แสงซินโครตรอน คือแสงที่ถูกปลดปล่อยยออกมาจากอิเล็กตรอนที่เลี้ยวโค้งด้วยความเร็วใกล้ความเร็วแสง(ความเร็วสามร้อยล้านเมตรต่อวินาที

ทำไมต้องแสงซินโครตรอน

แสงซินโครตรอนเป็นแสงความเข้มสูงที่มีค่าพลังงานต่อเนื่อง คลอบคลุมช่วงพลังงานกว้างตั้งแต่ช่วงของรังสีอินฟราเรดจนถึงรังสีเอ็กซ์ ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้หลากหลาย

เราผลิตแสงซินโครตรอนได้อย่างไร

ในการผลิตแสงซินโครตรอน เราต้องมีอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้ความเร็วแสง และบังคับให้เลี้ยวโค้ง ดังนั้นเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนจึงประกอบด้วยส่วนประกอบหลักสามส่วนคือ

1. ปืนอิเล็กตรอน ใช้สำหรับผลิตลำอนุภาคอิเล็กตรอน
2. ระบบเครื่องเร่งอนุภาค สำหรับเร่งความเร็วของลำอิเล็กตรอน
3. วงกักเก็บอิเล็กตรอน สำหรับเก็บลำอนุภาคอิเล็กตรอนความเร็วสูง และบังคับให้เลี้ยวโค้งด้วยสนามแม่เหล็กเพื่อให้ปลดปล่อยแสงซินโครตรอน

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

ทำไมต้องอิเล็กตรอน

ความจริงแล้ว อนุภาคมีประจุทุกชนิดที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่ง ล้วนปล่อยแสงซินโครตรอนทั้งสิ้น แต่เนื่องจากความเข้มของแสงซินโครตรอนที่ปล่อยออกมาแปรผกผันกับมวลของอนุภาคยกกำลังสี่ ในการผลิตแสงซินโครตรอนจึงต้องใช้อนุภาคมีประจุที่มีมวลน้อยที่สุด ซึ่งคืออิเล็กตรอนหรือโพสิตรอน แต่โพสิตรอนนั้นเป็น antiparticle ซึ่งการผลิตนั้นซับซ้อนยุ่งยาก เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนจึงใช้อิเล็กตรอน

 1.ขั้นตอนที่หนึ่ง คือ การผลิตอิเล็กตรอน โดยการปล่อยกระแสไฟฟ้าให้กับไส้โลหะของปืนอิเล็กตรอนจนร้อน จนทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมา จากนั้นจึงใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้าแรงสูงขั้วบวกในการดึงอิเล็กตรอนให้วิ่งไปในทิศทางเดียวกัน

 2. ขั้นตอนที่สอง เป็นการเร่งความเร็วอิเล็กตรอนในแนวเส้นตรง ด้วยเครื่องเร่งอนุภาคแนวตรง หรือ linac เพื่อเร่งอิเล็กตรอนมีความเร็วสูงในระดับที่ต้องการ (40 ล้านอิเล็กตรอนโวลท์) จากนั้นป้อนอิเล็กตรอนนี้เข้าสู่เครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลมหรือเครื่องซินโครตรอน

 3. ขั้นตอนที่สาม อิเล็กตรอนภายในเครื่องซินโครตรอนจะถูกบังคับให้วิ่งเป็นวงกลม และมีความเร็วเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ    ตามพลังงานที่ต้องการ โดยใช้สนามแม่เหล็กบังคับอิเล็กตรอนเคลื่อนไปตามแนววงกลม จนกระทั่งมีพลังงานเท่ากับ    1,200 ล้านอิเล็กตรอนโวลท์ (1.2 GeV) แล้วจึงถูกส่งต่อไปยังวงกักเก็บอิเล็กตรอนต่อไป

 4. ขั้นตอนที่สี่ วงกักเก็บอิเล็กตรอน จะทำหน้าที่กักเก็บอิเล็กตรอนและผลิตแสงซินโครตรอน ประกอบด้วยแม่เหล็กชนิดต่างๆ ทำหน้าที่บังคับให้อิเล็กตรอนพลังงานสูงเหล่านี้เคลื่อนที่ในทิศทางที่ต้องการภายในท่อสุญญากาศ โดยบริเวณที่เป็นแม่เหล็กบังคับเลี้ยวสองขั้ว (Bending magnet) จะเป็นบริเวณที่อิเล็กตรอนเลี้ยวโค้ง (มีความเร่ง) และปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเราเรียกว่า แสงซินโคร ตรอน เข้าสู่ระบบลำเลียงแสง

  5. ขั้นตอนที่ห้า ระบบลำเลียงแสง จะทำหน้าที่ลำเลียงแสงซินโครตรอนมายังสถานีทดลองโดยที่ระหว่างทางจะมีการ โฟกัสและคัดเลือกพลังงานแสง เพื่อให้บริการแก่นักวิทยาศาสตร์ในการใช้ประโยชน์กับงานวิจัยด้านต่าง ๆ    ต่อไป

ขอบคุณข้อมูล https://www.slri.or.th/