วิวัฒนาการเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนต่อภาคอุตสาหกรรม (ตอนที่ 1)

โดย ดร.ประยูร ส่งสิริฤทธิกุล
สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)

          แสง (light) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic wave) ที่มีความสำคัญยิ่งต่อวงการวิทยาศาสตร์ที่จะนำไปสู่การพัฒนาชีวิตและความเป็นอยู่ของมนุษย์ที่ดีขึ้น แสงเป็นกุญแจที่สำคัญที่ทำให้เราเห็นภาพหรือเข้าใจสิ่งต่างๆ ในธรรมชาติ ไม่ว่าสิ่งนั้นเป็นวัตถุที่มีขนาดเล็ก เช่น อะตอม โมเลกุล ไปจนถึงสิ่งที่มีขนาดใหญ่อย่างเช่นจักรวาล แสงมีคุณสมบัติทวิภาค นั่นคือแสงมีคุณสมบัติที่เป็นได้ทั้งอนุภาคและคลื่น  กรณีที่แสงถูกพิจารณาว่าเป็นอนุภาคนั้น แสงคือกลุ่มของอนุภาคที่ไม่มีมวลเรียกว่าโฟตอน (photon) พลังงานของโฟตอน () และความถี่ของคลื่นแสง () มีความสัมพันธ์กันตามสมการ  นั่นคือโฟตอนแต่ละตัวมีพลังงานเท่ากับค่าความถี่ของคลื่นแสงคูณกับค่าคงที่ของแพลงค์ () ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานโฟตอนในหน่วยของ eV และความยาวคลื่นในหน่วยของ nm สามารถหาได้จากสมการดังต่อไปนี้
                                                  (1.1)
          แสงมีชื่อเรียกแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับว่าแสงนั้นอยู่ในช่วงความถี่หรือช่วงความยาวคลื่นใด แสงที่เป็นที่รู้จักคุ้นเคยได้แก่ คลื่นวิทยุ (radio wave) คลื่นไมโครเวฟ (microwaves) อินฟราเรดหรือแสงใต้แดง (infrared) แสงที่มนุษย์มองเห็นได้ (visible light) อัลตราไวโอเลตหรือแสงเหนือม่วง (ultraviolet) อัลตราไวโอเลตสุญญากาศ (vacuum ultraviolet หรือ VUV) รังสีเอกซ์พลังงานต่ำ (soft X-rays) รังสีเอกซ์พลังงานสูง (hard X-rays) และรังสีแกมมา (gamma rays) แสงที่มีความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน จะมีความสามารถในการตรวจวัดวัตถุที่มีขนาดแตกต่างกัน แสงที่มีความยาวคลื่นยิ่งสั้น ก็ยิ่งมีความสามารถที่จะตรวจวัดหรือตรวจวิเคราะห์วัตถุที่มีขนาดยิ่งเล็ก ดังนั้นแสงในแต่ละช่วงความยาวคลื่นจึงถูกนำไปใช้ประโยชน์แตกต่างกันออกไป การที่แสงซินโครตรอนมีสเปกตรัมที่กว้างนี้ทำให้สเปกตรัมการใช้ประโยชน์กว้างตามไปด้วย
          แหล่งกำเนิดของแสงมีหลากหลายชนิดด้วยกัน แหล่งกำเนิดของแสงแต่ละชนิดผลิตแสงต่างชนิดกันหรืออาจผลิตแสงชนิดเดียวกันแต่มีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน เช่น ความเข้มและความคม เป็นต้น แสงที่เราเกี่ยวข้องในชีวิตประจำวันส่วนมากแล้วเกิดจากการเปลี่ยนระดับชั้นพลังงานของอิเล็กตรอนของอะตอมในสสารที่ถูกกระตุ้น จากระดับชั้นพลังงานที่สูงกว่าลงมายังระดับชั้นพลังงานที่ต่ำกว่า การเปลี่ยนระดับชั้นพลังงานดังกล่าวทำให้มีการปลดปล่อยพลังงานออกมาซึ่งอยู่ในรูปแบบของแสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า พลังงานของแสงที่ถูกปลดปล่อยออกมามีค่าเท่ากับค่าความแตกต่างของพลังงานของระดับชั้นพลังงานทั้งสองนั่นเอง ตัวอย่างของแสงที่เกิดขึ้นโดยหลักการดังกล่าว ได้แก่ แสงจากหลอดส่องสว่าง และรังสีเอกซ์ที่ใช้ในโรงพยาบาลทั่วไป เป็นต้น
          นอกเหนือจากหลักการผลิตแสงที่กล่าวมา แสงสามารถเกิดขึ้นได้เมื่ออนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่โดยมีความเร่ง ตัวอย่างเช่น คลื่นวิทยุจากเสาอากาศของเครื่องส่งวิทยุ  หรือคลื่นไมโครเวฟจากเสาอากาศของโทรศัพท์มือถือ ซึ่งเป็นแสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่ปลดปล่อยออกมาจากการที่อิเล็กตรอนในเสาอากาศมีการเคลื่อนที่กลับไป-มาในเสาอากาศ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนดังกล่าวถูกขับโดยสนามไฟฟ้า ที่ขับมาจากภาคส่งสัญญาณของเครื่องส่งหรือมือถือ เนื่องจากอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ในเสาอากาศยังไม่มีความเร็วมากพอเมื่อเทียบความเร็วแสง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปลดปล่อยออกมาจากอนุภาคดังกล่าวจะมีการกระจายออกมาทุกทิศทาง 
          ในกรณีที่ประจุนั้นมีมวลน้อยมากที่ถูกเร่งให้มีพลังงานสูง อย่างเช่น อิเล็กตรอน (electron) หรือโพสิตรอน (positron) ที่เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วใกล้อัตราเร็วของแสง และมีความเร่ง(เข้าสู่ศูนย์กลาง)โดยการถูกบังคับให้เคลื่อนที่ในแนวโค้งก็จะเกิดการปลดปล่อยพลังงานในรูปแบบของแสง แสงที่เกิดขึ้นโดยหลักการดังกล่าวเรียกว่าแสงซินโครตรอน ในบรรดาแหล่งกำเนิดแสงทั้งหลาย เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเป็นแหล่งกำเนิดแสงเพียงชนิดเดียว ที่สามารถผลิตแสงที่มีช่วงความยาวคลื่นที่กว้างครอบคลุมตั้งแต่ย่านอิฟราเรดไปจนถึงย่านรังสีเอกซ์ ในการใช้ประโยชน์แสงซินโครตรอนนั้น จำเป็นต้องอาศัยระบบลำเลียงแสงซินโครตรอน หรือที่เรียกกันโดยสั้นๆว่าระบบลำเลียงแสง (ชื่อเต็มในภาษาอังกฤษเรียกว่า synchrotron light/radiation beamline โดยทั่วไปเรียกว่าเรียกว่า beamline) ระบบลำเลียงแสงมีหน้าที่หลักคือ ลำเลียง และคัดเลือกแสงที่มีคุณสมบัติที่ต้องการไปใช้ประโยชน์จากเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน ไปยังในสถานีทดลองที่ติดตั้งบริเวณปลายของระบบลำเลียงแสง คุณสมบัติของแสงที่ต้องการใช้ประโยชน์เป็นปัจจัยสำคัญ ที่ทำให้แบบของระบบลำเลียงแสงมีความแตกต่างกัน คุณสมบัติของแสงดังกล่าวได้แก่ ช่วงพลังงานโฟตอนหรือช่วงความยาวคลื่น ความสามารถในการแยกแยะพลังงานโฟตอนหรือความยาวคลื่น ขนาด ความลู่คมของลำแสง และโพลาไรเซชัน การที่จะใช้ประโยชน์แสงซินโคร-ตรอนนั้น นอกจากจะต้องมีความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับเครื่องมือหรืออุปกรณ์การวัดที่มีอยู่ใน สถานีทดลอง การที่มีความรู้และความเข้าใจเกี่ยวกับระบบลำเลียงแสง จะช่วยทำให้ผู้ใช้สามารถใช้ระบบลำเลียงแสงเพื่อให้ได้แสงให้มีประสิทธิภาพ เพื่อที่จะได้แสงที่มีคุณบัติที่เหมาะสมที่สุดกับการวัดหรือการทดลองที่จะนำไปสู่การได้ข้อมูลที่ดี
1.1 เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน

รูปที่ 1-1  ภาพถ่ายแสดงแสงซินโครตรอน  (แสงสว่าง บริเวณลูกศรชี้)  ที่ปลดปล่อยออกมาจากเครื่องเร่งอนุภาคซินโครตรอน (synchrotron) ขนาด 70 MeV ของบริษัท  General  Electric (USA) ในปี ค.ศ. 1947

          แสงซินโครตรอนที่มนุษย์สังเกตุเห็นเป็นครั้งแรกในห้องปฏิบัติการ เป็นแสงที่ปลดปล่อยออกมาจากเครื่องเร่งอนุภาคซินโครตรอน (synchrotron) ในห้องปฏิบัติการของบริษัท General Electric ในปี ค.ศ. 1947 ดังแสดงในรูปที่ 1-1 ต่อมาในช่วงต้นทศวรรษ 1960 ได้เริ่มมีการใช้ประโยชน์แสงซินโครตรอนในระยะแรกเริ่มนั้น มีเพียงกลุ่มเล็กๆ ของนักฟิสิกส์ทางด้านฟิสิกส์ของของแข็ง (solid state physics) เท่านั้น การใช้ประโยชน์แสงซินโครตรอนในยุคนั้นเป็นไปในลักษณะของโหมดการใช้แบบปรสิต โดยอาศัยแสงซินโครตรอนจากเครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูงซึ่งใช้สำหรับการค้นคว้าทางด้านฟิสิกส์นิวเคลียร์ หรือด้านฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐาน เราเรียกเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนที่ใช้งานในยุคนั้นว่าเป็นเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนรุ่นที่ 1 (first generation light source) ผลงานวิจัยของผู้บุกเบิกได้แสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติที่เด่นของแสงซินโครตรอน จนกระทั่งเป็นที่ยอมรับคุณประโยชน์ของแสงซินโครตอนต่องานวิจัย ในกลางทศวรรษ 1970 จึงมีการออกแบบและสร้างเครื่องเร่งอนุภาคเพื่อการใช้ประโยชน์แสงซินโครตรอนโดยเฉพาะ ซึ่งถูกเรียกว่าเป็นเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนรุ่นที่ 2 (second generation light source) โครงสร้างและการผลิตแสงซินโครตรอนของเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนรุ่นนี้ ยังคงรูปแบบเดิมเช่นเดียวกันกับเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนรุ่นที่ 1  คือมีส่วนหลักคือวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอน โดยแสงซินโครตรอนถูกปลดปล่อยอกมาจากบริเวณแม่เหล็กสองขั้ว การที่มีเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนยุคนี้ ทำให้มีการขยายขอบเขตการใช้ประโยชน์แสงซินโครตรอนครอบคลุมหลากหลายสาขา โดยมีการนำแสงซินโครตรอนไปใช้ในงานวิจัยและพัฒนาทั้งทางด้านวิทยาศาสตร์กายภาพ วิทยาศาสตร์ชีวภาพ ตลอดจนในขั้นตอนขบวนการผลิตในอุตสาหกรรม  ทำให้มีความต้องการแหล่งกำเนิดแสงที่มีศักยภาพที่ดียิ่งขึ้น และนำไปสู่การออกแบบและสร้าง เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนรุ่นที่ 3 โดยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนรุ่นนี้มีการติดตั้งอุปกรณ์แทรก (insertion devices) ซึ่งอาจจะเป็นวิกเกลอร์ (wiggler) เพื่อผลิตแสงซินโครตรอนที่มีสเปกตรัมที่กว้างกว่า หรืออันดูเลเตอร์ (undulator) เพื่อผลิตแสงซินโครตรอนที่มีความสว่างจ้าที่สูงกว่าแสงที่ผลิตได้จากเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนรุ่นที่ 1 และ 2 เงื่อนไขที่สำคัญที่จะสามารถติดตั้งอุปกรณ์แทรกในวงแหวนกักเก็บ คือความเสถียรภาพของวงโคจรของอนุภาคในวงแหวนกักเก็บ และขนาดของลำอนุภาคจะต้องมีขนาดที่เล็กและมีความลู่คมสูง ปัจจุบันยังมีพัฒนาการต่อเนื่องในการสร้างเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนรุ่นที่ 4 เป็นที่รู้จักในชื่อเรียกว่า เลเซอร์จากอิเล็กตรอนอิสระ (มีชื่อย่อคือ FEL มาจาก Free Electron Laser) แสงที่ผลิตได้มีความเข้มสูงมาก และที่สำคัญคือว่า FEL สามารถผลิตแสงที่มีความถี่ที่ต้องการได้
          เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนทั่วโลกที่ใช้งานอยู่ ณ ปัจจุบันเกือบทั้งหมดอยู่ในรุ่นที่ 3 ซึ่งจะมีอยู่มากในแถบประเทศที่พัฒนาแล้วได้แก่ อเมริกา ยุโรป และประเทศญี่ปุ่น รายชื่อและข้อมูลของเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนทั่วโลกสรุปในตารางที่ 1-1 (ข้อมูลล่าสุดเกี่ยวกับเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนล่าสุดผ่านเวปไซต์ htpp://www.lightsources.org) ถึงแม้ว่าจำนวนเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนทั่วโลกจะมีถึง 70 กว่าเครื่องแล้ว แต่ยังไม่สามารถสนองความต้องการของผู้ที่ต้องการใช้ประโยชน์แสงซินโครตรอนได้อย่างเพียงพอ จึงมีการสร้างเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ  ยกตัวอย่างประเทศที่มีขนาดเล็กเช่น ประเทศสวีเดนที่กำลังมีการเสนอขอสร้างเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเครื่องที่ 4 (ชื่อ Max IV) และประเทศใต้หวันกำลังสร้างเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเครื่องที่ 2 (ชื่อ Taiwan Light Source) สำหรับประเทศไทย เครื่องกำเนิดแสงสยามเป็นเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเครื่องแรกและเครื่องเดียว เครื่องกำเนิดแสงสยามเป็นเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเครื่องแรกของโลก ที่มีการกำเนิดที่แตกต่างไปจากเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนที่มีอยู่ทั่วโลก ทั่งนี้เป็นครั้งแรกของวงการวิทยาศาสตร์ที่มีการเคลื่อนย้ายเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนจากแหล่งหนึ่งไปยังอีกแหล่งหนึ่ง โดยเครื่องกำเนิดแสงสยามเป็นเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน ที่ปรับแต่งจากเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนที่ได้รับบริจาคจากกลุ่มบริษัท ซอร์เทค (SORTEC Cooperation) ประเทศญี่ปุ่น การปรับแต่งเครื่องฯ ทำให้เครื่องกำเนิดแสงสยามมีความแตกต่างจากเครื่องฯเดิมที่ได้รับบริจาค ในการออกแบบปรับแต่งเครื่องฯนั้นเน้นการเพิ่มประโยชน์การใช้งานแสงซินโครตรอน โดยได้ได้ยึดหลักเกณฑ์ที่สำคัญสองประการคือ (1) อุปกรณ์หรือชิ้นส่วนที่ต้องสร้างเพิ่มเติมต้องมีจำนวนน้อยที่สุด (2) เครื่องกำเนิดแสงสยามจะต้องมีความสามารถที่ผลิตแสงซินโครตรอนหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีช่วงพลังงานที่กว้างขึ้น ความเข้มที่สูงขึ้น และมีความคมมากกว่าเดิม เพื่อที่จะนำไปใช้ประโยชน์ในงานวิจัยและพัฒนาหลายสาขา อาทิเช่น งานวิจัยพื้นฐานทั้งทางด้านกายภาพและชีวภาพ ตลอดจนการประยุกต์ทางด้านการแพทย์ เภสัชกรรม และอุตสาหกรรม เครื่องฯเดิมนั้นได้ถูกสร้างขึ้นเพื่อใช้งานอย่างเดียวคืองานวิจัยทางด้านไมโครลิโธกราฟฟี (microlithography) ซึ่งเป็นงานเกี่ยวกับการสร้างลายวงจรอิเล็กทรอนิกส์บนแผ่นผลึกบางของซิลิกอน (silicon wafer)

ตารางที่ 1-1 แหล่งกำเนิดแสงซินโครตรอนทั่วโลก

หมายเหตุ :  เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนที่ไม่ได้ระบุพลังงานเป็นแหล่งกำเนิดแสงในรุ่น ที่ 4 นั่นคือ Free Electron Laser ส่วนเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนที่ใช้แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดในการบังคับวง โคจรแทนแม่เหล็กไฟฟ้าธรรมดาจะระบุค่าสนามแม่เหล็กตามหลังค่าพลังงานของ อิเล็กตรอนในวงแหวนกักเก็บ