ฟิสิกส์ในชีวิตประจำวัน ตอนแสงซินโครตรอน

แสงซินโครตรอน คือแสงที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากอิเล็กตรอนที่เลี้ยวโค้งด้วยความเร็วใกล้ความเร็วแสง 3x108 m/s  แสงซินโครตรอนเป็นแสงความเข้มสูงที่มีค่าพลังงานต่อเนื่อง ครอบคลุมช่วงพลังงานกว้างตั้งแต่ช่วงของรังสีอินฟราเรดจนถึงรังสีเอกซ์ ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้หลากหลาย

คุณสมบัติแสงซินโครตรอน

1.มีสเปกตรัมที่ต่อเนื่อง (continuous spectrum)

2.มีความเข้มสูง (high intensity)

3.มีความคมสูงมาก (highly collimated)

4.มีลักษณะเป็นพัลส์ (pulse)

5.เป็นแสงที่รู้คุณสมบัติเชิงปริมาณ (brilliance)

6.เป็นแสงที่โพลาไรซ์ (polarized light)

7.เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่มีการปนเปื้อนต่ำ (clean environment)

การสร้างแสงซินโครตรอน  จะถูกปล่อยออกจากอิเล็กตรอนที่ถูกบังคับให้มีการเปลี่ยนแปลงในด้านความเร็วหรือทิศทางในขณะที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้ความเร็วแสง  เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนจึงประกอบด้วยส่วนประกอบหลักสามส่วนคือ

1.    ปืนอิเล็กตรอน ใช้สำหรับผลิตลำอนุภาคอิเล็กตรอน

2.    ระบบเครื่องเร่งอนุภาค สำหรับเร่งความเร็วของลำอิเล็กตรอน

3.    วงกักเก็บอิเล็กตรอน สำหรับเก็บลำอนุภาคอิเล็กตรอนความเร็วสูง และบังคับให้เลี้ยวโค้งด้วยสนามแม่เหล็กเพื่อให้ปลดปล่อยแสงซินโครตรอน

ความจริงแล้ว อนุภาคมีประจุทุกชนิดที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่ง ล้วนปล่อยแสงซินโครตรอนทั้งสิ้น แต่เนื่องจากความเข้มของแสงซินโครตรอนที่ปล่อยออกมาแปรผกผันกับมวลของอนุภาคยกกำลังสี่ ในการผลิตแสงซินโครตรอนจึงต้องใช้อนุภาคมีประจุที่มีมวลน้อยที่สุด ซึ่งคืออิเล็กตรอนหรือโพสิตรอน แต่โพสิตรอนนั้นเป็น antiparticle ซึ่งการผลิตนั้นซับซ้อนยุ่งยาก เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนจึงใช้อิเล็กตรอน

เราผลิตอิเล็กตรอนได้อย่างไร

อนุภาคอิเล็กตรอนสามารถผลิตได้โดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า หลอดแคโธด ซึ่งมีส่วนประกอบดังรูป

ส่วนของแคโธดนั้นเป็นโลหะผสม เมื่อถูกเผาให้ร้อนจะทำให้อิเล็กตรอนบริเวณผิวโลหะหลุดออก และเมื่อจ่ายไฟฟ้าศักย์สูง (ปืนอิเล็กตรอนของเครื่องกำเนิดแสงสยามใช้ศักย์ไฟฟ้า 120 กิโลโวลต์) โดยแคโธดเป็นขั้วลบและแอโนดเป็นขั้วบวก อิเล็กตรอนซึ่งมีประจุเป็นลบจากแคโธดจะวิ่งเข้าหาแอโนดและทะลุผ่านออกไปสู่เครื่องเร่งอนุภาคเพื่อเร่งพลังงานต่อไป

เราเร่งความเร็วอิเล็กตรอนได้อย่างไร

เมื่อลำอิเล็กตรอนถูกผลิตจากปืนอิเล็กตรอน จะเคลื่อนที่เข้าไปยังเครื่องเร่งอนุภาคทางตรง (Linear accelerator หรือ Linac) โดยที่เครื่องเร่งอนุภาคทางตรงนี้เป็นท่อทองแดงที่ถูกกั้นเป็นห้องๆ ดังรูป

ภาพแสดงโครงสร้างเครื่องเร่งอนุภาคทางตรง

ภายในท่อถูกเติมไว้ด้วยคลื่นไมโครเวฟกำลัง 8 ล้านวัตต์ ความถี่ 2856 MHz ซึ่งถูกผลิตจากอุปกรณ์ที่เรียกว่าไครสตรอน และถูกส่งมายังเครื่องเร่งอนุภาคทางตรงผ่านทางท่อนำคลื่น (wave guide) เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่เข้ามาในท่อก็จะถูกเร่งโดยสนามไฟฟ้าของคลื่นไมโครเวฟ

อิเล็กตรอนถูกเร่งโดยเครื่องเร่งอนุภาคทางตรงจนมีพลังงานเป็น 40 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ จากนั้นอิเล็กตรอนจะถูกส่งไปเร่งต่อในเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมที่เรียกว่าบูสเตอร์ซินโครตรอน (booster synchrotron)

แสดงภาพเครื่องเร่งอนุภาคทางตรง (LINAC) และบูสเตอร์ซินโครตรอน (SYN)

ในบูสเตอร์ซินโครตรอนมีกล่องทองแดงที่เรียกว่าห้องคลื่นวิทยุ หรือ RF cavity ซึ่งภายในบรรจุคลื่นวิทยุกำลัง 35 กิโลวัตต์ ความถี่ 118 MHz เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่าน RF cavity ก็จะถูกเร่งโดยสนามไฟฟ้าของคลื่นวิทยุ ทำให้มีพลังงานเพิ่มขึ้นทีละน้อยในแต่ละรอบที่เคลื่อนที่อยู่ในบูสเตอร์ซินโครตรอน โดยอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ในบูสเตอร์ซินโครตรอนประมาณ 4 ล้านรอบ ใช้เวลาประมาณ 0.6 วินาที ก็จะมีพลังงาน 1 พันล้านอิเล็กตรอนโวลต์ ซึ่งมีความเร็วประมาณ 99.999986% ของความเร็วแสง

ทำไมอิเล็กตรอนที่เลี้ยวโค้งจึงปลดปล่อยแสงซินโครตรอน

ตอบแบบง่าย อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคมีประจุซึ่งมีอนุภาคที่เรียกว่า โฟตอนล้อมรอบ

เมื่ออิเล็กตรอนเลี้ยวโค้งเกิดความเร่งสู่ศูนย์กลางทำให้อนุภาคโฟตอนถูกสลัดออกมา (คล้ายกับการที่ของถูกสลัดออกจากรถยนต์ที่เลี้ยวโค้ง) อนุภาคโฟตอนที่ถูกสลัดออกมาก็คือแสงซินโครตรอน

ตอบแบบนักฟิสิกส์ ฟิสิกส์เบื้องหลังการปลดปล่อยแสงซินโครตรอนคือสมการแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์

สมการสี่สมการนี้บอกความสัมพันธ์ระหว่างประจุไฟฟ้า (\rho) ความเร็วของการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า (\vec{\beta}) สนามไฟฟ้า (\vec{E}) และสนามแม่เหล็ก (\vec{B}) โดยสามารถแปลสมการเหล่านี้เป็นคำพูดได้ คือ

1.    ประจุไฟฟ้าเป็นแหล่งกำเนิดสนามไฟฟ้า

2.    ประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้า และเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็ก

ดังนั้น จึงสรุปได้ว่าประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งสนามแม่เหล็กไฟฟ้าก็คือสิ่งที่เราเรียกว่า แสงและอิเล็กตรอนนั้นเป็นประจุไฟฟ้า ดังนั้นเราจึงสรุปได้ว่า อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ ปล่อยแสงเสมอ

เมื่อทำการแก้สมการแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ สิ่งที่ได้คือค่าสนามไฟฟ้าที่ตำแหน่งต่างๆ ดังสมการ

ซึ่งความเข้มแสงซินโครตรอนที่ปลดปล่อยออกมานั้นสัมพันธ์กับกำลังสองของสนามไฟฟ้าดังกล่าว โดยจะเห็นได้ในสมการว่าสนามไฟฟ้าที่ได้มีสองส่วน ส่วนแรกนั้นขึ้นกับความเร็วของอิเล็กตรอน (ในสมการ) และส่วนที่สองนั้นขึ้นกับทั้งความเร็วและความเร่ง (และ } ในสมการ) เนื่องจากแสงซินโครตรอนนั้นเกิดจากสนามไฟฟ้าในส่วนที่สอง ดังนั้นหากเราต้องการให้ได้แสงที่เกิดจากสนามไฟฟ้าในส่วนที่สอง นอกจากอิเล็กตรอนต้องมีความเร็วแล้ว ยังต้องมีความเร่งด้วย นี่เป็นเหตุผลที่เราต้องบังคับให้อิเล็กตรอนเลี้ยวโค้ง เนื่องจากในขณะที่เลี้ยวโค้งอิเล็กตรอนจะมีความเร่ง ซึ่งเราเรียกว่าความเร่งสู่ศูนย์กลาง

เราบังคับให้อิเล็กตรอนเลี้ยวโค้งได้อย่างไร

เราทำให้อิเล็กตรอนเลี้ยวโค้งได้โดยใช้สนามแม่เหล็ก เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านแม่เหล็กจะเกิดแรงในแนวตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ เรียกว่าแรงลอเรนทซ์ (Lolentz force) ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่เป็นส่วนโค้งของวงกลม โดยที่รัศมีความโค้งของการเลี้ยวสัมพันธ์กับค่าสนามแม่เหล็กและความเร็วของอิเล็กตรอน

ภาพแสดงแม่เหล็กบังคับเลี้ยว (bending magnet) ของวงกักเก็บอิเล็กตรอนของเครื่องกำเนิดแสงสยาม และการปล่อยแสงซินโครตรอนโดยอิเล็กตรอนที่เลี้ยวโค้ง

ภาพแสดงการปล่อยแสงซินโครตรอนโดยอิเล็กตรอนที่เลี้ยวโค้งในแม่เหล็กบังคับ เลี้ยวทั้งแปดตัวของวงกักเก็บอิเล็กตรอนของเครื่องกำเนิดแสงสยาม

ทำไมจึงต้องเลี้ยวโค้งด้วยความเร็วสูง

เมื่ออิเล็กตรอนเลี้ยวโค้งด้วยความเร็วสูงจะเกิดผลตามทฤษฎีสัมพัทธภาพ ทำให้ช่วงเวลาที่อิเล็กตรอนปล่อยแสงนั้นหดสั้นลง ซึ่งทำให้เหมือนกับว่าแสงที่ปลดปล่อยออกมาจากหลายจุดในส่วนโค้งนั้นมาถึง พร้อมกัน ส่งผลทำให้แสงซินโครตรอนเป็นลำกรวยขนาดเล็กที่มีความเข้มสูง

แสงซินโครตรอนมีความพิเศษอย่างไร

เป็นแสงความเข้มสูง

จากผลของทฤษฎีสัมพัทธภาพ ทำให้แสงซินโครตรอนมีลักษณะเป็นลำกรวยขนาดเล็กที่มีความเข้มสูง โดยมีค่าความเข้มแสงต่อหน่วยพื้นที่ของแหล่งกำเนิดสูงกว่าแสงอาทิตย์ประมาณล้านเท่า

เป็นแสงที่มีค่าความยาวคลื่นกว้าง

เนื่องจากแสงซินโครตรอนถูกปลดปล่อยออกมาจากอิเล็กตรอนอิสระ ค่าความยาวคลื่นของแสงจึงคลอบคลุมช่วงความยาวคลื่นกว้างตั้งแต่ย่านอินฟราเรดจนถึงรังสีเอกซ์ ทำให้สามารถนำไปใช้งานได้หลากหลาย

เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน เป็นแหล่งกำเนิดที่ให้แสงมีค่าความยาวคลื่นกว้างตั้งแต่ช่วงอินฟราเรด ถึงรังสีเอกซ์ ซึ่งค่าความยาวคลื่นช่วงนี้คลอบคลุมขนาดของเซลล์ โมเลกุลโปรตีน จนถึงอะตอม จึงสามารถใช้แสงซินโครตรอนศึกษาองค์ประกอบและโครงสร้างสิ่งเหล่านี้ได้

เราใช้แสงซินโครตรอนทำอะไร

แสงซินโครตรอนถูกใช้เป็นเครื่องมือในการศึกษาวิจัยหลากหลายสาขา โดยเฉพาะอย่างยิ่งการศึกษาองค์ประกอบและโครงสร้างของวัสดุต่างๆ

การศึกษาองค์ประกอบและโครงสร้างวัสดุ อาศัยหลักการใช้แสงซินโครตรอนเข้าไปกระตุ้นอะตอมที่อยู่ภายในวัสดุ ซึ่งจะทำให้เกิดกระบวนการบางอย่าง เช่น แสงเกิดการกระเจิงจากวัสดุ หรือวัสดุมีการดูดกลืนแสง หรือมีบางสิ่งหลุดออกมาจากวัสดุ เช่นมีอิเล็กตรอนหลุดออกมา หรือวัสดุมีการปลดปล่อยรังสีเอกซ์ จากนั้นจะมีระบบวัดสำหรับวัดแสงที่กระเจิง หรือวัดการดูดกลืนแสง หรือวัดอิเล็กตรอนหรือรังสีเอกซ์ที่ถูกปล่อยออกมา แล้วทำการวิเคราะห์ข้อมูลออกมาเป็นองค์ประกอบ หรือลักษณะโครงสร้างวัสดุ

สิ่งที่ทำการวัดหลังจากการกระตุ้นด้วยแสงซินโครตรอน จะให้ข้อมูลที่แตกต่างกันไป เช่นหากวัดรังสีเอกซ์ที่กระเจิงออกมาจากวัสดุ จะได้ข้อมูลของขนาดและรูปร่างของโมเลกุล หรือขนาดและรูปร่างของอนุภาคนาโน หรือหากวัดอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจากวัสดุ จะได้ข้อมูลลักษณะพื้นผิวของโลหะ หรือสารกึ่งตัวนำ หากวัดการดูดกลืนรังสีเอกซ์ของวัสดุ จะได้ข้อมูลระยะห่างระหว่างอะตอมภายในวัสดุ หากวัดการดูดกลืนแสงอินฟราเรดของวัสดุ จะได้ข้อมูลชนิดพันธะเคมีในวัสดุ หรือหากวัดรังสีเอกซ์ที่ปล่อยออกมาจากวัสดุ จะได้ข้อมูลชนิดของธาตุที่เป็นองค์ประกอบของวัสดุนั้น เป็นต้น นอกจากนั้น แสงซินโครตรอนยังสามารถใช้ในการสร้างเบ้าหล่อขนาดเล็กระดับไมครอน เพื่อสร้างชิ้นส่วนขนาดจิ๋ว

ภายในสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอนจึงมีสถานีทดลองต่างๆ อยู่รอบๆ วงกักเก็บอิเล็กตรอน โดยสถานีทดลองเหล่านี้จะมีชื่อเรียกตามสิ่งที่ทำการวัด เช่น สถานีทดลองการกระเจิงรังสีเอกซ์ สถานีทดลองการดูดกลืนรังสีเอกซ์ สถานีทดลองการเรืองรังสีเอกซ์ เป็นต้น

ภาพแสดงแผนผังสถานีทดลองต่างๆ ของสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน  กลางภาพคือวงกักเก็บอิเล็กตรอนรูปแปดเหลี่ยม เส้นรอบวง 81 เมตร สถานีทดลองอยู่ที่ปลายของระบบลำเลียงแสงซึ่งติดตั้งอยู่รอบวงกักเก็บอิเล็กตรอน แต่ละสถานีทดลองใช้แสงซินโครตรอนช่วงความยาวคลื่นเฉพาะ สำหรับเทคนิคการวัดต่าง ๆ