xs
xsm
sm
md
lg

XFEL: อุปกรณ์สร้างแสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นระดับรังสีเอ็กซ์ด้วยการเร่งอิเล็กตรอนอิสระ

เผยแพร่:   โดย: สุทัศน์ ยกส้าน

อาคารห้องปฏิบัติการ XFEL ตีกใหญ่ด้านขวา คือสำนักงานใหญ่ เส้นแดงแสดงอุโมงทดลองที่อยู่ลึกใต้ดินที่ระดับ 20 เมตร
เมื่อเดือนกรกฏาคมที่ผ่านมา สมเด็จพระกนิษฐาธิราชเจ้าฯ ได้เสด็จเมือง Hamburg ในประเทศเยอรมนีเพื่อเยี่ยมชมห้องปฏิบัติการ DESY (Deutsches Elektronen Synchrotron) ซึ่งเป็นสถาบันวิจัยฟิสิกส์ที่มีอุปกรณ์ซินโครตรอนให้กำเนิดแสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นสั้นมากระดับรังสีเอ็กซ์ด้วยการเร่งอิเล็กตรอนอิสระ (x ray free electron laser XFEL) ให้มีความเร็วใกล้แสง

รังสีเอ็กซ์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีประโยชน์มากในการถ่ายภาพกระดูกในร่างกายคน ถ่ายภาพเซลล์ของสิ่งมีชีวิตและเชื้อโรค รวมถึงใช้วิเคราะห์โครงสร้างของผลึกและโมเลกุลต่างๆ เพราะมีความยาวคลื่นน้อยกว่าแสงที่ตาเห็นมาก ดังนั้น จึงมีขนาดใกล้เคียงกับอะตอมทำให้สามารถเห็นอะตอมได้

ในปี 1896 ที่ Wilhelm Rontgen (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1901) พบรังสีเอ็กซ์ เขาใช้วิธียิงอิเล็กตรอนพลังงานสูงให้พุ่งชนเป้าที่ทำด้วยอะตอมของตะกั่วซึ่งเป็นธาตุหนัก ทำให้อิเล็กตรอนในวงโคจรที่อยู่ลึกในอะตอมถูกชนกระเด็นออกจากอะตอมไป มีผลทำให้เกิดที่ว่างให้อิเล็กตรอนที่อยู่ในวงโคจรนอกๆ กระโจนลงมาแทนที่ การเปลี่ยนวงโคจรจากวงนอกไปวงในทำให้อะตอมเปล่งรังสีเอ็กซ์เป็นเส้นสเปกตรัมอัตลักษณ์ที่สามารถบอกชนิดของสารที่เป็นเป้าได้ นอกจากวิธีดังกล่าวนี้แล้ว นักฟิสิกส์ยังมีวิธีที่ผลิตรังสีเอ็กซ์ได้อีกวิธีหนึ่งคือ ใช้การเร่งอิเล็กตรอนด้วยสนามไฟฟ้า หรือสนามแม่เหล็ก เพราะเวลาอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าถูกเร่ง มันจะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา และถ้าอนุภาคนั้นอยู่ในเครื่องเร่งอนุภาคแบบ synchrotron รังสีที่ออกมาจึงได้ชื่อว่า รังสีซินโครตรอน (synchrotron radiation)

การค้นพบรังสีซินโครตรอนเกิดขึ้นเป็นครั้งแรกเมื่อวันที่ 24 เมษายน ค.ศ.1947 เมื่อ Herb Pollack, Robert Langmuir, Frank Elder และ Anatole Gurewitsch ซึ่งเป็นนักฟิสิกส์สี่คนในสังกัดบริษัท General Electric ที่ New York ในสหรัฐอเมริกา ได้เห็นแสงสีฟ้า-ขาว ปรากฏในหลอดสุญญากาศ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนที่มีพลังงาน 70 MeV การเห็นแสงทำให้นักฟิสิกส์ทุกคนในวงการรู้สึกวิตกมาก เพราะการแผ่รังสีจากอิเล็กตรอนจะทำให้พลังงานของอิเล็กตรอนในเครื่องเร่งลดลงๆ อย่างไม่มีทางหลีกเลี่ยงได้ และในที่สุดก็จะมีผลทำให้อิเล็กตรอนไม่มีวันมีพลังงานตรงตามเป้าที่ได้ตั้งไว้

แต่ในเวลาต่อมาทุกคนก็พบว่า แสงที่ออกมาจากเครื่องเร่งอนุภาคกลับมีประโยชน์อย่างอเนกอนันต์ เพราะสามารถนำไปประยุกต์ใช้ทำคุณประโยชน์ได้มากมายหลายประการ ทั้งในทางฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยา แพทยศาสตร์ ธรณีวิทยา โบราณคดี วิศวกรรมศาสตร์ ฯลฯ ปัจจุบันโลกมีเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน (ซึ่งให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหลายรูปแบบตั้งแต่รังสีแกมมา รังสีเอ็กซ์ รังสีอินฟราเรด รังสีอัลตราไวโอเลต ฯลฯ) จำนวนกว่า 10,000 เครื่อง เช่น ที่ National Accelerator Laboratory ใน California ของอเมริกา ที่ Pohang Free Electron Laser ในเกาหลีใต้ และที่สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอนที่โคราช เป็นต้น

ห้องปฏิบัติการ DESY ของเยอรมนีได้พยายามสร้างรังสีเอ็กซ์ที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก ด้วยการเร่งอิเล็กตรอนอิสระในเครื่องเร่งอนุภาคตั้งแต่ปี 2000 โดยได้รับความร่วมมือในการสร้างจากนักวิทยาศาสตร์ 140 คนในสังกัด 38 สถาบันวิชาการทั่วโลก เพื่อผลิตรังสีอัลตราไวโอเลต (UV) ที่มีความยาวคลื่น 109 นาโนเมตร

แต่อะตอมตามปกติมีขนาดใหญ่ระดับนาโนเมตร ดังนั้น อะตอมจึงมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสง UV ที่ผลิตได้ประมาณ 100 เท่า ด้วยเหตุนี้นักวิทยาศาสตร์จึงไม่สามารถใช้แสง UV ศึกษารายละเอียดต่างๆ ที่เกิดขึ้นภายในอะตอมได้

วิธีเดียวที่จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาและเห็นอะตอมได้ชัด คือ ใช้รังสีเอ็กซ์ที่มีความยาวคลื่นระดับ 0.1 นาโนเมตร ซึ่งสั้นกว่าขนาดของอะตอมประมาณ 10 เท่าได้ ซึ่งอาจทำได้โดยนักทดลองต้องเร่งอิเล็กตรอนให้มีพลังงานสูงมาก โดยใช้เครื่องเร่งอนุภาค ทั้งที่เป็นวงกลม (synchrotron) และที่เป็นเส้นตรง (linac จากคำ linear accelerator)

ลุถึงปี 2009 โดยอาศัยความร่วมมือของบรรดานักฟิสิกส์จาก 11 ประเทศอันได้แก่ เดนมาร์ก ฝรั่งเศส เยอรมนี ฮังการี อิตาลี โปแลนด์ รัสเซีย สโลวัค สเปน สวีเดน และสวิสเซอร์แลนด์ รัฐบาลของประเทศเหล่านี้จึงได้มีการลงนามในสัญญาสร้าง XFEL ที่จะให้รังสีเอ็กซ์ที่มีความยาวคลื่นสั้นที่สุดในโลก และอีก 8 ปีต่อมาคือในปี 2017 นักฟิสิกส์อังกฤษได้ขอเข้าร่วมโครงการด้วย โดยโครงการนี้มีเยอรมนีเป็นประเทศที่ลงทุนมากที่สุด คือมากถึง 58% ของงบประมาณทั้งหมด ในขณะที่รัสเซียลงทุนประมาณ 27% นั่นหมายความว่านักฟิสิกส์เยอรมันมีสิทธิในการใช้เครื่องประมาณ 60% ของเวลาทั้งหมด โดยเครื่องจะทำงานปีละประมาณ 4,000 ชั่วโมง

ในส่วนของทฤษฎีที่อธิบายการแผ่รังสีซินโครตรอน (ซึ่งรวมรังสีเอ็กซ์) ได้เริ่มต้นจากการพัฒนาทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ James Clerk Maxwell ได้นำเสนอเมื่อปี 1864 จนอีก 34 ปีต่อมา เมื่อ Alfred Lienard นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสได้ศึกษาการเคลื่อนที่ของประจุ ขณะมีความเร่ง และได้พบว่าประจุสามารถแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้ จากนั้นทฤษฎีของ Lienard ก็ได้รับการเสริมให้สมบูรณ์ขึ้นโดย Emil Wiechart นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ดังนั้นศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กตรอนขณะมีความเร่งจึงได้ชื่อว่า ศักย์ไฟฟ้า Lienard-Wiechart ในกรณีของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เป็นวงกลมรัศมี R การเคลื่อนที่ในแนวโค้งทำให้อิเล็กตรอนมีความเร่งในสนามแม่เหล็กที่มีความเข้ม B โดยที่ R = (E/qB)v/c2 เมื่อ E คือพลังงานทั้งหมดของอิเล็กตรอน v คือ ความเร็ว q คือ ประจุ และ c คือความเร็วแสง สูตรนี้แสดงให้เห็นว่า กำลังของรังสีที่เปล่งออกมาจากประจุที่มีมวลมาก (เช่น โปรตอน) จะมีค่าน้อยกว่ากำลังของรังสีที่ออกมาจากอิเล็กตรอน 1013 เท่า ดังนั้นการเร่งอิเล็กตรอนจะทำให้เกิดรังสีที่มีกำลังมากที่สุด

ในเวลาต่อมาทฤษฎีรังสีซินโครตรอนที่สมบูรณ์แบบก็ได้เกิดขึ้นในปี 1949 เมื่อ Julian Schwinger (รางวัลโนเบลฟิสิกส์ปี 1965) ได้ศึกษาการเคลื่อนที่ของประจุที่มีความเร่งและความเร็วสูงมาก จนต้องใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษอธิบาย ทฤษฎี relativistic quantum electrodynamics ที่มีการนำทฤษฎีควอนตัม และทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษมาใช้ร่วมกันทำให้นักฟิสิกส์รู้ว่า แทนที่การแผ่รังสีซินโครตรอนจะลดพลังงานของอิเล็กตรอน จนทำให้วงโคจรมีขนาดเล็กลงๆ การควบคุมเสถียรภาพของวงโคจร จะทำให้รังสีมีประโยชน์มากในการประยุกต์ใช้ทางเทคโนโลยีชีวภาพ เภสัชวิทยา วัสดุศาสตร์ ฯลฯ
ภายในอุโมงค์มีแท่งแม่เหล็ก (สีเหลือง) ที่ยาว 15 เมตร วางสลับเพื่อผลักอิเล็กตรอนไป-มา ให้ปล่อยรังสีเอ็กซ์
อุปกรณ์ XFEL ที่ DESY ประกอบด้วยเครื่องเร่งอนุภาคเส้นตรงที่ยาว 2 กิโลเมตรเป็นท่อฝังใต้ดินเมื่ออิเล็กตรอนถูกเร่งจนมีพลังงาน 17.5 GeV แล้ว มันก็จะถูกปล่อยให้พุ่งผ่านชุดแม่เหล็กที่มีขั้วเหนือ-ใต้ วางสลับขั้วกันไปมาหลายชุดเป็นระยะทาง 1 กิโลเมตร (เรียก undulator) ซึ่งจะผลักอิเล็กตรอนไป-มาๆ การเบี่ยงทิศการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ทำให้มันมีความเร่งและปล่อยรังสีเอ็กซ์ออกมาให้ไปรวมกันที่ศูนย์ปฏิบัติการใกล้เมือง Sckenefeld ซึ่งเป็นสถานที่ที่นักวิจัยทำงาน

เพราะแสงเลเซอร์จาก XFEL มีความยาวคลื่นสั้นมาก (0.1 นาโนเมตร ในขณะที่แสงเลเซอร์ทั่วไปมีความยาวคลื่น 632 นาโนเมตร) การโฟกัสแสงโดยใช้เลนส์ธรรมดาจึงไม่สามารถทำได้ เพราะแสงเลเซอร์จาก XFEL จะไม่หักเหเวลาผ่านเลนส์ ดังนั้น นักทดลองจึงต้องออกแบบกระจกสะท้อนแสงเลเซอร์ให้ไปรวมกันโดยให้มุมตกกระทบเกือบเป็นมุมฉาก (grazine incidence = 0.1 องศา)

แต่กระจกเวลาได้รับแสงเลเซอร์ความเข้มสูง และตลอดเวลา จะร้อนมากจนเสื่อมคุณภาพ ดังนั้น การกำจัดความร้อนที่เกิดขึ้นในกระจกจึงเป็นเรื่องจำเป็น เพราะถ้าไม่ทำ กระจกจะโฟกัสแสงไม่ได้ ดังนั้น ศูนย์จึงพัฒนาระบบทำความเย็นขึ้นมา เพื่อควบคุมอุณหภูมิของกระจกให้อยู่ที่ 100 องศาสัมบูรณ์ ซึ่งจะทำให้ซิลิกอนที่ใช้ทำกระจกมีการขยายตัวเท่ากับศูนย์ (คือ ไม่ขยายตัวเลย)

รังสีเอ็กซ์ที่ออกมาจากเครื่องจะออกมาเป็นห้วงๆ ที่มีความยาวห้วงละ 10,000 นาโนเมตร และมีพลังงาน 2x10-3 จูล โดยแต่ละห้วงมี photon 1012 อนุภาค

ดังนั้น การให้แสงนี้ปะทะเป้าที่ทำด้วยทองแดง อุณหภูมิของเป้าจะพุ่งสูงถึง 100,000 องศาเซลเซียสจนเป้าละลายไปพร้อมกับวัสดุที่จะวิเคราะห์ ห้องทดลองจึงต้องใช้เป้าที่ดูดกลืนแสงค่อนข้างน้อย เพื่อลดความร้อนที่จะเกิดขึ้น และใช้ระบบทำความเย็นที่มีประสิทธิภาพสูงมาก

ในปี 2012 โลกได้เห็นโครงสร้างของโปรตีนเป็นครั้งแรกโดยใช้แสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นระดับรังสีเอ็กซ์ (XFEL) จำนวน 178,875 ห้วง เพื่อให้เกิดการเลี้ยวเบนโดยโมเลกุลของโปรตีน การวิเคราะห์นี้เกิดขึ้นที่ Linac Coherent Light Source ของ National Accelerator Laboratory ที่ California ในอเมริกา

การพัฒนา XFEL ได้ก้าวหน้ามากจนปัจจุบัน เรามีห้วงแสงที่นาน 10-13 วินาทีและแต่ละห้วงมี photon 1012 อนุภาค เป็นแสงที่อาพันธ์ และมีความสว่างยิ่งกว่าเครื่องเอ็กซเรย์ของ Röntgen เป็นล้านล้านเท่า จึงสามารถถ่ายภาพการเคลื่อนที่ของอะตอม และของโมเลกุลแต่ละหน่วยได้ ภาพยนตร์โมเลกุลที่ได้จึงแสดงให้เห็นการจับคู่และการแตกคู่ของอะตอมที่เกี่ยวข้องได้หมด

โลกคาดหวังว่า XFEL ที่ DESY จะอยู่ในแนวหน้าของการวิจัยในอนาคตอีก 20-30 ปี

ในส่วนของการวิจัย XFEL ในเอเซียก็มีโครงการแข่งขันกับของยุโรป เมื่อเดือนกันยายน ค.ศ.2016 สถาบัน Chinese Academy of Sciences (CAS) ซึ่งเป็นองค์การวิทยาศาสตร์ของจีนได้วางแผนเปิดหน่วยงานวิจัยวิทยาศาสตร์แห่งชาติ ในปี 2023 ซึ่งจะมีเครื่องเร่งอนุภาค synchrotron, ซูเปอร์คอมพิวเตอร์มูลค่า 5 แสนล้านบาทติดตั้งประจำในห้องปฏิบัติการที่มีกำลังคน และงบประมาณมากเพียงพอในการพัฒนาประเทศจีนตามนโยบายที่ได้รับจากรัฐบาลกลาง โดยหวังว่า การปฏิบัติงานของศูนย์นี้จะสร้างงาน 150,000 ตำแหน่งในเวลา 5 ปี และสร้างรายได้ 2.5 ล้านล้านบาทจากการขายผลิตภัณฑ์ด้านเทคโนโลยีที่ศูนย์นี้ผลิตจากอุทยานวิทยาศาสตร์ Huairou ซึ่งเป็นศูนย์เทคโนโลยีที่อยู่นอกเมืองปักกิ่งไปทางทิศเหนือ ศูนย์จะมีแหล่งกำเนิดแสงซินโครตรอนมูลค่า 3 หมื่นล้านบาท ซึ่งจะให้ลำแสงที่สว่าง แคบ และมีความเข้มสม่ำเสมอกว่าเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนอื่นใดในโลก จนทำให้มีประสิทธิภาพในการเห็นรายละเอียดต่างๆ ในอะตอมดีกว่าแสงเลเซอร์ของ DESY ถึง 10 เท่า เพราะจะเห็นอะตอมเดียวในสารได้ ขณะมันกำลังจะจับยึดอะตอมอื่นๆ หรือแยกตัวจากพันธะเคมีก็ได้

อุทยานวิทยาศาสตร์ Huairou จะเป็นศูนย์รวมห้องปฏิบัติการอีก 17 ห้อง ซึ่งจะวิจัยสสารภายใต้ความดันสูงมาก ที่อุณหภูมิสูงมาก และที่อุณหภูมิต่ำมาก รวมถึงภายใต้สนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงมากด้วย และหวังว่าห้อง “ทรมาน” สารนี้จะสามารถสร้างตัวนำยวดยิ่งชนิดใหม่ได้ ผลิตวัสดุใหม่ๆ สำหรับใช้ในเครื่องคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้ และใช้ในการผลิตพลังงาน fusion ได้ ฯลฯ
ส่วนอุปกรณ์ supercomputer ชื่อ Earth System Simulator ที่อยู่ในศูนย์ก็จะทำงานวิจัยด้านอุตุนิยมวิทยา ธรณีวิทยา มลภาวะของโลก รวมถึงวิจัยโครงสร้างของโปรตีน และการทำงานของสมอง โดยมีนักวิจัยประจำ 3,000 คน

ความมุ่งหมายหลักของศูนย์ คือ ทำงานวิจัยพื้นฐาน ในขณะเดียวกันก็ส่งเสริมการถ่ายทอดเทคโนโลยีสู่สังคม และแก้ปัญหาสำคัญๆ ของชาติอย่างเป็นเอกภาพและต่อเนื่อง

ขั้นต่อไปของโครงการนี้คือ ถ้าทำได้สำเร็จดี ศูนย์ที่สองของจีนจะมีการจัดสร้างที่ Shanghai และเมืองใหญ่อื่นๆ ต่อไป โดยศูนย์ทั้งหมดจะทำงานร่วมกันเป็นเครือข่ายที่มีห้องปฏิบัติการซึ่งมีจุดประสงค์เพื่อสนองตอบความต้องการของท้องถิ่นที่ศูนย์ตั้งอยู่

อ่านเพิ่มเติมจาก “Controlling the Quantum World” โดย National Research Council จัดพิมพ์โดย The National Academic Press ปี 2010

สุทัศน์ ยกส้าน

ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์


กำลังโหลดความคิดเห็น...