แสงซินโครตรอนคืออะไร ???


แสงซินโครตรอน คือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปลดปล่อยออกมาจากอนุภาคอิเล็คตรอนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้ความเร็วแสง (3×10m/s) และถูกบังคับให้เคลื่อนที่เป็นแนวโค้งด้วยสนามแม่เหล็ก ทำให้อิเล็คตรอนสูญเสียพลังงานบางส่วนออกมาในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เรียกว่า แสงซินโครตรอน 

ring_light_small

 

แสงซินโครตรอนมีคุณสมบัติพิเศษ คือ แสงความเข้มสูงที่มีค่าพลังงานต่อเนื่อง มีความสว่างจ้ามากกว่าแสงอาทิตย์นับล้านเท่า และมีความยาวคลื่นครอบคลุมตั้งแต่ย่านอินฟาเรด จนถึงรังสีเอกซ์ ทำให้สามารถปรับจูนช่วงความยาวคลื่นตามความเหมาะสมกับการวิเคราะห์ตัวอย่างแต่ละชนิด นอกจากนั้นแสงซินโครตรอนยังสามารถบีบลำแสงให้มีขนาดเล็กลงระดับไมโครเมตรเพื่อการวิเคราะห์คุณสมบัติของวัตถุเชิงลึกต่างๆได้  การคลอบคลุมช่วงพลังงานกว้างตั้งแต่ช่วงของรังสีอินฟราเรดจนถึงรังสีเอ็กซ์ ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้หลากหลาย

 

spectrum

 

ก่อนที่เราจะมาทำความรู้จักแสงซินโครตรอนให้ดีกว่านี้ คงจะต้องทบทวนบทเรียนเคมีฟิสิกส์พื้นฐานกันนิดหน่อย (เริ่มปวดหัวกันรึยังคะ) ไปกันเลยดีกว่าค่ะ  ►►► Go Go Go

อย่างที่รู้กันว่าอนุภาคที่เล็กที่สุดของสสารก็คืออะตอม (atom) ซึ่งประกอบไปด้วยอนุภาค 3 ชนิด ก็คือ นิวตรอน (neutron) โปรตอน (Proton)  และอิเล็คตรอน (electron)

ลองมาดูแบบจำลองโครงสร้างของอะตอมกันนะคะ จะเห็นได้ว่านิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยนิวตรอน และโปรตอน ส่วนกลุ่มของอิเล็คตรอนนั้นจะวิ่งวนอยู่รอบอะตอมค่ะ

quantum

 

อนุภาค สัญลักษณ์ ประจุ (คูลอมบ์) น้ำหนัก (กิโลกรัม)
โปรตอน p 1.60x10-19 1.67x10-27
นิวตรอน n ไม่มีประจุ 1.67x10-27
อิเล็คตรอน e- -1.60x10-19 9.11x10-31

จากตารางจะเห็นว่าโปรตอนและอิเล็คตรอนนั้นมีค่าประจุเท่ากันแต่มีขั้วตรงข้ามกัน ส่วนขนาดของอนุภาคนั้นจะเห็นได้ว่าโปรตอนและนิวตรอนมีขนาดเท่ากัน ส่วนอิเล็คตรอนมีขนาดเล็กกว่ามาก

อนุภาคอิเล็คตรอนสามารถทำให้เป็นอิสระได้โดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า "หลอดแคโทด" ซึ่งแคโทดที่เป็นโลหะผสมเมื่อรับความร้อนจะทำให้อิเล็คตรอนที่พื้นผิวโลหะหลุดออก และหากจ่ายศักย์ไฟฟ้าสูง โดยให้แคโทดเป็นขั้วลบ และแอโนดเป็นขั้วบวก อิเล็คตรอนซึ่งมีประจุลบจะเคลื่อนที่จากแคโทดเข้าหาแอโนดดังภาพ

Presentation1

 

อิเล็คตรอนกับสนามไฟฟ้า อนุภาคประจุบวกเมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้าจะถูกแรงกระทำให้เคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกันกับสนามไฟฟ้า แต่ประจุลบตรงข้ามกัน ดังภาพ  สมการที่ใช้บอกปริมาณแรงและทิศทางของอนุภาคที่เคลื่อนที่ไปในสนามไฟฟ้าคือ F = qE

Presentation3

อิเล็คตรอนกับสนามแม่เหล็ก  เมื่ออิเล็คตรอนเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กโดยมีทิศตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กจะถูกแรงเนื่องจากสนามแม่เหล็กกระทำ หรือแรงแม่เหล็กทำให้แนวการเคลื่อนที่เปลี่ยนแปลงไปตามกฎมือขวา โดยจะได้ขนาด vector ดังสมการ F = qv × B

การ cross product ของ vector ตามกฎมือขวา  vector นั้นคือปริมาณที่มีขนาดและทิศทาง เช่น ความเร็ว ความเร่ง การกระจัด แรง สนามแม่เหล็ก สนามไฟฟ้า ความเร็วเชิงมุมุ เป็นต้น  เมื่อมี vector 2 vector กระทำต่อกัน ผลของการ cross product ที่ได้ จะเป็นไปตามกฎมือขวา  ดังนี้ "ผลคูณไขว้ของ vector 2 อัน a และ b (มองในมุมสามมิติ) เขียนแทนด้วย a×b (เอ ครอสส์ บี) คือ vector c (c = a×b) ซึ่งจะตั้งฉากกับ vector a และ  b และมีทิศตามกฎมือขวา มีขนาดเท่ากับพื้นที่ของรูปสี่เหลี่ยมด้านขนานที่ vector ทั้งสองครอบคลุมอยู่  อ่านแล้วอาจจะงงนะคะ เรามาดูรูปให้เข้าใจได้ง่ายๆดีกว่าค่ะ

วิธีใช้กฎมือขวา: แบมือก่อนค่ะ จากนั้นเอานิ้วทั้งสี่ ยกเว้นนิ้วโป้ง ชี้ไปทิศเดียวกับที่อนุภาควิ่งมาค่ะ 

Presentation5

 

จากนั้นกำมือให้นิ้วทั้งสี่ชี้ไปยังทิศของสนามแม่เหล็ก คือจากภาพสนามแม่เหล็กมีทิศตั้งฉากพุ่งออกจากระนาบ มือก็จะกำทวนเข็มนาฬิกาค่ะ จะได้ทิศทางของอนุภาคเมื่อเคลื่อนที่เข้ามาในสนามแม่เหล็กตามนิ้วโป้งค่ะ จากสมการ F = qvB หากประจุมีค่าเป็นบวก ทิศทางย่อมเป็นไปตามผลลัพธ์ แต่หากประจุเป็นลบจะได้ทิศทางตรงกันข้ามค่ะ

Presentation4

 

ผลลัพธ์การ cross vector เมื่อใช้กฎมือขวา หากสนามแม่เหล็กพุ่งเข้าระนาบ  มือก็จะกำตามเข็มนาฬิกาค่ะ อนุภาคก็จะเคลื่อนที่ลง แต่เนื่องจากตัวอย่างเป็นอิเล็คตรอนก็จะมีทิศตรงกันข้าม

 Presentation6Presentation7

             pb2-1 แทนสนามแม่เหล็กมีทิศตั้งฉากพุ่งออก                                         กากบาทสีแดงRedcross  แทนสนามแม่เหล็กมีทิศตั้งฉากพุ่งเข้าระนาบ

 

จากความรู้เบื้องต้นมาดูกันว่าเราผลิตแสงซินโครตรอนได้อย่างไร

ในการผลิตแสงซินโครตรอน เราต้องมีอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้ความเร็วแสง และบังคับให้เลี้ยวโค้ง ดังนั้นเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนจึงประกอบด้วยส่วนประกอบหลักสามส่วนคือ

1. ปืนอิเล็กตรอน (การทำงานใช้หลักการเดียวกับหลอดไฟกลมตามบ้านสมัยก่อนคือใช้กระแสไฟฟ้าทำให้ไส้หลอดร้อนจนอิเล็คตรอนหลุดออกมา) ใช้สำหรับผลิตลำอนุภาคอิเล็กตรอน (จากที่กล่าวมาคือส่วนของแคโทด) ปืนอิเล็กตรอนของเครื่องกำเนิดแสงสยามใช้ศักย์ไฟฟ้า 120 กิโลโวลต์ โดยให้แคโธดเป็นขั้วลบและแอโนดเป็นขั้วบวก อิเล็กตรอนซึ่งมีประจุเป็นลบจากแคโธดจะวิ่งเข้าหาแอโนดและทะลุผ่านออกไปสู่เครื่องเร่งอนุภาคเพื่อเร่งพลังงานต่อไป

 

gun

ปืนอิเล็คตรอนแสดงอิเล็คตรอนที่หลุดออกมาถูกบีบให้เป็นลำ และบังคับทิศทางให้เป็นอย่างที่ต้องการ

 

2

แสดงลำอิเล็คตรอนสีเขียว เมื่ออยู่ในภาวะที่มีก๊าซเฉื่อย

 

2. ระบบเครื่องเร่งอนุภาค สำหรับเร่งความเร็วของลำอิเล็กตรอน มีอยู่ 2 ส่วนคือ 1. เมื่อลำอิเล็กตรอนถูกผลิตจากปืนอิเล็กตรอน จะเคลื่อนที่เข้าไปยังเครื่องเร่งอนุภาคทางตรง (Linear accelerator หรือ Linac) โดยที่เครื่องเร่งอนุภาคทางตรงนี้เป็นท่อทองแดงที่ถูกกั้นเป็นห้องๆ ดังรูป

linac

 

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

 

1-2(7)

เครื่องเร่งอนุภาคทางตรง (Linac)

อิเล็กตรอนจะถูกเร่งโดยเครื่องเร่งอนุภาคทางตรง (LINAC) จนมีพลังงานเป็น 40 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ (eV) ซึ่งยังจัดว่าเป็นพลังงานต่ำอยู่  2. จากนั้นอิเล็คตรอนจาก LINAC จะวิ่งผ่านท่อลำเลียงอิเล็คตรอนพลังงานต่ำ Low Energy Beam Transport line) ไปเร่งต่อในเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมที่เรียกว่าบูสเตอร์ซินโครตรอน (booster synchrotron: SYN)

1-3(7)

เครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลม  (booster synchrotron: SYN)

 

ในบูสเตอร์ซินโครตรอน (SYN) มีกล่องทองแดงที่เรียกว่าห้องคลื่นวิทยุ หรือ RF cavity ซึ่งภายในบรรจุคลื่นวิทยุกำลัง 35 กิโลวัตต์ ความถี่ 118 MHz เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่าน RF cavity ก็จะถูกเร่งโดยสนามไฟฟ้าของคลื่นวิทยุ ทำให้มีพลังงานเพิ่มขึ้นทีละน้อยในแต่ละรอบที่เคลื่อนที่อยู่ในบูสเตอร์ซินโครตรอน (เครื่องเร่งอนุภาคของเครื่องกำเนิดแสงสยามนี้มีระยะเส้นรอบวง 43 เมตร) ประมาณ 4 ล้านรอบ ใช้เวลาประมาณ 0.6 วินาที ก็จะมีพลังงาน 1 พันล้านอิเล็กตรอนโวลต์ ซึ่งมีความเร็วประมาณ 99.999986% ของความเร็วแสง จากนัั้นอิเล็คตรอนนี้จะผ่านเข้าไปในท่อลำเลียงอิเล็คตรอนพลังงานสูง (High Energy Beam Transport line) ขึ้นไปในวงกักเก็บอิเล็คตรอน 

syn

แสดงภาพเครื่องเร่งอนุภาคทางตรง (LINAC) และบูสเตอร์ซินโครตรอน (SYN)

 

3. วงกักเก็บอิเล็กตรอน (Storage ring) ทำหน้าที่เพิ่มพลังงานอิเล็คตรอนขั้นสุดท้าย จาก 1,000 ล้าน เป็น 1,200 ล้านอิเล็คตรอนโวลต์ ซึ่งมีความเร็วประมาณ 99.999909% ของความเร็วแสง คือประมาณ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที หรือ 1,080 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง ซึ่งหากอิเล็คตรอนสามารถเดินทางโดยไม่ชนอะไร จะสามารถเดินทางรอบโลกด้วยเวลาเพียง 0.1 วินาที หรือรอบด้วงจันทร์เพียง 1.3 วินาที เท่านั้น!!!!  

 

1-5(6)

วงกักเก็บอิเล็คตรอน (Storage ring)

 

หลังจากนั้นวงกักเก็บอิเล็คตรอนจะทำการกักเก็บลำอนุภาคอิเล็กตรอนความเร็วสูงไว้เพื่อผลิตแสงซินโคร