Home arrow บทความฟิสิกส์ arrow แสงซินโครตรอน : แสงวิจัย และพัฒนา
Home    Contacts



แสงซินโครตรอน : แสงวิจัย และพัฒนา PDF พิมพ์

    เมื่อ Newton ทดลองให้แสงอาทิตย์ส่องผ่านปริซึม ใน พ.ศ. ๒๒๐๙ (รัชสมัยสมเด็จพระนารายณ์มหาราช) เขาได้พบว่าปริซึมได้แยกแสงออกเป็นแถบสี (ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง แสด และแดง) ซึ่งคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตาเห็นได้นี้มีความยาวคลื่น  
     ตั้งแต่ ๔๐๐-๗๐๐ นาโนเมตร (๑ นาโนเมตร = ๑๐-๙ เมตร) เมื่อถึงวันนี้นักฟิสิกส์รู้ว่า คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า นอกจากจะประกอบด้วยแสงที่ตาเห็น (visible light) แล้ว ยังมีรังสีแกมมา รังสีเอกซ์ รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีอินฟราเรด และคลื่นวิทยุอีกด้วย ซึ่งคลื่นอินฟราเรดและวิทยุมีความยาวคลื่นมากกว่าแสงที่ตาเห็น ส่วนคลื่นที่เหลือมีความยาวคลื่นน้อยกว่า นอกจากนี้เราก็ยังรู้อีกว่า คลื่นแต่ละชนิดมีแหล่งกำเนิดต่าง ๆ กัน เช่น หลอดไฟธรรมดา และหลอดนีออนให้แสงอินฟราเรด แสงอัลตราไวโอเลต และแสงที่ตาเห็น ส่วนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในวิทยุให้คลื่นวิทยุ และสำหรับรังสีแกมมานั้นได้จากการแผ่รังสีของอิเล็กตรอนในเครื่องเร่งอนุภาค หรือจากการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี เป็นต้น


     ตามปรกติแสงจากหลอดนีออนหรือหลอดแก๊สอื่นใดที่เราเห็น เกิดจากการที่อิเล็กตรอนในอะตอมของแก๊สถูกกระตุ้นด้วยความร้อน ทำให้มันกระโจนขึ้นไปโคจรที่ระดับสูง แต่ก็อยู่ในวงโคจรได้ไม่นาน เพราะมันจะโผลงมาโคจรที่ระดับต่ำอีก และในการกระทำเช่นนี้ อิเล็กตรอนจะปล่อยพลังงานออกมาในรูปของแสง เพราะในของแข็งมีอิเล็กตรอนจำนวนมาก และอิเล็กตรอนเหล่านี้ส่งแรงกระทำต่อกันและกันตลอดเวลา ดังนั้น เวลาอิเล็กตรอนเหล่านี้ปลดปล่อยพลังงานออกมา คลื่นที่ได้จะมีความยาวคลื่นแตกต่างกันน้อย ทำให้เราได้แถบแสง (spectrum) ที่มีความยาวคลื่นเรียงรายเป็นชุด (continuous spectrum) เช่น หลอดทังสเตน หากถูกทำให้ร้อนถึง ๓,๐๐๐ องศาเซลเซียส จะปล่อยแสงที่มีความยาวคลื่น ๙๐๐ นาโนเมตร คือในช่วงอินฟราเรดมากที่สุด แต่ถ้าจะทำให้หลอดทังสเตนปล่อยแสงที่มีความยาวคลื่น ๓๐๐ นาโนเมตร มากที่สุด นักทดลองจะต้องทำให้หลอดทังสเตนมีอุณหภูมิสูงถึง ๑๐,๐๐๐ องศาเซลเซียส แต่เพราะทังสเตนมีจุดหลอมเหลวที่อุณหภูมิ ๓,๑๔๐ องศาเซลเซียส และจุดเดือดที่อุณหภูมิ ๕,๖๕๐ องศาเซลเซียส ดังนั้น จึงเห็นได้ว่า เราไม่สามารถใช้หลอดทังสเตนสร้างแสงที่มีความยาวคลื่น ๓๐๐ นาโนเมตรได้ นั่นคือ การใช้ของแข็งร้อนเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่มีความยาวคลื่นสั้นจึงเป็นเรื่องที่ไม่มีใครทำได้ ยิ่งเป็นกรณีรังสีเอกซ์หรือรังสีแกมมาแล้วก็เป็นเรื่องที่เป็นไปไม่ได้เลย


     สำหรับเหตุผลที่นักวิทยาศาสตร์ต้องการคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก นั่นก็เพราะเวลาจะศึกษาอะตอมเขาต้องการคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นพอ ๆ กับขนาดของอะตอม นั่นคือระดับ ๑ นาโนเมตร ดังนั้น การมีแหล่งกำเนิดแสงที่ให้แสงความยาวคลื่นระดับนาโนเมตร จึงเป็นเรื่องจำเป็นสำหรับนักวิทยาศาสตร์เพื่อให้สามารถใช้ศึกษาสสารได้


       แต่ก็นับว่าโชคดีที่ทฤษฎีของ James Clerk Maxwell ผู้เป็นนักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวอังกฤษได้แสดงให้เห็นว่า หากเราเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนให้เคลื่อนที่เป็นวงกลมอิเล็กตรอนจะแผ่รังสี และคลื่นแม่เหล็กที่เกิดขึ้นจะมีความเข้มมากน้อยในทิศทางต่าง ๆ กัน โดยมีความเข้มมากที่สุดในระนาบที่ตั้งฉากกับแกนวงโคจรของอิเล็กตรอนตัวนั้น


      และนี่ก็คือสิ่งที่นักฟิสิกส์สังเกตเห็นเป็นครั้งแรกเมื่อดาว supernova ระเบิด เพราะขณะนั้นอิเล็กตรอนถูกสนามแม่เหล็กความเข้มสูงเร่งทำให้มันแผ่รังสี และประวัติศาสตร์ก็ได้บันทึกว่า เมื่อวันที่ ๑๙ เมษายน พ.ศ. ๒๔๙๐ Herb Pollock, Robert Langmuir. Frank Elder และ Anatole Gurewitsch แห่งบริษัท General Electric ที่เมือง Schenectady ในรัฐ New York ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้เห็นรังสีสีฟ้าขาวแผ่กระจายออกมาจากอิเล็กตรอนที่กำลังถูกเร่งในเครื่องเร่งอนุภาคชนิด Synchrotron เป็นครั้งแรกในห้องปฏิบัติการบนโลก และนี่ก็คือที่มาของชื่อ แสงซินโครตรอน


      การศึกษาแสงซินโครตรอนในเวลาต่อมาทำให้เรารู้ว่า เวลาอิเล็กตรอนเคลื่อนที่แสง หรือรังสีซินโครตรอนจะพุ่งออกมาทางด้านหน้าของอิเล็กตรอน ถ้าความเร็วของอิเล็กตรอนยิ่งสูง กลุ่มแสงจะลีบลง ๆ โดยมีมุมบานที่ขึ้นกับ ๑-v/c เมื่อ v เป็นความเร็วของอิเล็กตรอน และ c คือความเร็วแสง ดังนั้น ถ้า v = ๐.๙๙๙๙๙๗๕c หรือ v เท่ากับ ๐.๙๙๙๙๙๗๕ เท่าของความเร็วแสง มุมบานของกรวยแสงจะน้อยเกือบเท่าศูนย์องศา นั่นคือแสงที่ได้จะแหลมคม และมีความเข้มสูงมาก


       ย้อนอดีตไปเมื่อ ๖๐ ปีก่อน แสงซินโครตรอนที่อิเล็กตรอนปล่อยออกมานี้ นักฟิสิกส์คิดว่าเป็นขยะที่น่ารำคาญ เพราะเวลาอิเล็กตรอนปล่อยแสงออกมา อิเล็กตรอนจะสูญเสียพลังงานไป ทำให้นักฟิสิกส์ไม่สามารถเร่งอิเล็กตรอนให้มีพลังงานสูงขึ้นได้ มาบัดนี้แสงซินโครตรอนกำลังเป็นอุปกรณ์วิจัยที่สำคัญของวงการวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีไม่ยิ่งหย่อนกว่าแสงเลเซอร์


       จากการที่นักวิทยาศาสตร์สามารถปรับความเร็วของอิเล็กตรอนได้ทำให้มันมีความเร่งต่าง ๆ ได้ จึงมีผลทำให้แสงที่อิเล็กตรอนปล่อยออกมามีความยาวคลื่นต่าง ๆ นานา คือตั้งแต่แสงความยาวคลื่นสั้น เช่น รังสีแกมมา จนกระทั่งถึงแสงที่มีความยาวคลื่นยาว เช่น รังสีอินฟราเรด และเมื่อลำแสงที่ได้มีลักษณะเรียว อีกทั้งมีความยาวคลื่นเดียว มันจึงมีประโยชน์ในการวิจัยและอุตสาหกรรมมาก เช่น ใช้ถ่ายภาพหลอดเลือดหัวใจ ศึกษาโครงสร้างของผลึก ทำวงจร IC (Integrated Circuit) ตรวจสอบปฏิกิริยาเคมี พัฒนายารักษาโรค สร้างอุปกรณ์ขนาดเล็กสำหรับใช้ในการผ่าตัด ศึกษาการแพร่ซึมของสารพิษในสิ่งแวดล้อม ออกแบบวัสดุชนิดใหม่ที่มีคุณสมบัติดีกว่าวัสดุธรรมชาติ ออกแบบไมโครชิปเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องคอมพิวเตอร์ ศึกษาเทคนิคการเคลือบวัสดุ วิเคราะห์องค์ประกอบของธาตุปริมาณน้อยที่ปนเปื้อนในวัตถุโบราณโดยไม่ทำให้วัตถุนั้นเสื่อมสภาพ และช่วยให้นักนิติเวชวิทยาสามารถหาสารพิษในผู้เสียชีวิตได้ ฯลฯ


       จึงนับว่าแสงซินโครตรอนกำลังมีบทบาทในการไขความลับของโลกระดับอะตอมมากขึ้น ๆ ทุกวัน และก็เป็นที่รู้กันว่าขณะนี้ประเทศไทยเรามีศูนย์ปฏิบัติการวิจัยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนแห่งชาติ (National Synchrotron Research Center) ซึ่งอยู่ในกำกับของกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแล้วตั้งแต่ปี ๒๕๔๐ และศูนย์นี้ตั้งอยู่ที่เทคโนธานี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี จังหวัดนครราชสีมา โดยมีนักวิทยาศาสตร์ นักเทคนิค วิศวกรนับร้อยร่วมกันทดลองควบคุมการทำงานของอุปกรณ์เพื่อวิจัยวัสดุชีวสาร และผลกระทบของรังสีต่อชีววัตถุต่าง ๆ โดยในปีงบประมาณ ๒๕๔๗ ศูนย์ได้รับงบประมาณการวิจัยการรัฐบาล ๒๐ ล้านบาท และเมื่อถึงเดือนมิถุนายน ๒๕๔๘ อุปกรณ์ซินโครตรอนของศูนย์จะสามารถผลิตแสงซินโครตรอนที่มีพลังงาน ๑.๒ Gev ได้


       ไม่เพียงแต่ประเทศไทยเท่านั้นที่มีอุปกรณ์ซินโครตรอนใช้ ประเทศที่กำลังพัฒนาอื่น ๆ เช่น ประเทศในตะวันออกกลางก็กำลังสร้างและติดตั้งซินโครตรอนของตนเช่นกัน เพราะขณะนี้นักวิทยาศาสตร์จากประเทศอิสราเอล จอร์แดน อียิปต์ ตุรกี บาห์เรน และปากีสถาน กำลังติดตั้งอุปกรณ์ซินโครตรอนของโครงการ SESAME (Synchrotron Light for Experimental Science and Applications in the Middle East) ที่เมือง Allan ซึ่งอยู่ทางตอนเหนือของกรุง Amman ประมาณ ๓๐ กิโลเมตร เพื่อให้นักวิทยาศาสตร์จากประเทศในเครือข่ายศึกษาวิจัยโครงสร้างของโปรตีนและอะตอมของวัสดุใหม่ ๆ


       และเมื่อเดือนตุลาคมที่ผ่านมานี้ นักวิทยาศาสตร์จากอิหร่านและปาเลสไตน์ก็ได้เข้าร่วมในโครงการด้วย

ความจริงอุปกรณ์ซินโครตรอนของโครงการ SESAME นี้ได้รับบริจาคมาจากห้องปฏิบัติการฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัย Hamburg ของเยอรมนี และเมื่อเยอรมนีต้องการสร้างอุปกรณ์ชิ้นใหม่ที่มีประสิทธิภาพยิ่งกว่าเก่า จึงได้บริจาคให้ประเทศอื่น ประจวบกับขณะนั้น (พ.ศ. ๒๕๔๓) รัฐบาลอิสราเอลกับปาเลสไตน์เซ็นสัญญาร่วมมือทางวิชาการกัน ดังนั้น อุปกรณ์ซินโครตรอนจึงเปิดโอกาสให้นักวิทยาศาสตร์จากทั้ง ๒ ประเทศทำงานร่วมกัน และประเทศคู่กรณีก็ได้ตัดสินใจติดตั้งซินโครตรอนในประเทศที่เป็นกลาง คือ จอร์แดน ซึ่งก็เป็นที่พอใจเพราะ Allan อยู่ไม่ไกลจาก Istanbul คือ บินเพียง ๒ ชั่วโมง และอยู่ไกลจาก Israel หรือ West Bank เพียง ๒ ชั่วโมงโดยรถเท่านั้นเอง

และขณะนี้โครงการ SESAME ก็ดูจะไปได้ดีด้วยทุนสนับสนุนจาก E.U. (European Union) มูลค่า ๔๘๐ ล้านบาท

       เพื่อทำให้ SESAME มีพลังสูงกว่าซินโครตรอนของไทยราว ๒ เท่า เท่านั้นยังไม่พอ สหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่นก็มีโครงการช่วยสนับสนุนอีก ๔๔๐ ล้าน และ ๖๐๐ ล้านบาท ตามลำดับ


      ถึงแม้ SESAME จะเริ่มทำงานเป็นครั้งแรกใน พ.ศ. ๒๕๕๑ แต่ขณะนี้โครงการก็ได้ส่งนักวิทยาศาสตร์ร่วม ๒๐ คน ไปฝึกปฏิบัติงานในศูนย์ซินโครตรอนของยุโรปและอเมริกาแล้ว และนักวิทยาศาสตร์ของโครงการนี้ก็มีความหวังว่า ไม่ว่าสถานการณ์การเมืองในตะวันออกกลางจะเลวร้าย หรือดีประเสริฐสักปานใด SESAME ก็ต้องเดินหน้าต่อไป เหมือนกับโลกวิชาการและโลกการเมืองเป็น parallel universe กันยังไงยังงั้นครับ.


ผู้เขียน
: ศ. ดร.สุทัศน์ ยกส้าน ภาคีสมาชิก ประเภทวิทยาศาสตร์กายภาพ สาขาวิชาฟิสิกส์ สำนักวิทยาศาสตร์
"


 
< ก่อนหน้า   ถัดไป >
สถิติผู้เยี่ยมชม: 36278522
ขณะนี้มี 2 บุคคลทั่วไป ออนไลน์

สมัครสมาชิก
เพื่อรับเอกสารเพิ่ม!