มาทำความรู้จักกับ "แสงซินโครตรอน" กันเถอะ - Science Illustrated Thailand

แสงที่มนุษย์พบเจอบนโลกนี้มีอยู่มากมาย ไม่ว่าจะเป็นแสงจากดวงอาทิตย์ในเวลากลางวัน แสงจากดวงดาวในยามค่ำคืน แสงจากหลอดไฟต่างๆ หรือแม้กระทั่งแสงที่เกิดจากการส่งสัญญาณของสัตว์ อย่างเช่น หิ่งห้อย เป็นต้น แสงเหล่านี้มีทั้งเกิดขึ้นเองโดยธรรมชาติ และมนุษย์สร้างขึ้น แล้วคุณรู้หรือไม่ว่ายังมีแสงอีกประเภทหนึ่ง ที่มีคุณสมบัติที่พิเศษแตกต่างไปจากแสงประเภทอื่นๆ ที่กล่าวมา นั่นคือแสงซินโครตรอน” (Synchrotron Light)

แสงซินโครตรอน คืออะไร?

แสงซินโครตรอน มีธรรมชาติเดียวกับแสงอาทิตย์ หรือแสงจากหลอดไฟทั่วๆ ไป แต่มีความสว่างจ้ากว่าแสงในเวลากลางวันมากกว่า 1 ล้านเท่ามีขนาดของลำแสงเล็กได้ถึงในระดับไมโครเมตร (1 ใน 1,000,000 ของเมตร) หรือเทียบเท่ากับครึ่งหนึ่งของเส้นผม มีอำนาจทะลุทะลวงสูง   อีกทั้งแสงนี้ยังครอบคลุม 4 ช่วงความยาวคลื่น ตั้งแต่แสงอินฟราเรด แสงที่ตามองเห็น แสงอัลตร้าไวโอเลต และรังสีเอ็กซ์ ด้วยคุณสมบัติพิเศษเหล่านี้ นักวิทยาาสตร์จึงใช้แสงซินโครตรอนในการไขความลับในระดับอะตอมได้มากมาย

ในประเทศไทยมีสถาบันแห่งหนึ่งที่สามารถผลิตแสงซินโครตรอน สำหรับใช้ในการวิเคราะห์ วิจัย การปรับปรุงและพัฒนาผลิตภัณฑ์เพื่อเพิ่มมูลค่าให้แก่ภาคอุตสาหกรรม นั่นคือสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)” ซึ่งตั้งอยู่ บริเวณมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี .นครราชสีมา โดยสถาบันแห่งนี้มีเพียงแห่งเดียวในประเทศไทย และใหญ่ที่สุดในภูมิภาคอาเซียนอีกด้วย

สำหรับเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนนั้นนับว่าเป็นเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่ที่มีความซับซ้อนทางเทคโนโลยีวิศวกรรม และเป็นโครงสร้างพื้นฐานอันสำคัญต่อการพัฒนาประเทศทางด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ช่วยเพิ่มมูลค่าเศรษฐกิจ พัฒนาคุณภาพชีวิตของประชาชนให้ทัดเทียมนานาอารยะประเทศ โดยประโยชน์หลักจากแสงซินโครตรอนนั้นใช้เพื่อการวิเคราะห์วิจัยเชิงลึกทางวิทญาสตร์ของวัตถุต่างๆ ในระดับอะตอมและโมเลกุล สามารถทดสอบได้ทั้งวัตถุที่มีสถานะเป็นของแข็ง ของเหลว ก๊าซ แม้กระทั่งพลาสมา

คุณสมบัติของแสงซินโครตรอน

แสงซินโครตรอนที่ผลิตขึ้น ณ ห้องปฏิบัติการแสงสยามมีความสว่างกว่าแสงในเวลากลางวันกว่าล้านเท่า คมชัด ความเข้มสูง อำนาจการทะลุทะลวงสูง และมีขนาดของลำแสงเล็กมากเทียบเท่ากับระดับความหนาของเส้นผม ทำให้สามารถศึกษาถึงโครงสร้างระดับอะตอมของธาตุชนิดต่างๆได้ นอกจากนี้ยังครอบคลุมช่วงความยาวคลื่นต่อเนื่อง ตั้งแต่ รังสีอินฟราเรด แสงที่ตามองเห็น รังสีอัลตราไวโอเลต และรังสีเอกซ์ ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเลือกใช้ช่วงความยาวคลื่นหรือพลังงานที่เหมาะสม เพื่อนำมาใช้ศึกษาในงานวิจัยด้านต่างๆตามที่ต้องการได้

วิธีการผลิตแสงซินโครตรอน

ขั้นตอนที่หนึ่ง คือ การผลิตอิเล็กตรอน โดยการปล่อยกระแสไฟฟ้าให้กับไส้โลหะของปืนอิเล็กตรอนจนร้อน จนทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมา จากนั้นจึงใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้าแรงสูงขั้วบวกในการดึงอิเล็กตรอนให้วิ่งไป ในทิศทางเดียวกัน

ขั้นตอนที่สอง เป็นการเร่งความเร็วอิเล็กตรอนในแนวเส้นตรง ด้วยเครื่องเร่งอนุภาคแนวตรง หรือ linac เพื่อเร่งอิเล็กตรอนมีความเร็วสูงในระดับที่ต้องการ (40 ล้านอิเล็กตรอนโวลท์) จากนั้นป้อนอิเล็กตรอนนี้เข้าสู่เครื่องเร่งอนุภาคแนววงกลมหรือเครื่องซินโค รตรอน

ขั้นตอนที่สาม อิเล็กตรอนภายในเครื่องซินโครตรอนจะถูกบังคับให้วิ่งเป็นวงกลมและ มีความเร็วเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งมีความเร็วสูงเกือบเท่าความเร็วแสง (1, 000 ล้านอิเล็กตรอนโวลท์ หรือ 1 GeV) หลังจากนั้นอิเล็กตรอนจะส่งเข้าสู่วงกักเก็บอิเล็กตรอนเป็นขั้นตอนสุดท้าย

ขั้นตอนที่สี่ วงกักเก็บอิเล็กตรอนทำ หน้าที่เพิ่มพลังงานเร่งอิเล็กตรอนให้มีพลังงานสูงถึง 1,200 ล้านอิเล็กตรอนโวลท์ (1.2 GeV) เพื่อการผลิตแสงซินโครตรอน ด้วยการใช้สนามแม่เหล็กบีบบังคับให้อิเล็กตรอนเลี้ยวเบนและปลดปล่อยแสงหรือ โฟตอนออกมาขณะเลี้ยวเบน และกักเก็บอิเล็กตรอนที่ผลิตขึ้น เพื่อนำแสงซินโครตรอนมาใช้ประโยชน์และให้บริการแก่นักวิทยาศาสตร์ในงานวิจัย ด้านต่างๆ ต่อไป

ความพิเศษของแสงซินโครตรอนถูกนำไปประยุกต์ใช้กับงานต่างๆ ได้หลากหลายด้าน อาทิ ด้านการเกษตร การแพทย์ เภสัชกรรม วัสดุศาสตร์ และอุตสาหกรรม ซึ่งกว่า 10 ปีของการเปิดให้บริการแสงซินโครตรอนและเทคนิคที่เกี่ยวข้อง ทางสถาบันแห่งนี้ได้สร้างผลงานชิ้นสำคัญต่อการพัฒนาอุตสาหกรรมและเศรษฐกิจของประเทศไว้มากมาย ได้แก่ การพัฒนาและปรับปรุงคุณภาพกาแฟสดพร้อมดื่ม การค้นคว้าหากรรมวิธีการสกัดสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพจากวัตถุดิบที่เหลือจากกระบวนการผลิตน้ำลำไยสกัดเข้มข้น การพัฒนานวัตกรรมครีมกันแดดนาโน การพัฒนาการผลิตผลิตภัณฑ์เม็ดพลาสติกชนิดใหม่ การฟื้นฟูภูมิปัญญาการทำกระจกเกรียบโบราณ การพัฒนาชุดแสดงอักษรเบรลล์ในราคาที่จับต้องได้ ช่วยลดการนำเข้าจากต่างประเทศได้กว่า 85,000 บาทต่อเครื่อง หรือแม้กระทั่งการพัฒนาระบบอัจฉริยะเพื่อควบคุมสภาพแวดล้อมการเพาะเลี้ยงถั่งเช่า เป็นต้น

อย่างไรก็ดี เมื่อเร็วๆ นี้ สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) ได้จัดงานฉลอง 10 ปี แห่งความสำเร็จขึ้น พร้อมโชว์ผลงานที่แสดงถึงความก้าวหน้าของสถาบันที่ได้เป็นส่วนหนึ่งในการสนับสนุนการวิจัยเพื่อพัฒนาวงการวิทยาศาสตร์ ช่วยขับเคลื่อนเศรษฐกิจและอุตสาหกรรมไทยด้วยเทคโนโลยีแสงซินโครตรอนมาตลอดหนึ่งทศวรรษ ทั้งนี้สถาบันยังได้มีการการจัดนิทรรศการหนึ่งทศวรรษสถาบันวิจัยวินโครตรอนขึ้นภายใต้แนวคิดพัฒนาธุรกิจด้วยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแสงซินโครตรอน (Make Tomorrow Better)” ขึ้นในวันที่ 1 มิถุนาน 2561 ที่จะถึงนี้ โรงแรมเซ็นทาราแกรนด์ เซ็นทรัลพลาซ่าลาดพร้าว โดยได้รับพระกรุณาโปรดเกล้าโปรดกระหม่อมจากสมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารี เสด็จพระราชดำเนินทรงเปิดงานอีกด้วย

Good to Know

  • แสงซินโครตรอนสามารถใช้ในงานวิจัยขั้นพื้นฐานในการหาคุณสมบัติของอะตอม โมเลกุล และความยาวพันธะระหว่างอะตอมภายในโมเลกุลของสสาร การศึกษาการเปลี่ยนแปลงของวัสดุเมื่ออยู่ในสภาวะความดันและอุณหภูมิสูง การศึกษาคุณสมบัติบางประการของแม่เหล็ก และการศึกษาการจัดเรียงตัวของอะตอมบริเวณพื้นผิวและมลพิษที่ตกค้างในสิ่งแวดล้อมได้ดี เนื่องจากสามารถตรวจวัดสารที่มีปริมาณน้อยมาก (Trace Elements) ได้อย่างแม่นยำ
  • แสงซินโครตรอนเป็นองค์ประกอบที่สำคัญในการศึกษาโครงสร้างของสารชีวโมเลกุล ที่มีขนาดเล็กและมีโครงสร้างที่ซับซ้อน ซึ่งพบในเซลล์สิ่งมีชีวิต เช่น โปรตีน กรดนิวคลีอิก เป็นต้น ตัวอย่าง เช่น การศึกษาโครงสร้างสามมิติของโปรตีนด้วยเทคนิค Protein Crystallography  ซึ่งผลที่ได้สามารถประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมการออกแบบตัวยารักษาโรคได้ หรือการใช้เทคนิค Infrared microspectroscopy เพื่อตรวจจำแนกเซลล์ต้นกำเนิด (Stem Cell) เป็นต้น
  • การศึกษาวิจัยเพื่อพัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่ๆ หรือการปรับปรุงผลิตภัณฑ์ที่มีอยู่เดิมนั้นจำเป็นต้องมีการศึกษาในเชิงลึก โดยนำความรู้ใหม่ๆ ที่ได้มาใช้ในการเพิ่มมูลค่าในเชิงอุตสาหกรรม เนื่องจากพลังงานของแสงซินโครตรอนนั้นครอบคลุมความถี่ตั้งแต่ย่านรังสี อินฟราเรด จนถึงรังสีเอกซ์ จึงครอบคลุมการศึกษาตั้งแต่ขนาดนาโนเมตรจนถึงไมโครเมตร ซึ่งเป็นขนาดของวัสดุในระดับจุลภาคที่ได้รับการศึกษาวิจัยเป็นอย่างมาก โดยเฉพาะในการพัฒนาอุตสาหกรรมชั้นสูง

Credit: สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน), www.slri.or.th

Related Post

มาทำความรู้จักกับ “แสงซินโครตรอน” กันเถอะ