เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ ย่านความถี่เทราเฮิรตซ์และอินฟราเรด ช่วงกลางแบบเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้น

1 กันยายน 2563

 

รังสีอินฟราเรดและการประยุกต์

 

       ในปัจจุบันได้มีการนำรังสีอินฟราเรดไปประยุกต์ใช้ในหลายสาขา เช่น เคมี ชีววิทยา วัสดุศาสตร์ การเกษตร อุตสาหกรรมอาหาร การแพทย์ โดยรังสีอินฟราเรดแบ่งออกเป็น 3 ช่วงความถี่ ได้แก่ อินฟราเรดช่วงใกล้ (near infrared; NIR) อินฟราเรดช่วงกลาง (mid infrared; MIR) และอินฟราเรดช่วงไกล (far infrared; FIR) ซึ่งช่วงความถี่ที่นิยมนำไปใช้งานในปัจจุบัน ได้แก่ รังสี MIR ซึ่งมีความยาวคลื่น 2 - 30 ไมโครเมตร และรังสี FIR รวมถึงย่านเทราเฮิรตซ์ (terahertz; THz) ที่มีความยาวคลื่น 0.03 - 3 มิลลิเมตร

 

       รังสี MIR มีความถี่ตรงกับความถี่การสั่นที่เป็นลายนิ้วมือ (finger print) ของพันธะโควาเลนซ์ในโมเลกุลของสสาร จึงได้รับการนิยมนำไปใช้ในการตรวจวิเคราะห์และศึกษาองค์ประกอบทางเคมี และโครงสร้างทางโมเลกุลของสสารโดยใช้เทคนิค Infrared Spectroscopy ซึ่งมีประโยชน์อย่างมากในงานวิจัยทางด้านวิทยาศาสตร์การแพทย์และวิทยาศาสตร์ชีวภาพ โดยสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงของโปรตีน กรดไขมัน หรือกรดนิวคลีอิก ที่เป็นส่วนประกอบหลักของ DNA และสามารถใช้ตรวจสอบโครงสร้างของเนื้อเยื่อ เพื่อใช้เป็นเครื่องมือทางการแพทย์ในการตรวจวินิจฉัยโรคหลายชนิด ตัวอย่างเช่น ภาวะพังผืดภายในตับ สภาวะไขมันสะสมในตับ การตรวจสอบความผิดปกติของเซลล์สมอง รวมไปถึงงานวิจัยทางด้านเซลล์ต้นกำเนิด (stem cell)

 

       สำหรับรังสี FIR และ THz ในปัจจุบันถูกนำไปใช้ในงานวิจัยและการประยุกต์ที่สอดคล้องกับเทคนิคสเปก  โทรสโกปี (spectroscopy) ทั้งแบบ Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) และแบบ Time-domain spectroscopy (TDS) รวมถึงเทคนิคการถ่ายภาพด้วยรังสีเทราเฮิรตซ์ (THz imaging) ซึ่งเป็นเทคนิคการตรวจสอบแบบไม่ทำลาย (noninvasive inspection) ซึ่งสามารถวิเคราะห์แยกแยะวัตถุที่มีความหนาแน่นต่างกันได้ เนื่องจากรังสี THz สามารถเคลื่อนที่ผ่านอโลหะ แต่มีการสะท้อนกลับเมื่อตกกระทบโลหะและถูกดูดกลืนเมื่อเคลื่อนที่ผ่านน้ำและของเหลว จึงนำไปใช้ในด้านการรักษาความปลอดภัยเพื่อตรวจหาอาวุธหรือวัตถุระเบิดที่ถูกซุกซ่อน การตรวจสอบคุณภาพของผลิตภัณฑ์การเกษตร การตรวจสอบวงจรทางอิเล็กทรอนิกส์ภายใต้วัสดุห่อหุ้ม การตรวจสอบยารักษาโรค ผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์และทางเภสัชศาสตร์

 

       รังสี MIR และ FIR/THz ที่มีสมบัติเหมาะสมต่อการนำไปใช้ในงานวิจัยและการประยุกต์ขั้นแนวหน้านั้น จำเป็นต้องมีลักษณะเฉพาะที่พิเศษ คือ มีความสว่างสูง (high brightness) มีความอาพันธ์ (coherence) และมีความยาวพัลส์ (pulse) สั้นในระดับเฟมโตวินาทีถึงพิโควินาที (10-15 10-12 วินาที) จึงจะสามารถนำไปใช้ศึกษาระบบที่ซับซ้อน ตัวอย่างเช่น โครงสร้างของชีวโมเลกุล การสั่นของโฟนอน (phonon) ในของแข็งและวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ การศึกษาอิเล็กตรอนในสถานะกระตุ้นสำหรับประยุกต์ใช้ด้านวัสดุควอนตัม รวมทั้งการศึกษาพันธะไฮโดรเจนในโมเลกุลแก๊สและของเหลว ดังแสดงในรูปที่ 1 ซึ่งการผลิตรังสีให้มีสมบัติเฉพาะดังกล่าวนี้ จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์เครื่องมือ เทคโนโลยี และกระบวนการผลิตที่ถูกออกแบบและพัฒนาขึ้นมาเป็นพิเศษ

  

     

 

รูปที่ 1 แผนภาพการตอบสนองของอันตรกิริยาในสเปกตรัมย่าน THz [1] และย่าน MIR [2]

 

เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ

 

       รังสีอินฟราเรดที่มีสมบัติเฉพาะดังที่กล่าวมา สามารถผลิตได้จากเครื่องเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ (free-electron laser; FEL) แบบเครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนเชิงเส้น โดยเป็นรังสีอาพันธ์ที่มีความสว่างสูง มีความยาวห้วงสั้น และให้รังสีที่มีความยาวคลื่นที่สามารถปรับได้โดยการกำหนดสมบัติของลำอิเล็กตรอนและกระบวนการผลิตรังสี ซึ่งเป็นสมบัติที่พิเศษและแตกต่างจากเลเซอร์ทั่วไป ที่ผลิตรังสีจากกระบวนการเปลี่ยนระดับชั้นพลังงานของอิเล็กตรอนที่ถูกยึดเหนี่ยวอยู่ในอะตอม จึงไม่สามารถปรับความยาวคลื่นของแสงได้โดยสะดวก ในขณะที่เลเซอร์ที่ผลิตจากอิเล็กตรอนอิสระไม่มีข้อจำกัดด้านพลังงานยึดเหนี่ยวในอะตอมหรือโมเลกุล จึงสามารถดูดกลืนและปลดปล่อยพลังงานในช่วงความถี่ตามต้องการ  ห้องปฏิบัติการที่ผลิตเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระที่มีสมบัติพิเศษเหมาะกับการนำไปประยุกต์ใช้ดังที่กล่าวมา ยังมีจำนวนจำกัดแม้ในระดับนานาชาติ โดยเฉพาะย่านอินฟราเรดในช่วง MIR และ THz ตัวอย่างห้องปฏิบัติการหนึ่งที่สามารถพัฒนาระบบเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระย่านอินฟราเรด ตลอดทั้งสถานีทดลองขั้นสูงขึ้นมา จนสามารถให้ผู้ใช้บริการ (users) เข้ามาใช้งานเพื่อผลิตผลงานทั้งการวิจัยและการประยุกต์ขั้นสูงได้อย่างหลากหลาย คือ ห้องปฏิบัติการ Free Electron Lasers for Infrared eXperiments (FELIX) Facility มหาวิทยาลัย Radboud ประเทศเนเธอร์แลนด์ ซึ่งเป็นห้องปฏิบัติการด้าน IR FEL ที่มีสถานีทดลองเปิดให้นักวิจัยทุกประเทศเข้ามาทำการทดลองได้ [3] โดยรังสี IR FEL สามารถนำไปศึกษาพลศาสตร์ของอันตรกิริยาภายในและระหว่างโมเลกุล โดยใช้เทคนิคการทดลองเชิงสเปกโทรสโกปี เช่น FTIR, TDS และ pump-probe experiment นอกจากนี้สามารถใช้วิเคราะห์สมบัติของโมเลกุลร่วมกับเทคนิคอื่น ตัวอย่างเช่น การใช้ IR FEL กับเครื่อง FTIR และ แมสสเปกโทรมิเตอร์ (mass spectrometer) ในเทคนิค infrared multiple photon dissociation เพื่อวิเคราะห์ชนิดและปริมาณของโมเลกุลและค่าการดูดกลืนแสงของโมเลกุลได้พร้อมกัน ซึ่งจะให้ประสิทธิภาพและความแม่นยำของการวิเคราะห์ที่สูงมาก โดยเฉพาะการวิเคราะห์สารตัวอย่างที่มีความเจือจาง

 

       การผลิตเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระจากครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นมีหลายเทคนิค ขึ้นอยู่กับช่วงความถี่และสมบัติของรังสีที่ต้องการนำไปประยุกต์ใช้ สำหรับความถี่ในย่านอินฟราเรดนั้น สามารถทำได้โดยการส่งลำอิเล็กตรอนสัมพัทธภาพเข้าไปบริเวณสนามของแม่เหล็กแบบอันดูเลเตอร์ (undulator magnet)  ซึ่งเป็นชุดแม่เหล็กสองขั้วที่วางสลับขั้วกันตามแนวยาว เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็กลักษณะเช่นนี้ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่แบบส่ายกลับไปมาแบบเป็นคาบ แล้วปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา (ดังแสดงในรูปที่ 2)

 

 

รูปที่ 2 แผนภาพแสดงการแผ่รังสีจากอิเล็กตรอนสัมพัทธภาพที่เคลื่อนที่ในสนามของแม่เหล็กอันดูเลเตอร์ [4]

 

       ลำอิเล็กตรอนที่มีความยาวพัลส์เท่ากับหรือสั้นกว่าความยาวคลื่นของรังสี อิเล็กตรอนแต่ละตัวจะปลดปล่อยรังสีออกมาด้วยเฟสที่ตรงกัน ทำให้เกิดการแทรกสอดแบบเสริมกัน ส่งผลให้ได้รังสีอาพันธ์กำลังสูงที่แปรผันกับจำนวนของอิเล็กตรอนในพัลส์ยกกำลังสอง แหล่งกำเนิดแสงแบบนี้เรียกว่า “เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบยิ่งยวด (super-radiant free-electron laser)” ในกรณีที่ลำอิเล็กตรอนมีความยาวพัลส์ยาวกว่าความยาวคลื่นของรังสี เราสามารถทำให้เกิดการแผ่รังสีแบบอาพันธ์ได้ด้วยการทำให้เกิดพัลส์อิเล็กตรอนเล็กๆ ในขณะที่ลำอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ภายในสนามแม่เหล็กอันดูเลเตอร์โดยการติดตั้งโพรงแสง (optical cavity) ที่ประกอบไปด้วยกระจกโลหะโค้งสองอัน ณ ทางเข้าและทางออกของแม่เหล็กอันดูเลเตอร์ เพื่อให้ทำหน้าที่สะท้อนรังสีที่อิเล็กตรอนแผ่ออกมาให้กลับไปกระตุ้นทำให้เกิดการมอดูเลสพลังงาน (energy modulation) ของอิเล็กตรอน แล้วเกิดกระบวนการแบ่งกลุ่มอิเล็กตรอนออกเป็นพัลส์เล็กๆ (microbunching) ที่มีความยาวพัลส์สั้นกว่าความยาวคลื่นของรังสี ทำให้เกิดการแผ่รังสีแบบอาพันธ์ความสว่างสูงมาก โดยเลเซอร์ส่วนหนึ่งจะผ่านรูเปิดตรงกลางของกระจกโค้งอันใดอันหนึ่ง จากนั้นจะถูกลำเลียงผ่านระบบลำเลียงแสง ไปยังระบบตรวจวัดและวิเคราะห์สมบัติของเลเซอร์ก่อนนำไปประยุกต์ใช้งานต่อไป แหล่งกำเนิดแสงแบบนี้เรียกว่า “เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบออสซิลเลเตอร์ (oscillator free-electron laser)” ซึ่งแสดงในรูปที่ 3  นอกจากนี้ ยังมีการผลิตเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบอื่น เช่น การใช้สนามภายนอกซึ่งส่วนมากเป็นการใช้เลเซอร์พัลส์สั้น มากระตุ้นให้ลำอิเล็กตรอนเกิดการมอดูเลสพลังงาน เป็นต้น

 

 

     

 

รูปที่ 3 แผนภาพแสดงระบบ [5] และกระบวนการการผลิตเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบออสซิลเลเตอร์ [6]

 

การพัฒนาเครื่องเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระย่านอินฟราเรดในประเทศไทย

 

       โครงการวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนอุปกรณ์เครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนเชิงเส้น จากคณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ และได้รับงบประมาณสนับสนุนการพัฒนาเพื่อทำการขยายและสร้างระบบเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระจากศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ โดยเป็นระบบเครื่องเร่งอนุภาคที่มีขนาดกะทัดรัด และมีค่าใช้จ่ายในการพัฒนาค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับแหล่งกำเนิดแสงจากเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่อื่นๆ จึงเหมาะสำหรับการพัฒนาเป็นห้องปฏิบัติการวิจัยในระดับมหาวิทยาลัย โดยมุ่งเน้นการผลิตเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระย่านอินฟราเรดช่วงกลางและย่านเทราเฮิรตซ์ โดยทำการขยายศักยภาพของเครื่องเร่งอนุภาคของห้องปฏิบัติการวิจัยอิเล็กตรอนเชิงเส้น (PBP-CMU Electron Linac Laboratory; PCELL) ณ ศูนย์วิจัยฟิสิกส์ของพลาสมาและลำอนุภาค มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ผ่านความร่วมมือในการวิจัยและการสนับสนุนอุปกรณ์บางส่วนจากกลุ่มวิจัย PITZ ของสถาบัน Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) ประเทศเยอรมนี, สถาบัน Institute of Advanced Energy มหาวิทยาลัย Kyoto ประเทศญี่ปุ่น, สถาบัน Research Center for Electron Photon Science (ELPH) มหาวิทยาลัย Tohoku ประเทศญี่ปุ่น และสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) โดยโครงการเริ่มจากการย้ายและปรับปรุงระบบเครื่องเร่งอิเล็กตรอนที่มีอยู่แล้วของห้องปฏิบัติการ PCELL ไปติดตั้งยังห้องโถงใหม่ (แสดงในรูปที่ 4) ที่มีกำแพงหนาและบริเวณเหมาะสมกับระบบความปลอดภัยทางรังสี (radiation safety) จากนั้นได้มีการพัฒนาและจัดหาอุปกรณ์เพิ่มเติม คือ ระบบแม่เหล็กบีบห้วง (magnetic bunch compressor) แม่เหล็กอันดูเลเตอร์ (undulator magnet) ระบบโพรงแสง (optical cavity) ระบบลำเลียงลำอิเล็กตรอน (electron beamline) ระบบวัดและวิเคราะห์ลำอิเล็กตรอน ระบบผลิตและวัดวิเคราะห์เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ รวมทั้งระบบส่งผ่านและตรวจวัดรังสีที่สถานีทดลอง นอกจากนี้ยังจะมีการพัฒนาระบบทดลองต้นแบบสำหรับการนำรังสีทั้งสองย่านความถี่ไปประยุกต์ใช้งานด้วย การผลิตรังสีอินฟราเรดแบบอาพันธ์ความสว่างสูง ณ ห้องปฏิบัติการ PCELL นั้น แบ่งเป็น 3 ชนิด คือ รังสีเทราเฮิรตซ์แบบทรานสิชัน (coherent THz transition radiation; THz-TR), เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระย่านอินฟราเรดช่วงกลาง (mid infrared free-electron laser; MIR-FEL) และเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระย่านเทราเฮิรตซ์แบบความสว่างยิ่งยวด (super-radiant THz free-electron laser; THz-FEL)

 

 

รูปที่ 4  เครื่องผลิตและเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนส่วนแรกที่ติดตั้งแล้ว

 

       การผลิตรังสีแบบ THz-TR นั้น สามารถทำได้โดยการผลิตและเร่งลำอิเล็กตรอนให้มีพลังงานอยู่ในช่วง 10 ถึง 25 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ เมื่อให้ลำอิเล็กตรอนที่มีความยาวพัลส์สั้นในระดับเฟมโตวินาที เคลื่อนที่จากสุญญากาศไปยังแผ่นอลูมิเนียมบาง อิเล็กตรอนแต่ละตัวในพัลส์จะแผ่รังสีออกมาด้วยความยาวคลื่นที่ยาวกกว่าความยาวพัลส์ของอิเล็กตรอน โดยรังสีเทราเฮิรตซ์ที่ผลิตได้จากกระบวนการนี้ จะเป็นรังสีอาพันธ์ความสว่างสูงที่มีช่วงของความถี่กว้างประมาณ 0.3 – 3 THz เหมาะสมสำหรับการนำไปประยุกต์ใช้กับเทคนิคการทดลองเทราเฮิรตซ์สเปกโทรสโกปี ร่วมกับระบบ THz-FTIR spectroscopy (แสดงในรูปที่ 5)  โดยได้ทำการติดตั้งสถานีทดลองเพื่อผลิต THz-TR ในระบบเครื่องเร่งอนุภาคเรียบร้อยแล้ว ส่วนระบบ THz-FTIR spectroscopy อยู่ในระหว่างการจัดซื้อ

 

       ขณะนี้ได้มีการออกแบบและบสร้างอุปกรณ์ในระบบเครื่องเร่งอนุภาคเพิ่มเติม รวมทั้งมีการจัดซื้อและจัดหาชิ้นส่วนอุปกรณ์ในระบบวัดลำอิเล็กตรอนและชิ้นส่วนสุญญากาศเกือบครบถ้วนแล้ว โดยส่วนประกอบเพิ่มเติมนี้แบ่งเป็น 2 ชุด สำหรับผลิต MIR-FEL หนึ่งชุด และผลิต THz-FEL หนึ่งชุด  โดยแต่ละชุดประกอบด้วย ระบบแม่เหล็กบีบห้วง ระบบลำเลียงอิเล็กตรอน และระบบผลิตเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ อุปกรณ์หลักที่จำเป็นต้องพัฒนาขึ้น ประกอบด้วย แม่เหล็กสองขั้ว (dipole magnet) จำนวน 6 ชุด แม่เหล็กสี่ขั้ว (dipole magnet) จำนวน 18 ชุด แม่เหล็กสเตียริ่ง (steering magnet) จำนวน 20 ชุด ระบบสถานีฉาก (screen station)  9 สถานี หม้อแปลงกระแส (current transformer) เพื่อวัดกระแสอิเล็กตรอน จำนวน 8 ชุด ซึ่งการพัฒนาอุปกรณ์เหล่านี้ได้รับการการออกแบบและพัฒนาโดยนักวิจัยและนักศึกษาในโครงการวิจัย และได้มีการประกอบสร้างในประเทศไทย เพื่อเป็นการประหยัดงบประมาณ และเป็นการพัฒนาต่อยอดเทคโนโลยีการสร้างชิ้นส่วนเครื่องเร่งอนุภาคขึ้นในประเทศ ตัวอย่างอุปกรณ์เหล่านี้แสดงในรูปที่ 6 และ 7

 

 

รูปที่ 5 แผนผังของระบบ IR FEL และสถานีทดลองระบบ THz spectrometer และระบบทดลอง pump-probe experiment ส่วนที่ระบุด้วยกรอบเส้นประสีน้ำเงิน คือ ส่วนที่ติดตั้งแล้วดังแสดงในรูปที่ 4

    

     

 

 

รูปที่ 6 แบบจำลองทางคอมพิวเตอร์และรูปภาพของแม่เหล็กสองขั้วที่ได้รับการพัฒนาขึ้นในโครงการวิจัยฯ โดยได้รับการอนุเคราะห์การขึ้นรูปโยค (yoke) และขั้ว (pole) ของแม่เหล็ก จากสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

 

     

 

   

รูปที่ 7 แบบจำลองทางคอมพิวเตอร์และรูปภาพของแม่เหล็กสี่ขั้วที่ได้รับการพัฒนาขึ้นในโครงการวิจัยฯ

 

       การผลิตเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ MIR-FEL นั้น ใช้เทคนิคเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบออสซิลเลเตอร์ ซึ่งมีอุปกรณ์หลัก คือ อันดูเลเตอร์แบบแม่เหล็กถาวร ซึ่งได้รับการสนับสนุนมาจาก Institute of Advanced Energy มหาวิทยาลัย Kyoto ประเทศญี่ปุ่น และระบบโพรงแสง ซึ่งปัจจุบันอยู่ในขั้นตอนการนำผลการคำนวณทางคอมพิวเตอร์มาแปลงเป็นแบบทางวิศวกรรม เพื่อที่จะได้ทำการพัฒนาสร้างระบบโพรงแสงที่เหมาะสมต่อไป จากผลการคำนวณโดยการใช้แบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ พบว่าสมบัติของลำอิเล็กตรอนที่เหมาะสมและสมบัติของรังสีที่คาดว่าจะผลิตได้เป็นดังแสดงในตารางที่ 1

 

ตารางที่ 1 สมบัติของลำอิเล็กตรอน แม่เหล็กอันดูเลเตอร์ และรังสี MIR-FEL ที่คาดว่าจะผลิตได้

 

 

       สำหรับการผลิตเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ THz-FEL นั้น ใช้เทคนิคเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระแบบยิ่งยวด โดยมีอุปกรณ์หลัก คือ อันดูเลเตอร์แบบแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งอยู่ในระหว่างการออกแบบลักษณะสนามแม่เหล็กที่เหมาะสม ก่อนที่จะทำการประกอบสร้างต่อไป ในกรณีนี้ลำอิเล็กตรอนต้องมีความยาวพัลส์สั้นมากในระดับเฟมโตวินาที ซึ่งการออกแบบระบบแม่เหล็กบีบห้วงและระบบลำเลียงลำอิเล็กตรอน ต้องใช้การปรับค่าหลายพารามิเตอร์ จากผลการคำนวณโดยการใช้แบบจำลองทางคอมพิวเตอร์ พบว่าสมบัติของลำอิเล็กตรอนที่เหมาะสมและสมบัติของรังสีที่คาดว่าจะผลิตได้เป็นดังแสดงในตารางที่ 2

 

ตารางที่ 2 สมบัติของลำอิเล็กตรอน แม่เหล็กอันดูเลเตอร์ และรังสี THz-FEL ที่คาดว่าจะผลิดได้

 

 

       ขณะนี้ได้มีการผลิตและเร่งลำอิเล็กตรอนผ่านเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นแล้ว และหลังจากที่ทำการวัดสมบัติลำอิเล็กตรอนที่ผลิตได้แล้ว จะได้ทำการติดตั้งระบบลำเลียงลำอิเล็กตรอนและระบบผลิต MIR-FEL ซึ่งได้ทำการพัฒนาชิ้นส่วนอุปกรณ์ในระบบนี้ครบแล้ว ยกเว้นระบบโพรงแสง ซึ่งสามารถติดตั้งเพิ่มเติมภายหลังได้ โดยคาดว่าภายในสิ้นปี 2563 นี้ จะสามารถผลิตรังสี THz-TR และ MIR เพื่อนำไปประยุกต์ใช้ โดยเริ่มจาก THz FITR และ THz time-domain spectroscopy (TDS)  จากนั้น จึงจะติดตั้งระบบ THz-FEL ขนานไปกับการพัฒนาระบบ pump-probe experiment เพื่อนำมาประยุกต์ใช้กับ MIR-FEL และ THz-FEL

 

การใช้ประโยชน์

 

       การทดลองต้นแบบที่จะประยุกต์ใช้รังสี THz-TR, THz-FEL และ MIR-FEL ณ ห้องปฏิบัติการวิจัย PCELL ในระยะแรกนี้ ประกอบด้วย การศึกษาอันตรกิริยาระดับโมเลกุลตามเวลาของของเหลวไอออนิกสำหรับการประยุกต์ใช้ในอุปกรณ์เก็บพลังงานแบบไฟฟ้าเคมี, การศึกษาผลของรังสีเทราเฮิรตซ์ที่มีต่อ DNA และการศึกษาโครงสร้างการเกิดและอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุลอินทรีย์ในอวกาศ โดยมีการออกแบบสถานีทดลองและระเบียบวิธีการทดลองผ่านความร่วมมือกับทีมวิจัยเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์ ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี และทีมวิจัยร่วมจากสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) นอกจากนี้ ในอนาคตจะได้มีการพัฒนาสถานีวิจัยที่ใช้เครื่องมือการทดลองขั้นสูงเพื่อใช้ร่วมกับ IR FEL เพิ่มมากขึ้น ซึ่งจะเป็นการสร้างเทคนิคการทดลองใหม่ๆ ให้เกิดขึ้นเป็นแห่งแรกในประเทศและประชาคมอาเซียน เป็นการมุ่งหวังและเปิดโอกาสให้นักวิจัยทั้งในประเทศและในประชาคมอาเซียนให้เข้าถึงเครื่องมือและเทคนิคการทดลองขั้นสูง โดยการใช้เครื่องเร่งอนุภาคอิเล็กตรอนและเทคโนโลยีเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระต่อไปในอนาคต

 

เอกสารอ้างอิง

 

  1. E. Pickwell, V. P. Wallace, 2006, “Biomedical Applications of Terahertz Technology”, Journal of Physics D: Applied Physics, 39 (17), pp. R301–R310.
  2. W. Petrich, 2001, “Mid-infrared and Raman Spectroscopy for Medical”, Applied Spectroscopy Reviews, 36:2-3, pp. 181-237.
  3. FELIX Laboratory, Radboud University, Available: https://www.ru.nl/felix/about-felix/about-felix/
  4. M. James, “What's Brilliant and Bright at the Australian Synchrotron”, Available: https://archive.synchrotron.org.au/images/AOF2017/Australian-Synchrotron-M_James.pdf
  5. Science and Technology Facilities Council, “ALICE Free Electron Laser”, Available: https://www.ru.nl/felix/about-felix/about-felix/fel-operating-principle/
  6. Radboud University, “FEL Operating Principle”, Available: https://www.astec.stfc.ac.uk/Pages/ALICE-free-electron-laser.aspx

 

รายงานโดย

 

ผศ. ดร. สาคร ริมแจ่ม

ห้องปฏิบัติการวิจัยเครื่องเร่งอิเล็กตรอนเชิงเส้น ศูนย์วิจัยฟิสิกส์ของพลาสมาและลำอนุภาค ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ จ. เชียงใหม่ 50200

E-mail: sakhorn.rimjaem@cmu.ac.th