลักการของการแทรกสอดในอันดูเลเตอร์

ถ้าเราพิจารณาที่ตำแหน่งสองตำแหน่งในอันดูเลเตอร์ ตัวอย่างเช่นตำแหน่ง A และ B ในรูปที่ 2 จะพบว่าอิเล็กตรอนใช้เวลาเท่ากับ สำหรับการเดินทางจากตำแหน่ง A ไปที่ตำแหน่ง B ซึ่งอยู่ห่างกันเท่ากับความยาวคาบของอันดูเลเตอร์ () เมื่ออิเล็กตรอนเดินทางถึงตำแหน่ง B แสงที่เกิดขึ้น ณ ตำแหน่ง A จึงเดินทางได้ระยะทางเท่ากับ ()c ดังนั้น แสงที่เกิดขึ้นที่ตำแหน่ง A จึงเดินทางล่วงหน้าแสงที่เกิดขึ้นที่ตำแหน่ง B เป็นระยะ d ซึ่งมีค่าเท่ากับ

ดังแสดงในรูปที่2 เพราะฉนั้น ถ้าเราต้องการให้แสงที่เกิดจากทั้งสองตำแหน่งมีการแทรกสอดแบบเสริมกัน   เราต้องให้ระยะทางที่แตกต่างกันนี้มีค่าเท่ากับผลคูณระหว่างจำนวนเต็มกับความยาวคลื่นของแสงที่ผลิตได้ นั่นคือ

ซึ่งเมื่อเราแทนค่าความเร็วเฉลี่ยของอิเล็กตรอนในตอนแรก จะได้ว่า

ซึ่งสมการนี้ก็คือเงื่อนใขของการแทรกสอดนั่นเอง
           ในกรณีของเครื่องกำเนิดแสงเลเซอร์ (LASER – Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation)แบบดั้งเดิมซึ่งใช้กันอยู่ในปัจจุบันนั้นประกอบไปด้วยส่วนประกอบหลักสองส่วน คือ ตัวกลางเพิ่มความเข้มแสง (Optical amplifier หรือที่เรียกกันโดยทั่วไปว่า Active medium หรือ Laser medium) และส่วนกำทอนแสง (Optical resonator) ซึ่งประกอบด้วยกระจกสองอันดังแสดงในรูปที่ 3ตัวกลางเพิ่มความเข้มแสงจะเป็นตัวขยายความเข้มแสงที่ให้แสงที่มีความสอดคล้องกันของเฟส (Coherent optical amplifier) การทำงานของตัวกลางนั้นอาศัยการใช้อนุภาคโฟตอนกระตุ้นให้เกิดการเปลี่ยนสถานะ (Stimulated transition) ของอิเล็กตรอนในอะตอมของตัวกลางจากระดับพลังงานที่สูงกว่าลงมาในระดับพลังงานที่ต่ำกว่าพร้อมทั้งปลดปล่อยโฟตอนอีกตัวหนึ่งออกมาซึ่งมีเฟสและพลังงานเท่ากับโฟตอนตัวแรก จากนั้นโฟตอนทั้งสองตัวก็จะกระตุ้นให้เกิดการเปลี่ยนสถานะในอีกสองอะตอมและได้โฟตอนที่เหมือนเดิมเพิ่มอีกสองตัว การเปลี่ยนสถานะโดยการกระตุ้นที่เกิดขึ้นเป็นทอดๆ นี้เองที่ทำให้เกิดการขยายความเข้มของแสง (จำนวนโฟตอนเพิ่มขึ้น) การเปลี่ยนสถานะของอิเล็กตรอนโดยกระบวนการ Stimulated emission นี้ต่างกับการเปลี่ยนสถานะของอิเล็กตรอนโดยกระบวนการ Spontaneous emission ซึ่งเป็นการเปลี่ยนสถานะของอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นเองและให้แสงที่ไม่มีความสอดคล้องกันของเฟส (Incoherent radiation)

   รูปที่ 3ส่วนประกอบของเครื่องกำเนิดแสงเลเซอร์

          โดยทั่วไปเมื่อแสงเดินทางผ่านสสารความเข้มแสงจะลดลงมากกว่าที่จะเพิ่มขึ้น ทั้งนี้เนื่องจากการดูดกลืนแสงเกิดขึ้นมากกว่าการปล่อยแสงจากการเปลี่ยนสถานะโดยการกระตุ้นดังที่ได้กล่าวมาแล้วเพราะโดยปกติอิเล็กตรอนในอะตอมส่วนใหญ่อยู่ในระดับพลังงานต่ำมากกว่าระดับพลังงานสูง ดังนั้นถ้าจะทำให้เครื่องกำเนิดแสงเลเซอร์ทำงานก่อนอื่นจะต้องทำให้อิเล็กตรอนในอะตอมส่วนใหญ่อยู่ในระดับพลังงานสูงมากกว่าที่จะอยู่ในระดับพลังงานต่ำ (Population inversion) ซึ่งทำได้โดยการให้พลังงานจากภายนอก (Optical pumping) แก่ Active medium
            ส่วนของกระจกสองอันที่ประกอบขึ้นเป็นส่วนกำทอนแสงนั้นทำหน้าที่สะท้อนแสงกลับไปมาเพื่อให้เกิดการขยายความเข้มแสงหลาย ๆ ครั้ง (ในบางกรณีจึงเรียกเครื่องกำเนิดแสงเลเซอร์ว่าเป็น Optical oscillator ชนิดหนึ่ง) และยังช่วยคัดเลือกความยาวคลื่นของแสงที่จะสามารถเกิดการแทรกสอดแบบเสริมกันได้ แสงเลเซอร์ที่ถูกผลิตขึ้นจะออกจากตัว เรโซเนเตอร์ (Resonator) ทางด้านหนึ่งซึ่งเป็นกระจกกึ่งสะท้อนกึ่งผ่าน เนื่องจากการผลิตแสงเลเซอร์เกิดจากการเปลี่ยนสถานะของอิเล็กตรอนในอะตอมของ Active medium ความยาวคลื่นของแสงเลเซอร์จึงขึ้นกับชนิดของสารที่ถูกนำมาใช้เป็น Active medium ในปัจจุบันสารที่ใช้เป็น Active medium มีทั้งของแข็ง (เช่น Ruby laser และ Nd³⁺:YAG laser) ของเหลว (Dye laser) และก๊าซ (เช่น CO₂ laser และ Ar laser) ความยาวคลื่นแสงเลเซอร์ที่ผลิตได้มีตั้งแต่ในย่านอินฟราเรดไปจนถึงย่านรังสีเอ็กซ์พลังงานต่ำ (Soft x-ray)
            Free electron laser (FEL) นั้นเป็นเครื่องกำเนิดแสงโดยการให้ลำอิเล็กตรอนพลังงานสูงในระดับหนึ่งพันอิเล็กตรอนโวลต์ (keV) ถึงหนึ่งล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (MeV)เดินทางผ่านระบบแม่เหล็กที่มีสนามแม่เหล็กในทิศตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ของลำอิเล็กตรอนเป็นคาบอย่างเช่นอุปกรณ์แทรกอันดูเลเตอร์ที่กล่าวไว้ในข้างต้น แสงที่ถูกผลิตขึ้นเกิดจากการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าของอิเล็กตรอนที่มีความเร่ง (ซึ่งแสงนี้ก็คือแสงซินโครตรอนนั่นเอง) อิเล็กตรอนที่ใช้ในระบบ FEL เป็นอิเล็กตรอนอิสระ (Free electron) ต่างกับในกรณีของเครื่องกำเนิดแสงเลเซอร์ธรรมดาที่แสงเกิดจากอิเล็กตรอนที่มีพันธะอยู่กับอะตอมใน Active medium (Bound electron)องค์ประกอบที่สำคัญของ FEL มีสามอย่าง ได้แก่ เครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอน (Electron accelerator) อุปกรณ์แทรกชนิดอันดูเลเตอร์ และ Optical resonator (Optical cavity) ดังแสดงในรูปที่ 4 ระบบ FEL ในรูปนี้เป็นชนิดที่เรียกว่า Oscillator FEL หรือ Multi-pass FEL ยังมีระบบ FEL อีกชนิดหนึ่งคือ Single-pass FEL ซึ่งแสงที่ถูกผลิตขึ้นไม่ถูกนำกลับนำมาใช้ใหม่จึงไม่ต้องการ Optical resonator ซึ่ง Single-pass FEL นี้ยังแบ่งได้เป็นสองประเภทคือ Single-pass FEL ที่ใช้หลักการ Self-amplified spontaneous emission (SASE) และ Single-pass FEL ที่ใช้หลักการ High-gain harmonic generation (HGHG) ซึ่งจะกล่าวถึงในภายหลัง

รูปที่ 4ส่วนประกอบของเครื่องกำเนิดแสง Free electron laser ชนิด Oscillator FEL

          หลักการทำงานของ FEL นั้นเริ่มจากลำอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ออกจากเครื่องเร่งอนุภาค ซึ่งอาจเป็นเครื่องเร่งอนุภาคแนวตรงหรือวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอน จากนั้นลำอิเล็กตรอนจะถูกบังคับให้เลี้ยวโค้งเข้าสู่ระบบแม่เหล็กอันดูเลเตอร์โดยแม่เหล็กสองขั้ว อิเล็กตรอนที่อยู่ภายใต้สนามแม่เหล็กของอันดูเลเตอร์จะปลดปล่อยแสงซินโครตรอนที่มีความเข้มสูง (ความเข้มของแสงซินโครตรอนจากอันดูเลเตอร์นี้แปรตามจำนวนคาบของอันดูเลเตอร์ยกกำลังสอง) ที่มีความยาวคลื่นเท่ากับความยาวคลื่นที่ถูกกำหนดไว้โดยสมการในตอนต้นโดยการแทนค่า θ= 0 นั่นคือ

          จากนั้นแม่เหล็กสองขั้วอีกชุดหนึ่งจะทำหน้าที่บังคับลำอิเล็กตรอนให้เลี้ยวออกจากแนวแกนของอันดูเลเตอร์เพื่อปกป้องกระจกที่ทำหน้าที่เป็นเรโซเนเตอร์ เมื่อแสงที่ถูกผลิตขึ้นครั้งแรกนี้เดินทางไปถึงกระจกด้านขวาก็จะสะท้อนกลับมายังกระจกด้านซ้ายและเดินทางไปทางขวาเข้าสู่ระบบอันดูเลเตอร์อีกครั้งหนึ่ง ในขณะเดียวกันนี้เองลำอิเล็กตรอนอีกกลุ่มหนึ่งก็เคลื่อนที่เข้าสู่ระบบอันดูเลเตอร์ อิเล็กตรอนกลุ่มที่สองที่อยู่ภายใต้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าของแสงที่เกิดจากอิเล็กตรอนกลุ่มแรกจะได้รับพลังงานพร้อมกับเกิดความเร่งที่มีลักษณะเป็นคาบเท่ากับความถี่ของแสงนั้น การที่จะทำให้แสงที่เกิดขึ้นครั้งแรกและอิเล็กตรอนกลุ่มที่สองมาพบกันพอดีได้นั้นความยาวของเรโซเนเตอร์จะต้องมีค่าที่เหมาะสม นั่นคือความยาวของเรโซเนเตอร์จะต้องเท่ากับผลคูณระหว่างจำนวนเต็มกับความยาวคลื่นแสงที่เกิดจากอันดูเลเตอร์และต้องเท่ากับผลคูณระหว่างจำนวนเต็มกับระยะทางระหว่างกลุ่มของอิเล็กตรอนด้วย นอกจากนี้ความยาวของกลุ่มของอิเล็กตรอนแต่ละกลุ่มจะต้องสั้นกว่าความยาวคลื่นของแสงซินโครตรอนที่เกิดขึ้นเพื่อให้แสงที่เกิดขึ้นเป็นแสงที่มีความสอดคล้องกันของเฟส (Coherent radiation) ดังแสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 5Coherent synchrotron radiation (CSR) จากลำอิเล็กตรอนที่ถูกจัดเป็นกลุ่ม

           อิเล็กตรอนกลุ่มที่สองที่อยู่ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของแสงที่เกิดจากอิเล็กตรอนกลุ่มแรกจะเกิดความเร่งและปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา ซึ่งความเข้มของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกปล่อยออกมานั้นแปรตามความเร่งของอิเล็กตรอน หรืออีกนัยหนึ่งก็คือแปรตามขนาดของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ก่อให้เกิดความเร่งนั่นเอง แสงที่เกิดขึ้นนี้จะแทรกสอดแบบเสริมกันกับแสงที่เกิดขึ้นในครั้งแรกทำให้แสงที่สะท้อนไปมาในเรโซเนเตอร์มีความเข้มเพิ่มขึ้น ซึ่งแสงนี้ก็จะส่งผลกับลำอิเล็กตรอนกลุ่มที่สามทำให้ได้แสงที่มีความเข้มสูงขึ้นไปอีก จะเห็นได้ว่าพลังงานของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (แสง) ที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ได้มาจากการสูญเสียพลังงานของอิเล็กตรอน การที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งมีสนามไฟฟ้าในทิศทางตั้งฉากกับแกนของอันดูเลเตอร์จะมีการถ่ายเทพลังงานกับลำอิเล็กตรอนได้นั้นอิเล็กตรอนต้องมีการเคลื่อนที่ในทิศทางที่ตั้งฉากกับแกนของอันดูเลเตอร์เช่นกัน ซึ่งจากรูปที่ 4 จะเห็นได้ว่าอิเล็กตรอนมีการเคลื่อนที่ในทิศทางดังกล่าวเนื่องจากสนามแม่เหล็กของอันดูเลเตอร์นั่นเอง ดังนั้นอุปกรณ์แทรกอันดูเลเตอร์จึงทำหน้าที่สำคัญสองอย่าง คือเป็นตัวให้กำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และเป็นตัวทำให้เกิดการถ่ายเทพลังงานระหว่างลำอิเล็กตรอนกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้นด้วย อย่างไรก็ตาม คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตั้งต้นสำหรับ FEL นั้นสามารถมาจากแหล่งอื่นได้ เช่น เครื่องกำเนิดแสงเลเซอร์ธรรมดาที่กล่าวถึงในตอนต้น ในกรณีนี้จะเรียกคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตั้งต้นนี้ว่า Seed radiation และเรียกแหล่งกำเนิดแสงตั้งต้นนี้ว่า Master oscillator ส่วนอุปกรณ์แทรกอันดูเลเตอร์นั้นจะทำหน้าที่ให้เกิดการถ่ายเทพลังงานเท่านั้น
เราสามารถเลือกให้อุปกรณ์ FEL ผลิตแสงที่มีความยาวคลื่นที่เราต้องการได้โดยการเลือกความยาวคาบของอันดูเลเตอร์หรือปรับพลังงานของลำอิเล็กตรอนให้มีค่าที่เหมาะสม การเลือกปรับค่าความยาวของคลื่นแสงได้ (Wavelength tunability) นี้เป็นข้อดีของอุปกรณ์ FEL ที่เหมือนกับเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน แต่เครื่องกำเนิดแสง FEL ยังมีข้อได้เปรียบเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเนื่องจากแสงที่ผลิตได้มีความสอดคล้องกันของเฟสสูง (High degree of coherence) เหมือนเครื่องกำเนิดแสงเลเซอร์
            อุปกรณ์ FEL ชนิด Oscillator FEL (Multi-pass FEL) นั้นต้องอาศัยกระจกสำหรับทำเป็นเรโซเนเตอร์ดังที่ได้กล่าวไว้ในข้างต้น ด้วยเหตุนี้แสงที่ผลิตได้จาก Oscillator FEL นั้นจึงจำกัดอยู่แค่ตั้งแต่แสงในย่านรังสีอินฟราเรดจนถึงย่านรังสีอัลตราไวโอเลตเท่านั้นเนื่องจากว่าเรามีกระจกชนิดต่างๆ สำหรับใช้ในย่านพลังงานดังกล่าว ตัวอย่างเครื่องกำเนิดแสง FEL ที่เป็นชนิด Oscillator FEL ได้แก่ Infrared FEL ซึ่งใช้เครื่องเร่งอนุภาคแนวตรงขนาดพลังงาน 40 MeV ผลิตแสงในย่านรังสีอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นปานกลาง (Mid-infrared) และ Ultraviolet FEL ซึ่งใช้วงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนขนาดพลังงาน 1.2 GeV ผลิตแสงในย่านรังสีอัลตราไวโอเลต ณ Duke University ประเทศสหรัฐอเมริกา

รูปที่ 6  IR FEL (ซ้าย) และ UV FEL (ขวา) ณ Duke University [2]

          ในย่านรังสีเอ็กซ์นั้นเราไม่มีกระจกที่ใช้สำหรับสะท้อนรังสีเอ็กซ์กลับไปมาเพื่อทำเรโซเนเตอร์ การใช้ FEL สำหรับผลิตรังสีเอ็กซ์จึงต้องอาศัยการขยายความเข้มแสงโดยไม่ใช้เรโซเนเตอร์ อุปกรณ์ FEL ชนิดนี้มีชื่อเรียกว่า Single-pass FEL ซึ่งแบ่งได้เป็นสองประเภทคือ Single-pass FEL ที่ใช้หลักการ Self-amplified spontaneous emission (SASE) และ Single-pass FEL ที่ใช้หลักการ High-gain harmonic generation (HGHG) เราจะกล่าวถึง Single-pass FEL ซึ่งอาศัยหลักการ SASE ก่อน
           ส่วนประกอบของ SASE FEL นั้นแสดงไว้ในรูปที่ 7 จะเห็นว่าส่วนประกอบของ SASE FEL นั้นคล้ายกับของ Oscillator FEL (Multi-pass FEL) เพียงแต่จะไม่มี Optical resonator เท่านั้น ถ้าเราพิจารณากลุ่มของอิเล็กตรอนกลุ่มหนึ่งเราจะพบว่าการกระจายตัวของจำนวนอิเล็กตรอนในกลุ่มจะไม่เป็นการกระจายแบบเกาส์ (Gaussian distribution) ที่สมบูรณ์ แต่จะมีการผันแปรของความหนาแน่น (Density fluctuation) ของกลุ่มอิเล็กตรอนอยู่ด้วยเสมอ การผันแปรของความหนาแน่นนี้จะประพฤติตัวเหมือนกับเป็นกลุ่มอิเล็กตรอนกลุ่มสั้นๆ และปล่อยแสงที่มีความสอดคล้องกันของเฟสเมื่อผ่านเข้าไปในระบบอันดูเลเตอร์  แสงที่เกิดขึ้นทางด้านซ้ายสุดของอุปกรณ์แทรกอันดูเลเตอร์ซึ่งเคลื่อนที่ได้ไวกว่ากลุ่มอิเล็กตรอนที่ปลดปล่อยมันออกมานี้จะมีการถ่ายเทพลังงานกับกลุ่มอิเล็กตรอนที่ได้ล่วงหน้าไปก่อนภายในระบบอันดูเลเตอร์ ทำให้เกิดการปรับเปลี่ยนพลังงาน (Energy modulation) ของกลุ่มอิเล็กตรอนนั้น ซึ่งส่งผลให้เกิดการปรับเปลี่ยนความหนาแน่นของกลุ่มอิเล็กตรอน (Density modulation) นั้นด้วย ในขณะที่แสงนี้เดินทางไปทางด้านขวาถ้าความยาวคลื่นของแสง ค่าความยาวคาบของอันดูเลเตอร์ และพลังงานของลำอิเล็กตรอนมีค่าที่เหมาะสม การปรับเปลี่ยนความหนาแน่นของกลุ่มอิเล็กตรอนจะส่งผลให้อิเล็กตรอนเกาะกันเป็นกลุ่มยิ่งขึ้น (Bunch up) ็H็   กเกหทำให้สนามไฟฟ้าที่ถูกผลิตขึ้นจากกลุ่มอิเล็กตรอนด้านหน้านี้มีความเข้มสูงขึ้น ซึ่งทำให้เกิดการ Bunch up ที่มากขึ้นในกลุ่มอิเล็กตรอนกลุ่มที่อยู่ด้านหน้าขึ้นไปอีกเช่นนี้เรื่อยๆ ความเข้มแสงนี้จะสูงขึ้นตามลำดับแบบเอ็กโพเนนเชียลจากด้านซ้ายไปยังด้านขวาของระบบแม่เหล็กอันดูเลเตอร์ กระบวนการนี้มีเชื่อเรียกว่า Self-amplified spontaneous emission หรือ SASE นั่นเอง การเพิ่มความเข้มแสงโดยกระบวนการ SASE จึงไม่ต้องอาศัยเรโซเนเตอร์ แต่จะต้องการระบบอันดูเลเตอร์ที่มีความยาวค่อนข้างมาก (เพื่อให้เกิดการขยายความเข้มแสงหลายๆ ครั้ง) และลำอิเล็กตรอนที่มีคุณภาพสูง นั่นคือมีค่าอิมิทแทนซ์ต่ำและกลุ่มของอิเล็กตรอนมีการกระจายของพลังงาน (Energy spread) น้อย (เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของการขยายความเข้มแสง)

รูปที่ 7SASE FEL

          เนื่องจากการทำ SASE FEL มีจุดประสงค์หลักเพื่อการผลิตแสงความเข้มสูงในย่านรังสีเอ็กซ์ในบางกรณีจึงเรียก SASE FEL ที่ผลิตรังสีเอ็กซ์นี้ว่า X-FELโครงการพัฒนาอุปกรณ์ X-FEL ที่สำคัญมีสองโครงการ โครงการแรกคือโครงการ X-FEL ที่อาศัยเครื่องเร่งอนุภาคเพื่อศึกษาการชนกันของอนุภาคแนวตรง (Linear collider) ขนาดพลังงาน 500 GeV ความยาว 35 กิโลเมตร ชื่อ TESLA (TeV Superconducting Linear Accelerator) ณ สถาบันวิจัย DESY เมืองฮัมบูร์ก ประเทศสหพันธ์สาธารณรัฐเยอรมัน ซึ่งจะผลิตรังสีเอ็กซ์พลังงานสูง (Hard x-ray) ที่มีความยาวคลื่นประมาณ 1 อังสตรอม อีกโครงการหนึ่งคือโครงการ X-FEL ที่มีชื่อว่า Linac Coherent Light Source (LCLS) ที่สถาบันวิจัย Stanford Synchrotron Radiation Laboratory (SSRL) เมืองสแตนฟอร์ด ประเทศสหรัฐอเมริกา ซึ่งจะผลิตรังสีเอ็กซ์พลังงานสูงที่มีความยาวคลื่นประมาณ 1.5 อังสตรอม สำหรับโครงการแรกนั้นคาดว่าจะผลิตแสงที่มีความสว่าง (Brilliance) เฉลี่ยสูงถึง 10²⁶ photons s^-1 mrad^-2 mm^-2(0.1% bandwidth)^-1 หรือสูงกว่าแสงที่ได้จากเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันถึงหนึ่งล้านเท่า [3]

รูปที่ 8โครงการ Linac Coherent Light Source (LCLS) ณ สถาบันวิจัย SSRL [4]

          สำหรับเครื่องกำเนิดแสง Single-pass FEL อีกชนิดหนึ่งคือ HGHG FEL นั้นต่างกับ SASE FEL คือจะใช้แสงเลเซอร์ทำหน้าที่เป็น Seed radiation ร่วมกับการใช้ระบบแม่เหล็กอันดูเลเตอร์ 2 ตัว ระบบแม่เหล็กอันดูเลเตอร์ตัวแรกจะทำให้เกิดการปรับเปลี่ยนพลังงานของกลุ่มอิเล็กตรอน จึงเรียกระบบอันดูเลเตอร์ตัวนี้ว่า Modulatorในขณะที่ระบบอันดูเลเตอร์ตัวที่สองทำหน้าที่ขยายความเข้มของแสงที่เป็นฮาร์โมนิกของแสงที่เป็น Seed radiation นี้ จึงเรียกระบบอันดูเลเตอร์ตัวนี้ว่า Radiator ความแตกต่างนี้ทำให้กระบวนการ HGHG มีข้อได้เปรียบกระบวนการ SASE คือสเป็กตรัมของแสงที่ผลิตได้มีขนาดแคบกว่าถึงประมาณ 10 เท่า และความยาวคลื่นที่ผลิตได้ถูกกำหนดโดยความยาวคลื่นของ Seed radiation ซึ่งมีความเสถียรสูง ต่างจากกรณีของ SASE FEL ที่ความยาวคลื่นนั้นถูกกำหนดโดยพลังงานของอิเล็กตรอนซึ่งมีความเสถียรน้อยกว่ามาก นอกจากนั้น HGHG FEL ยังสามารถให้แสงที่มีความยาวพัลส์สั้นกว่าแสงจาก SASE FEL อีกด้วย [5]
 
Energy Recovery Linac (ERL)
           นอกจากการใช้เครื่องกำเนิดแสง Free electron laser สำหรับการผลิตแสงที่มีความจ้า (Brilliance) สูงแล้ว Energy recovery linac (ERL) เป็นอีกแนวความคิดหนึ่งสำหรับการสร้างเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนที่สามารถผลิตแสงซินโครตรอนที่มีความจ้าสูงกว่าเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนในปัจจุบันที่ใช้เทคโนโลยีวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนในการให้กำเนิดแสงซินโครตรอน  
           เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนที่ดีนั้นจะต้องให้แสงซินโครตรอนที่มีทั้งฟลักซ์ (Flux) และความจ้าสูง การทำให้ความจ้าสูงนั้นทำได้โดยการลดค่าอิมิทแทนซ์ของลำอิเล็กตรอนที่เป็นต้นกำเนิดของแสงซินโครตรอน วงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนนั้นประกอบไปด้วยชุดแม่เหล็กชนิดต่าง ๆ อาทิ แม่เหล็กสองขั้ว แม่เหล็กสี่ขั้ว ฯลฯ การจัดเรียงชุดแม่เหล็กนี้เรียกว่าแลททิซ ( Lattice) สำหรับแลททิซแบบหนึ่งๆ นั้น ค่าอิมิทแทนซ์จะขึ้นอยู่กับพลังงานของอิเล็กตรอน นั่นคือ ค่าอิมิทแทนซ์จะเพิ่มขึ้นเมื่อพลังงานของอิเล็กตรอนมีค่าสูงขึ้น แต่ในเครื่องเร่งอนุภาคแนวตรงนั้นค่าอิมิทแทนซ์จะไม่ขึ้นอยู่กับพลังงานของอิเล็กตรอน แต่จะขึ้นอยู่กับค่าอิมิทแทนซ์ของแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนซึ่งมีค่าน้อยกว่าค่าอิมิทแทนซ์ของวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนมาก นี่เป็นจุดเริ่มต้นของความคิดที่จะนำเครื่องเร่งอนุภาคแนวตรงมาผลิตลำอิเล็กตรอนที่มีค่าอิมิทแทนซ์ต่ำให้เดินทางผ่านระบบแม่เหล็กอันดูเลเตอร์สำหรับการผลิตแสงซินโครตรอนที่มีความจ้าสูง
           ปัญหาสำคัญของแนวความคิดนี้คือพลังงานไฟฟ้าที่จะใช้ขับเคลื่อนเครื่องเร่งอนุภาคแนวตรงนั้นสูงเกินกว่าที่เราจะเปิดเครื่องให้ทำงานอย่างต่อเนื่องเป็นเวลานานได้ การแก้ปัญหานี้ทำได้โดยการนำพลังงานของอิเล็กตรอนที่ผ่านการเร่งแล้วกลับมาใช้ใหม่ (Energy recovery) [6] สำหรับการเร่งอิเล็กตรอนกลุ่มต่อไป เครื่องเร่งอนุภาคแนวตรงนั้นจะเร่งหรือหน่วงอิเล็กตรอนขึ้นอยู่กับความต่างเฟสของตำแหน่งอิเล็กตรอนกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าภายในเครื่องเร่งฯ การเร่งอิเล็กตรอนนั้นเกิดจากการถ่ายเทพลังงานจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไปยังอิเล็กตรอน ซึ่งในทางกลับกันการหน่วงอิเล็กตรอนก็เกิดจากการถ่ายเทพลังงานจากอิเล็กตรอนไปยังคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งพลังงานที่อิเล็กตรอนถ่ายเทให้กับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าภายในเครื่องเร่งอนุภาคนี้เองที่จะถูกนำไปใช้ในการเร่งอิเล็กตรอนกลุ่มต่อไป
           ปัญหาที่ตามมาอีกคือเมื่อพลังงานถูกถ่ายเทให้กับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าภายในเครื่องเร่งอนุภาคแนวตรงแล้ว เครื่องเร่งฯ จะต้องสามารถเก็บพลังงานนั้นให้ได้เป็นเวลานานพอสมควรเพื่อที่จะถ่ายทอดให้แก่อิเล็กตรอนกลุ่มถัดไป ผนังภายในของเครื่องเร่งอนุภาคแนวตรงนั้นปกติทำจากทองแดงซึ่งมีความต้านทานไฟฟ้าต่ำเพื่อลดความสูญเสียอันเนื่องมาจากความต้านทานไฟฟ้าที่ผนังภายในของเครื่องเร่งฯ แต่ว่าความต้านทานไฟฟ้าของทองแดงก็ยังสูงเกินไปสำหรับเครื่องเร่งอนุภาคแนวตรงที่จะนำมาใช้ใน ERL การแก้ปัญหานี้ทำได้โดยการใช้ตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด (Superconductor) ทำผนังภายในของเครื่องเร่งอนุภาคแนวตรงแทนการใช้ทองแดง

รูปที่ 9แผนการสร้างเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนที่ใช้ Energy recovery linac
แทนการใช้วงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอน ของมหาวิทยาลัยคอร์เนลล์ (CornellUniversity) [7]

          รูปที่ 9นั้นแสดงแผนภาพของเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนที่ใช้ Energy recovery linac แทนการใช้วงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอน ณ มหาวิทยาลัยคอร์เนลล์ ประเทศสหรัฐอเมริกา ซึ่งเป็นโครงการระหว่างมหาวิทยาลัยคอร์เนลล์กับห้องปฏิบัติการเจฟเฟอร์สัน (Jefferson Laboratory) อิเล็กตรอนจะถูกผลิตโดยปืนอิเล็กตรอนชนิด Laser-driven photocathode electron gun ซึ่งให้ลำอิเล็กตรอนที่มีค่าอิมิทแทนซ์ต่ำ (ปืนอิเล็กตรอนนี้อยู่ในส่วนของ Injector ในรูป) จากนั้นอิเล็กตรอนจะถูกเร่งโดย Injector จนมีพลังงานประมาณ 5 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ อิเล็กตรอนซึ่งจัดว่ามีพลังงานต่ำนี้จะเลี้ยวโค้งเข้าสู่เครื่องเร่งอนุภาคแนวตรง (Main linac ในรูป) โดยอาศัยแม่เหล็กสองขั้วที่มีสนามแม่เหล็กต่ำ อิเล็กตรอนที่ผ่านเครื่องเร่งอนุภาคแนวตรงแล้วจะมีพลังงานสูงถึง 5 –7 พันล้านอิเล็กตรอนโวลต์ อิเล็กตรอนพลังงานสูงนี้เมื่อเดินทางผ่านชุดแม่เหล็กและอุปกรณ์แทรก (Insertion device หรือ ID ในรูป) ก็จะผลิตแสงซินโครตรอนในย่านพลังงานรังสีเอ็กซ์ที่มีความเข้มสูง (ในรูป DBA คือชนิดของแลททิซแบบ Double bend acromat ซึ่งเป็นแลททิซชนิดเดียวกับแลททิซของวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนของเครื่องกำเนิดแสงสยาม) ไปตลอดทางจนครบวงจนกลับมาที่เครื่องเร่งอนุภาคแนวตรงอีกครั้งหนึ่ง อิเล็กตรอนพลังงานสูงที่เดินทางกลับมานี้จะถูกทำให้มีเฟสที่ตรงกันข้ามกับตอนที่เดินทางผ่านเครื่องเร่งฯ ในครั้งแรกโดยการเลือกความยาวของเส้นรอบวงของเครื่องให้เหมาะสม ดังนั้นอิเล็กตรอนเหล่านี้จะสูญเสียพลังงานให้กับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าภายในเครื่องเร่งฯ เพื่อใช้สำหรับการเร่งอิเล็กตรอนกลุ่มถัดไป อิเล็กตรอนพลังงานสูงที่ถ่ายเทพลังงานกลับไปสู่เครื่องเร่งฯ แล้วเมื่อออกจากเครื่องเร่งฯ ก็จะมีพลังงานลดลงเหลือประมาณ 5 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์เท่าเดิมและจะถูกกำจัดในส่วนของ Beam dump ในรูปโดยอาศัยแม่เหล็กสองขั้วที่มีสนามแม่เหล็กต่ำเช่นกัน (จะเห็นว่าการใช้แม่เหล็กสองขั้วที่มีสนามแม่เหล็กต่ำนี้จะทำให้เกิดการเลี้ยวเบนของเฉพาะอิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่ำเท่านั้น อิเล็กตรอนพลังงานสูงจะเดินทางผ่านแม่เหล็กนี้โดยแทบจะไม่เกิดการเลี้ยวเบนเลย) จากนั้นอิเล็กตรอนกลุ่มใหม่ก็จะถูกผลิตขึ้นจาก Injector และถูกเร่งโดยเครื่องเร่งอนุภาคแนวตรงซึ่งมีพลังงานที่เก็บไว้จากอิเล็กตรอนกลุ่มที่แล้ว และเดินทางพร้อมทั้งผลิตแสงซินโครตรอนเช่นนี้ไปเรื่อยๆ จะเห็นว่าจุดที่มีความแตกต่างอย่างมากระหว่างเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนที่ใช้ ERL กับเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนที่ใช้วงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนคือในระบบ ERL อิเล็กตรอนตัวหนึ่งจะเดินทางแค่รอบเดียว ต่างกับในวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนที่อิเล็กตรอนตัวหนึ่งๆ จะเดินทางในวงแหวนหลายล้านรอบ



 

โดย

ดร. ประพงษ์ คล้ายสุบรรณ์

สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)

 




เอกสารอ้างอิง

1.               H. Winick, Synchrotron Radiation Sources: A Primer, World Scientific, Singapore, 1994.
2.               Duke Free Electron Laser Laboratory (DFELL) website: http://www.fel.duke.edu/.
3.               M. Wilmanns, “Future structural biology applications with a free-electron laser – more than wild dreams?”, J. Synchrotron Rad. 7, 41 (2000).
4.               LCLS Design Study Group, Linac Coherent Light Source (LCLS) Design Study Report, Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) publication no. SLAC-R-521, 1998, p. 2-3.
5.               L.-H. Yu et.al., “High-gain harmonic-generation free-electron laser”, Science 289, 932 (2000).
6.               แนวความคิดของการนำพลังงานของอิเล็กตรอนกลับมาใช้ใหม่นี้ถูกคิดค้นขึ้นโดยMaury Tigner เป็นคนแรกในปี 1965 [M. Tigner, “A Possible Apparatus for Electron Clashing-Beam Experiments”, Nuovo Cimento 37, 1228 (1965).]
7.               D. Bilderback et al., “New Energy Recovery Linac Source of Synchrotron X-rays”, Synchrotron Radiation News 14, 12 (2001).
8.               S. Gruner, D. Bilderback, and M. Tigner, “Synchrotron Radiation Sources for the Future”, Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS) white paper, 2000.