เนื้อหาวันที่ : 2010-02-09 19:12:17 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 3319 views

วิวัฒนาการเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนต่อภาคอุตสาหกรรม

เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนตั้งแต่รุ่นที่ 1 ถึงรุ่นที่ 3 อาศัยการกักเก็บอิเล็กตรอนหรือโพสิตรอนในวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ในวงแหวนกักเก็บเมื่อผ่านสนามแม่เหล็กที่ทำให้เกิดการเลี้ยวโค้ง จะมีการปลดปล่อยแสงซินโครตรอนออกมา คุณลักษณะเฉพาะของแสงที่ปลดปล่อยออกมาถูกกำหนดพลังงานของอิเล็กตรอน ลักษณะของสนามแม่เหล็ก และขนาดและความลู่คมหรือการบานออกของลำอิเล็กตรอน

ดร.ประยูร ส่งสิริฤทธิกุล
สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน
  

.

.

เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนตั้งแต่รุ่นที่ 1 ถึงรุ่นที่ 3 อาศัยการกักเก็บอิเล็กตรอนหรือโพสิตรอนในวงแหวนกักเก็บ (เนื่องจากว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่สามารถผลิตได้ง่ายกว่าโพสิตรอน ดังนั้นเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนส่วนใหญ่นิยมใช้อิเล็กตรอนในการผลิตแสงซินโครตรอนรวมทั้งเครื่องกำเนิดสยามซึ่งเป็นเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนของประเทศไทย) อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ในวงแหวนกักเก็บเมื่อผ่านสนามแม่เหล็กที่ทำให้เกิดการเลี้ยวโค้ง   

.

เช่น บริเวณแม่เหล็กสองขั้ว วิกเกลอร์ หรืออันดูเลเตอร์ จะมีการปลดปล่อยแสงซินโครตรอนออกมา คุณลักษณะเฉพาะของแสงที่ปลดปล่อยออกมาถูกกำหนดพลังงานของอิเล็กตรอน ลักษณะของสนามแม่เหล็ก และขนาดและความลู่คมหรือการบานออกของลำอิเล็กตรอน  

.

อาจจะกล่าวได้ว่าวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนนั้นเป็นเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนนั่นเอง และพิจารณาส่วนอื่น ๆ เป็นเพียงแค่ส่วนประกอบของวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอน ในมุมมองลักษณะดังกล่าว ทำให้เราสามารถจำแนกส่วนประกอบหรือระบบย่อยของวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอน ตลอดจนได้ดังนี้

.

* ระบบแม่เหล็ก (Magnet System) ซึ่งประกอบไปด้วยแม่เหล็กและเครื่องป้อนกำลัง แม่เหล็กที่ทำหน้าที่บังคับทิศทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนได้แก่แม่เหล็กสองขั้ว (Bending Magnet) (หรือ Dipole Magnet) ส่วนแม่เหล็กที่ทำหน้าที่ควบคุมขนาดของลำอิเล็กตรอนได้แก่ แม่เหล็กสี่ขั้ว (Quadrupole Magnet)   

.

นอกเหนือจากนั้น ยังมีแม่เหล็กที่ทำหน้าที่แก้ไขความไม่สมบูรณ์แบบของสนามแม่เหล็กที่อาจจะเกิดจากการผลิตหรือการติดตั้ง แม่เหล็กดังกล่าวได้แก่ แม่เหล็กปรับแต่งทิศทาง (Steering Magnet) แม่เหล็กหกขั้ว (Sextupole Magnet) และแม่เหล็กแปดขั้ว (Octupole Magnet) แม่เหล็กในระบบแม่เหล็กโดยทั่วไปเป็นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnet) ซึ่งสนามแม่เหล็กเกิดจากการเหนี่ยวนำโดยกระแสไฟฟ้าในขดลวด

.

* ระบบฉีดอิเล็กตรอนเข้าสู่วงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอน (Injection System) ประกอบไปด้วยปืนอิเล็กตรอน (Electron Gun) เครื่องเร่ง ระบบลำเลียงอิเล็กตรอนมายังวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอน และอุปกรณ์สำหรับการบังคับทิศทางอิเล็กตรอนให้เข้าสู่วงโคจรอิเล็กตรอนในวงแหวนกักเก็บ เช่น แม่เหล็กเซ็ปตัม (Septum Magnet) แม่เหล็กคิกเกอร์ (Kicker Magnet) และแม่เหล็กปรับแต่งทิศทาง 

.

* ระบบสุญญากาศ (Vacuum System) เป็นระบบที่จำเป็นยิ่ง เนื่องจากว่าอิเล็กตรอนจำเป็นที่จะต้องเคลื่อนที่ในสุญญากาศ และจะต้องเป็นสุญญากาศในระดับที่สูงขีดสุด (Ultra High Vacuum) เพื่อที่จะหลีกเลี่ยงการสูญเสียปริมาณของอิเล็กตรอนเนื่องจากการชนกันระหว่างอิเล็กตรอนและอะตอมหรือโมเลกุลของอากาศ   

.

ระบบสุญญากาศประกอบด้วยอุปกรณ์และชิ้นส่วนต่าง ๆ เช่น ท่อสุญญากาศ เครื่องสร้างสุญญากาศหรือปั๊มสุญญากาศ (Pump) อุปกรณ์วัดระดับความดันของสุญญากาศ (vacuum Gauge) เป็นต้น

.

* ระบบควบคุม (Control System) ทำหน้าที่ควบคุมและสังเกตการทำงานของวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอน เนื่องจากความซับซ้อนของวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอน การควบคุมเครื่องจึงอาศัยเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์ หลักการของระบบควบคุมอาจจะสรุปได้ดังนี้คือ ข้อมูลเกี่ยวกับตำแหน่ง   

.

และขนาดของลำอิเล็กตรอนที่วัดได้จากระบบวัดตำแหน่งของลำอิเล็กตรอน (Beam Position Monitor System) และระบบวัดลักษณะการกระจายอิเล็กตรอนในลำ (Beam Profile Monitor System) จะถูกนำมาวิเคราะห์ เพื่อที่จะนำไปใช้ในการตัดสินใจที่จะปรับแต่งสนามแม่เหล็กของอุปกรณ์แต่ละอุปกรณ์ในวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอน

.

* ระบบคลื่นความถี่วิทยุ (RF System) เป็นส่วนที่ทำหน้าที่ทดแทนพลังงานของอิเล็กตรอนที่สูญเสียไปเนื่องจากการปลดปล่อยแสงซินโครตรอน องค์ประกอบหลักของระบบนี้ได้แก่ แหล่งกำเนิดคลื่นความถี่วิทยุ (เช่น Klystron) ท่อนำคลื่น (Wave Guide) และโพรงเร่งอนุภาคโดยอาศัยคลื่นวิทยุ (RF Acceleration Cavity)

.

รูปที่ 2 แผนภาพแสดงลักษณะของสนามไฟฟ้า และสนามแม่เหล็กของคลื่นวิทยุที่เกิดการกำทอนในโพรงเร่ง ทำให้เกิดการเร่งและการหน่วงของอิเล็กตรอนที่เวลาต่าง ๆ กัน การเร่งอิเล็กตรอนโดยอาศัยโพรงเร่งที่มีการกำทอนของคลื่นวิทยุทำให้ได้อิเล็กตรอนที่ถูกเร่งให้มีพลังงานเพิ่มขึ้น กระจุกเป็นกลุ่มก้อน (Electron Bunch)

.

* อุปกรณ์แทรก (Insertion Devices) ได้นำมาติดตั้งในวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนเพื่อที่ผลิตแสงซินโครตรอน ที่มีคุณสมบัติบางอย่างแตกต่างไปจากแสงซินโครตรอนที่ได้จากแม่เหล็กสองขั้ว อุปกรณ์แทรกที่ใช้ทั่วไปได้แก่ วิกเกลอร์ (Wiggler) และ อันดูเลเตอร์ (Undulator)

.

อุปกรณ์ทั้งสองจะเป็นชุดแม่เหล็กที่นำไปใส่ในแนวตรงของวงแหวนกักเก็บ ทำให้อนุภาคถูกแรงกระทำให้เกิดการเคลื่อนที่แกว่งไปมารอบเส้นทางโคจรเดิมเมื่อไม่มีการติดตั้งอุปกรณ์แทรก อุปกรณ์แทรกดังกล่าวจะติดตั้งในวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนที่มีขนาดลำอิเล็กตรอนที่เล็ก นั่นคือวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนของเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนรุ่นที่ 2 ขึ้นไป 

.

วิกเกลอร์ อาศัยสนามแม่เหล็กที่มีค่าค่อนข้างสูง เพื่อทำให้อิเล็กตรอนมีการเลี้ยวโค้งอย่างรวดเร็วและมีค่ารัศมีความโค้งที่มีค่าน้อยเมื่อเทียบกับพลังงานของอนุภาค ทำให้อิเล็กตรอนมีการปลดปล่อยแสงซินโครตรอนที่มีค่าพลังงานโฟตอนที่สูงหรือความยาวคลื่นที่สั้น ค่าสูงสุดของสนามแม่เหล็กของวิกเกลอร์มีค่าอย่างน้อยประมาณ 3 เทสลา         

.

กรณีวิกเกลอร์แรกของเครื่องกำเนิดแสงสยามของประเทศ สนามแม่เหล็กมีค่าสูงถึง 6.4 เทสลา แม่เหล็กที่ใช้ในวิกเกลอร์เป็นแม่เหล็กไฟฟ้า ในกรณีวิกเกลอร์จำเป็นต้องมีค่าสนามแม่เหล็กที่สูง ลวดของสารตัวนำยิ่งยวด (Super-conducting Coil) จะนำมาใช้ในการสร้างสนามแม่เหล็ก ดังนั้นในการใช้งานจึงจำเป็นที่จะต้องหล่อเย็นลวดดังกล่าว โดยการจุ่มในฮีเลียมเหลวเพื่อให้ลวดตัวนำยิ่งยวดมีสภาพเป็นตัวนำยิ่งยวด 

.

อันดูเลเตอร์ ทำหน้าที่ผลิตแสงซินโครตรอนที่ความเข้มที่สูงยิ่งขึ้น อันดูเลอร์เป็นอนุกรมของแม่เหล็กที่วางเรียงกัน เพื่อทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่มีทิศทางสลับไปสลับมาเพื่อบังคับให้อิเล็กตรอนมีการแกว่งไปมา อันดูเลเตอร์ใช้แม่เหล็กถาวรที่มีค่าสนามประมาณ 1 เทสลา แม่เหล็กถาวรจะถูกออกแบบให้มีการจัดวางในระยะห่างที่จะทำให้เกิดการแทรกสอดของแสงที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากการเลี้ยวโค้งภายในอันดูเลเตอร์ในแต่ละครั้ง ปรากฏการณ์การแทรกสอดทำให้แสงที่ได้มีความสว่างจ้าที่สูง 

.

พลังงาน ปริมาณ ลักษณะการเคลื่อนที่ และลักษณะของลำอิเล็กตรอนในวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอน เป็นปัจจัยหลักที่กำหนดคุณสมบัติของแสงซินโครตรอน ปัจจัยต่าง ๆ เหล่านั้นจึงเป็นข้อพิจารณาหลักในการออกแบบเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน ฟิสิกส์พื้นฐานของวงแหวนกักเก็บอาจจะสรุปจากขบวนต่าง ๆ ในวงแหวนกักเก็บดังนี้ 

.

* เริ่มต้นจากอิเล็กตรอนที่ถูกเร่งมาจากเครื่องเร่งอนุภาค ถูกฉีดเข้าไปในท่อสุญญากาศของวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนโดยระบบฉีดอิเล็กตรอนเข้าสู่วงแหวนกักเก็บ ท่อสุญญากาศดังกล่าวมีลักษณะคล้ายกับวงกลม และถูกห้อมล้อมไปด้วยสนามแม่เหล็กที่กำหนดลักษณะลำอิเล็กตรอน (Guide Filed)             

.

โดยสนามแม่เหล็กดังกล่าวทำหน้าที่บังคับขนาดของลำอิเล็กตรอนและทิศทางของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ซึ่งสนามแม่เหล็กนี้ทำให้อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่และถูกกักเก็บในวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอน เราเรียกอิเล็กตรอนที่ถูกกักเก็บในวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนนี้ว่าลำอิเล็กตรอนที่ถูกกักเก็บ (Stored Electron Beam)

.

* สนามแม่เหล็กที่บังคับทิศทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะบังคับให้วงโคจรของอิเล็กตรอนให้เข้าใกล้กับวงโคจรอุดมคติที่ออกแบบไว้ (Ideal Design Orbit) 

.

* สนามแม่เหล็กที่บังคับขนาดของอิเล็กตรอน มีคุณสมบัติในการรวมหรือกระจายลำของอิเล็กตรอน (Focusing Properties) ให้เข้าสู่หรือออกจากวงโคจรอุดมคติที่ออกแบบไว้จึงทำให้เกิดการเคลื่อนที่ไปมาของอิเล็กตรอนในแนวขวางกับวงโคจรอุดมคติที่ออกแบบไว้ การเคลื่อนที่ในลักษณะดังกล่าวเรียกว่า การแกว่งกวัดตามขวางแบบเบต้าตรอน (Iateral Betatron Oscillation) หรือเรียกสั้น ๆ ว่าการแกว่งกวัดแบบเบต้าตรอน (Betatron Oscillation)

.

* ในแต่ละรอบของการเคลื่อนที่ในวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนนั้น อิเล็กตรอนจะสูญเสียพลังงานในปริมาณที่น้อยส่วนหนึ่ง โดยการปลดปล่อยพลังงานในรูปแบบของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เรียกว่า แสงซินโครตรอน (Synchrotron Radiation หรือ Synchrotron Light) พลังงานที่สูญเสียไปนั้นจะถูกทดแทนโดยการเร่งอิเล็กตรอนในอุปกรณ์อันหนึ่งซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนที่เรียกว่าโพรงเร่งอนุภาค (RF Acceleration Cavity) โดยอาศัยคลื่นวิทยุ 

.

* การเร่งอิเล็กตรอนในโพรงเร่งอนุภาคโดยอาศัยคลื่นวิทยุนั้น อาศัยสนามคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าช่วงความถี่วิทยุ (Radio Frequency) ทำให้อิเล็กตรอนมีการรวมกันเป็นกลุ่ม ๆ (Bunches) ภายในแต่ละกลุ่มของอิเล็กตรอนนั้น อิเล็กตรอนแต่ละตัวมีการแกว่งกวัด ซึ่งเรียกว่าการแกว่งกวัดแบบซินโครตรอน (Synchrotron Oscillation) ซึ่งเป็นการแกว่งกวัดของอิเล็กตรอนในแนวเดียวกันกับแนวการเร่งอิเล็กตรอน 

.

* การแกว่งกวัดแบบซินโครตรอนเป็น Damped Oscillation นั่นคือแอมปลิจูดของการแกว่งกวัดมีขนาดลดลงตามเวลา แต่การที่มีการแกว่งกวัดแบบซินโครตรอนตลอดเวลาเนื่องจากการแกว่งไปแกว่งมาของค่าพลังงาน (Energy Fluctuation) ของแสงซินโครตรอนที่ปลดปล่อยออกมา การแกว่งไปแกว่งมานี้เป็นการแกว่งไปแกว่งมาเชิงควอนตัม (Quantum Fluctuation) ของจำนวนโฟตอนที่ปลดปล่อยออกมา

.

* อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ในวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอน ตราบใดที่มันยังอยู่ในช่องเปิดรับพลังงาน (Energy Aperture) หรือไม่ไปชนกับผนังของท่อสุญญากาศ ปกติขนาดของท่อสุญญากาศจะถูกออกแบบให้มีขนาดที่เล็กกว่าช่องเปิดรับเชิงพลศาสตร์ (Dynamic Aperture) ซึ่งเป็นช่องเปิดที่บ่งบอกว่าถ้าอิเล็กตรอนยังอยู่ในช่องเปิดนี้ อิเล็กตรอนสามารถโคจรภายใต้สนามแม่เหล็กของวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอน สนามแม่เหล็กดังกล่าวเป็นปัจจัยที่กำหนดรูปร่างของช่องเปิดรับเชิงพลศาสตร์

.
เครื่องกำเนิดแสงสยาม

รูปที่ 3 แผนภาพแสดงเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนของ SORTEC Cooperation ก่อนที่จะมีการรื้อถอนและขนย้ายอุปกรณ์ส่งมายังประเทศไทย

.

เครื่องกำเนิดแสงสยาม หรือเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเครื่องแรกของประเทศไทย ติดตั้งอยู่ที่ห้องปฏิบัติการแสงสยาม ของสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน เครื่องกำเนิดแสงสยามได้ถูกปรับแต่ง และปรับปรุงจากเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนที่ได้รับบริจาคจากประเทศญี่ปุ่น

.

จนกระทั่งอาจจะเรียกได้ว่าเป็นเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเครื่องใหม่ ที่มีประสิทธิภาพที่สูงกว่าเครื่องฯ เดิม และสามารถผลิตแสงที่มีคุณสมบัติที่แตกต่างและดีกว่าเครื่องเดิม ทั้งนี้วงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนได้ถูกออกแบบใหม่เพื่อที่จะกักเก็บกระแสอิเล็กตรอนที่สูงกว่าเดิม และลำอิเล็กตรอนมีขนาดที่เล็กลง  

.

พร้อมกันนี้ วงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนต้องมีขนาดใหญ่ขึ้นสำหรับการติดตั้งอุปกรณ์แทรกสองชนิดได้แก่ อันดูเลเตอร์ สำหรับการผลิตแสงซินโครตรอนที่มีความเข้มสูงกว่าเครื่องเดิมถึง 1,000-10,000 เท่า และวิกเกลอร์สำหรับการผลิตแสงซินโครตรอนที่มีช่วงพลังงานที่กว้างกว่าเดิมที่ครอบคลุมแถบของรังสีเอกซ์พลังงานสูง ซึ่งเป็นช่วงพลังงานที่ไม่สามารถผลิตได้จากเครื่องเดิม

.

เครื่องกำเนิดแสงสยาม ณ ปัจจุบัน ห้องปฏิบัติการแสงสยาม สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน ระบบฉีดอิเล็กตรอนเข้าวงแหวนกักเก็บ ประกอบด้วยปืนอิเล็กตรอน เครื่องเร่งอิเล็กตรอนในแนวตรงขนาด 40 MeV (40-MeV Electron Linear Accelerator หรือ Linac)

.

ระบบลำเลียงอิเล็กตรอนพลังงานต่ำ (Low-energy Beam Transport Line หรือ LBT) เครื่องเร่งซินโครตรอนขนาด 1 GeV (1-GeV Synchrotron) ระบบลำเลียงอิเล็กตรอนพลังงานสูง (High-energy Beam Transport Line หรือ HBT) แม่เหล็กเซ็ปตัม และแม่เหล็กคิกเกอร์ วงแหวนกักเก็บมีแม่เหล็กสองขั้ว 8 อันและมีช่องเปิดให้แสงซินโครตรอนออกไปใช้ประโยชน์ 8 ช่อง

.

รูปที่ 4 แผนภาพแสดงเครื่องกำเนิดแสงสยาม ณ ปัจจุบัน

.

วงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนใหม่นี้มีลักษณะสมมาตรสี่ส่วน ซึ่งประกอบด้วยชุดแม่เหล็กที่เรียงกันแบบ DBA (Double Bend Achromat) ที่เหมือนกันอยู่ 4 ชุด และระหว่างชุดแม่เหล็กทั้งสี่ชุดนั้นมีส่วนตรงที่มีความยาว 7 เมตร อีก 4 ส่วน ซึ่งเป็นส่วนที่ใช้สำหรับรองรับการติดตั้งอุปกรณ์แทรกได้แก่ อันดูเลเตอร์ และวิกเกลอร์

 .

และยังเป็นบริเวณที่ติดตั้งโพรงเร่งอนุภาคโดยอาศัยคลื่นวิทยุ (RF Acceleration Cavity) ซึ่งเป็นอุปกรณ์สำหรับการชดเชยพลังงานของอิเล็กตรอนที่สูญเสียในรูปของแสงซินโครตรอน และแม่เหล็กเซ็ปตัมสำหรับการฉีดอิเล็กตรอนเข้าวงแหวนกักเก็บ (Injection Septum Magnet)     

 .

ชุดแม่เหล็กแบบ DBA ดังกล่าวทำหน้าที่บังคับทิศทางการเคลื่อนที่และควบคุมขนาดของลำอิเล็กตรอน สาเหตุในการเลือกชุดแม่เหล็กแบบ DBA คือความต้องการที่จะควบคุมจำนวนของแม่เหล็กที่จะสร้างเพิ่มเติมให้น้อยที่สุด จะเห็นได้ว่าจำนวนแม่เหล็กสองขั้วของวงแหวนกักเก็บใหม่มีจำนวน 8 อันซึ่งเท่ากับจำนวนของแม่เหล็กสองขั้วของวงแหวนกักเก็บเดิม 

 .

อย่างไรก็ตาม การดัดแปลงวงแหวนกักเก็บในครั้งนี้จำเป็นต้องใช้แม่เหล็กสี่ขั้วเพิ่มอีก 12 อัน แม่เหล็กหกขั้วเพิ่มอีก 8 อัน และแม่เหล็กปรับแต่งทิศทางเพิ่มอีก 20 อัน ความยาวของเส้นรอบวงของวงแหวนกักเก็บมีค่าเท่ากับ 81.3 เมตร (ความยาวเส้นรอบวงของเครื่องเดิมเท่ากับ 45.7 เมตร)

 .

รูปที่ 5 ชุดแม่เหล็กของวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอน ณ ห้องปฏิบัติการแสงสยาม

 .

ในทางเทคนิค วงแหวนกักเก็บมีค่าคงที่ค่าหนึ่งเรียกว่าค่าอิมิตแตนซ์ (Emittance) อิมิตแตนซ์เป็นค่าเฉพาะของวงแหวนกักเก็บแต่ละอัน และเป็นค่าที่ใช้วัดหรือบ่งบอก ขนาดและความลู่คมของลำอิเล็กตรอนที่กักเก็บในวงแหวนกักเก็บ ค่าอิมิตแตนซ์ของวงแหวนกักเก็บของเครื่องกำเนิดแสงสยามมีค่าลดลงประมาณ 7 เท่าจากเครื่องฯเดิมที่มีค่า 500 nm.rad เป็น 74 nm.rad

 .

ค่าที่ลดลงนี้บ่งบอกว่าลำอิเล็กตรอนในวงแหวนกักเก็บโดยเฉลี่ยมีขนาดเล็กลงจากเดิม ซึ่งส่งผลให้ขนาดของลำแสงซินโครตรอนที่ปลดปล่อยออกมามีขนาดเล็กลง นั่นคือแสงซินโครตรอนที่ได้จะมีความคมมากขึ้น การปรับปรุงชุดแม่เหล็กในครั้งนี้จะทำให้กระแสของอิเล็กตรอนกักเก็บในวงแหวนกักเก็บเพิ่มขึ้น เพื่อที่จะทำให้ได้แสงซินโครตรอนที่ผลิตได้มีความเข้มสูงมากยิ่งขึ้น

 .

รูปที่ 6 ภาพแสดงส่วนของเครื่องกำเนิดแสงสยาม ที่ติดตั้งในห้องใต้ดินของห้องปฏิบัติการแสงสยาม เครื่องเร่งอนุภาคในแนวตรงระดับพลังงาน 40 meV (a) ระบบลำเลียงอนุภาคพลังงานต่ำ เครื่องเร่งอนุภาคซินโครตรอน ระดับพลังงาน 1.0 GeV (b) ระบบลำเลียงอนุภาคพลังงานสูงออกจากเครื่องเร่งซินโครตรอน (c) และส่วนบังคับอิเล็กตรอนขึ้นสู่ชั้นที่มีการติดตั้งวงแหวนกักเก็บ (d) 

 .

การปรับแต่งวงแหวนกักเก็บใหม่นี้ ทำให้มีความจำเป็นที่จะต้องสร้างท่อสุญญากาศในส่วนของวงแหวนกักเก็บขึ้นมาใหม่ โดยใช้อลูมิเนียมผสมเป็นวัสดุที่ใช้ในการทำท่อสุญญากาศ ความดันอากาศในวงแหวนกักเก็บจะอยู่ในช่วงปลายของระดับ 10-11 Torr การสร้างสุญญากาศในระดับนั้นต้องใช้ปั๊มสุญญากาศชนิดต่าง ๆ คือ Ion Pumps, Sublimation Pumps และรวมทั้ง Distributed Ion Pumps ที่อยู่ในท่อสุญญากาศในส่วนของแม่เหล็กสองขั้ว โดยอัตราเร็วของการปั๊ม ของปั๊มสุญญากาศทั้งหมดในวงแหวนกักเก็บมีค่ารวมกันเท่ากับ 27,600 l/s

 .

ส่วนที่สำคัญอีกส่วนหนึ่งคือระบบควบคุมของเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน ซึ่งไม่ได้รับบริจาคพร้อมกับตัวเครื่องกำเนิดแสง เนื่องจากระบบคอมพิวเตอร์ที่ใช้กับระบบควบคุมเดิมเป็นเทคโนโลยีที่ล้าสมัย จึงมีความจำเป็นที่จะต้องออกแบบและสร้างระบบควบคุมขึ้นมาใหม่ โดยระบบควบคุมแสงสยามเป็นระบบควบคุมเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน ที่ใช้คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล (Personal Computers) ในการควบคุมเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนทั้งหมด ทั้งนี้เนื่องจากว่าประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล ในปัจจุบันได้ถูกพัฒนาเป็นอย่างมาก

 .

การออกแบบระบบลำเลียงอิเล็กตรอนจากเครื่องเร่งอนุภาค มายังวงแหวนกักเก็บใหม่นั้น เนื่องจากว่าเครื่องฯ เดิมนั้นส่วนเครื่องเร่งอนุภาคและวงแหวนกักเก็บติดตั้งอยู่บนชั้นเดียวกัน แต่ในการออกแบบการติดตั้งใหม่นี้ วงแหวนกักเก็บติดตั้งบนชั้นระดับพื้นดิน ส่วนเครื่องเร่งอนุภาคติดตั้งในชั้นใต้ดิน 

 .

เครื่องกำเนิดแสงสยามผลิตแสงซินโครตรอนครั้งแรกเมื่อวันที่ 11 เดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2545 วงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนได้ถูกออกแบบใหม่และถูกปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง แต่เดิมพลังงานของอิเล็กตรอนมีค่า 1.0 GeV ปัจจุบันค่าพลังงานของอิเล็กตรอนได้ถูกเพิ่มขึ้นเป็น 1.2 GeV ทำให้สามารถผลิตแสงที่ค่าพลังงานโฟตอนสูงขึ้นให้มีความเข้มเพิ่มขึ้น

 .

และที่สำคัญคือการที่ช่วงชีวิต (Life Time) ของลำอิเล็กตรอนในวงแหวนกักเก็บได้ถูกทำให้มีค่าเพิ่มขึ้นจากค่าที่ออกแบบไว้ 6 ชั่วโมง เป็นมากกว่า 15 ที่ค่ากระแส 100 มิลิแอมแปร์ การที่ค่าช่วงที่ชีวิตของลำอิเล็กตรอนมีค่าเพิ่มขึ้นนี้แสดงถึงการที่อิเล็กตรอนได้ถูกบังคับให้โคจรอยู่ใกล้กับวงโคจรในอุดมคติมากที่สุด ทำให้มีการสูญเสียปริมาณอิเล็กตรอนในอัตราที่ช้า นั่นแสดงถึงประสิทธิภาพการควบคุมของเครื่องกำเนิดแสงสยาม

 .

รูปที่ 7 สเปกตรัมของแสงซินโครตรอนผลิตจากเครื่องกำเนิดแสงสยาม ที่ระดับพลังงาน 1.2 GeV

.

รูปที่ 7 แสดงสเปกตรัมของแสงซินโครตรอนที่ผลิตจากเครื่องกำเนิดแสงสยาม ที่ระดับพลังงานของอิเล็กตรอนเท่ากับ 1.2 GeV ค่าที่แสดงเป็นปริมาณความหนาแน่นของฟลักซ์ของโฟตอน ต่อขนาดและมุมของแหล่งกำเนิดที่แสงปลดปล่อยออกมา

.

ปริมาณฟลักซ์ของโฟตอนดังกล่าวคำนวณที่ค่าแถบความกว้าง  อุปกรณ์หลักที่ทำหน้าที่ผลิตแสงซินโครตรอนคือแม่เหล็กสองขั้ว สเปกตรัมของแสงที่ปลดปล่อยออกมาจากแม่เหล็กสองขั้วเป็นสเปกตรัมที่มีความต่อเนื่องตั้งแต่ย่านอินฟราเรดจนถึงช่วงต้นของย่านรังสีเอกซ์

.

ในวงแหวนกักเก็บของเครื่องกำเนิดแสงสยามได้มีการติดตั้งอุปกรณ์ชนิดอันดูเลเตอร์ที่มีคาบเท่ากับ 60 มิลลิเมตร (U60 Undulator) คือว่าแสงซินโครตรอนที่ออกมาจากอันดูเลเตอร์นั้นมีการแทรกสอดของคลื่นแสงที่ปลดปล่อยออกมาในแต่ละครั้งที่อิเล็กตรอนมีการเลี้ยวโค้ง แสงที่ได้มีลักษณะเป็นฮาร์มอนิก (Harmonics)      

 .

ในกรณีอันดูเลเตอร์ U60 นี้ แสงที่ปลดปล่อยออกมาเป็นแสงที่มีค่าฮาร์มอนิกที่เป็นเลขคี่ และมีช่วงสเปกตรัมครอบคลุมย่านอัลตราไวโอเลตสุญญากาศและรังสีเอกซ์พลังงานต่ำ

.

นอกเหนือจากนั้น ห้องปฏิบัติการแสงสยามมีแผนการที่จะติดตั้งวิกเกลอร์ที่มีขนาดสนามแม่เหล็ก 6.4 เทสลา (6.4T WLS, Wavelength Shifter) ในอนาคตนั้น วิกเกลอร์ทำหน้าที่ผลิตแสงซินโครตรอนที่มีสเปกตรัมของแสงเลื่อนไปทางแสงที่มีค่าความยาวคลื่นสั้นลง ทำให้ได้แสง         ซินโครตรอนในย่านของรังสีเอกซ์พลังงานสูง

สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.

ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด