ประสบการณ์การทดลองที่ ESRF ประเทศฝรั่งเศส

Lert bio photo

By Lert

PhD student at Lund University

Reading time ~16 minutes

Lert bio photo

By Lert

PhD student at Lund University

เมื่ออาทิตย์ที่แล้วได้มีโอกาสไปทำการทดลองที่ European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) ประเทศฝรั่งเศส ก็เลยอยากจดบันทึกและเล่าถึงประสบการณ์ที่ได้ไปทำงานกับหน่วยงานวิจัยระดับโลก และพูดถึงเจ้าตัว synchrotron radiation เราได้แบ่งบทความนี้เป็น 4 หัวข้อย่อยด้วยกัน เริ่มจากการอธิบายว่าอะไรคือ synchrotron radiation, การทำงานภายใน synchrotron radiation facility, การทดลองที่เราไปทำ (เราไม่ได้ลงรายละเอียดลึกเพราะกลัวคนอ่านที่มีพื้นฐานแตกต่างกันไม่เข้าใจ แต่เราจะเล่าถึงสิ่งที่เราได้ไปทำมา), และสุดท้ายเป็นเรื่องทั่วๆไปเกี่ยวกับ ESRF สองหัวข้อแรกจะค่อนข้างวิชาการหน่อย ถ้าใครไม่ถนัดก็ข้ามไปสามและสี่ได้เลย

What is synchrotron radiation?

หลายๆ คนอาจจะไม่คุ้นกับคำว่า synchrotron radiation แต่ถ้าพูดถึงแสง X-ray อาจจะเป็นที่รู้จักกันมากกว่า ใช่แล้วแสง synchrotron ก็คือแสง X-ray เนี่ยแหละ แต่ว่ามันมีพลังงานที่มากกว่าแสง X-ray ที่ใช้กันในทางการแพทย์หลายเท่า โดยศัพท์ในวงการจะเรียกแสงนี้อีกอย่างว่า “hard” X-ray พลังงานที่สูงของแสง X-ray ตัวนี้สามารถที่จะเปลี่ยนวัตถุในสถานะปกติให้กลายเป็นวัตถุกัมมันตภาพรังสี (radioactive material) ได้เลยทีเดียว นอกจากนั้นแล้วความยาวคลื่นของแสง X-ray นั้นก็เทียบได้กับขนาดของ atom อนุภาคขั้นพื้นฐานของสิ่งต่างๆรอบตัวเรา ดังนั้นแล้วเจ้าแสง hard X-ray นี้จึงถูกใช้อย่างแพร่หลายในการศึกษาวิจัยวิทยาศาสตร์แขนงต่างๆ ไม่ว่าจะเป็น เคมี, ชีวะ, วัสดุศาสตร์ (material science), อุปกรณ์ออปโตอิเล็คทรอนิค (Optoelectronic devices) และอื่นๆ อีกมากมาย อาจารย์ที่ปรึกษาเราเล่าว่าบางครั้งก็มีการนำดาวเทียมมาทดสอบด้วยแสง synchrotron ก่อนที่จะปล่อยขึ้นไปโคจรรอบโลกเพื่อการศึกษาทางด้านดาราศาสตร์ ทั้งนี้เพราะว่าในอวกาศนอกจากแสงสว่างจากดวงดาวที่เรามองเห็นแล้วก็ยังมีแสง synchrotron ที่สามารถใช้เพื่อระบุถึงหลุมดำ (black hole) ได้อีกด้วย

ถึงจุดนี้หลายๆ คนคงอยากรู้แล้วซิว่าไอ้เจ้าแสง synchrotron มันเกิดขึ้นมาได้อย่างไร ขั้นแรกเราจะต้องมีอนุภาค electron ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วระดับหนึ่งก่อน ด้วยหลักการของ electromagnetic การหักเหเส้นทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคจะทำให้เกิดพลังงานในรูปแบบของแสงที่เรียกว่าแสง synchrotron หลักการเดียวกันเกิดขึ้นกับดวงดาวหรือหลุมดำในอวกาศ เมื่ออนุภาคที่เดินทางในอวกาศถูกแรงดึงดูดของดวงดาวและหลุมดำหักเหเส้นทางของมันก่อให้เกิดแสง synchrotron ขึ้น และนี่คือเหตุผลที่มีการนำดาวเทียมมาทดสอบตามที่บอกไปข้างต้น หลักการง่ายๆ นี้มีความซับซ้อนมากขึ้น เพื่อที่จะควบคุมให้แสงที่ออกมานั้นมีพลังงานและรูปแบบอย่างที่เราต้องการต่อการนำไปใช้ศึกษาสิ่งต่างๆ

แล้วเราทำการหักเหเส้นทางของอนุภาค electron ได้อย่างไรบนพื้นผิวโลก คำตอบคือการใช้สนามแม่เหล็กนั่นเอง สำหรับผู้ที่มีความคุ้นเคยกับฟิสิกส์ในระดับชั้นมัธยมปลายน่าจะพอจำได้ว่าเมื่อ electron เดินทางผ่านสนามแม่เหล็กจะมีแรงที่เรียกว่า Lorentz force มากระทำต่ออนุภาค electron และด้วยแรงชนิดนี้เราจึงสามารถควบคุมการหักเหเส้นทางของ electron และทำให้เกิดแสง synchrotron ได้ สนามแม่เหล็กที่มีค่าแม่เหล็กคงที่ (homogeneous magnetic field) เป็นอุปกรณ์ที่ถูกใช้ในยุคแรกๆ ของ synchrotron radiation source แต่ในปัจจุบันสนามแม่เหล็กแบบสลับขั้ว (periodic magnetic field) ได้ถูกนำมาใช้เพื่อประสิทธิภาพในการผลิตแสง synchrotron ที่มีคุณสมบัติจำเพาะมากขึ้น

ภายในอาคารที่เป็นวงแหวนขนาดใหญ่ โดยมี storage ring อยู่ภายในสุดของวงแหวน

อุปกรณ์แม่เหล็กข้างต้นนี้เรียกรวมๆ ว่า Insertion device ซึ่งเป็นหนึ่งในสามอุปกรณ์หลักใน synchrotron radiation source ทั่วๆ ไป โดยอีกสองอุปกรณ์หลักนั้นมีความเกี่ยวเนื่องกับอนุภาค electron โดยตรง อุปกรณ์ชิ้นแรกคือ Accelerator หรือเครื่องเร่งอนุภาค โดยเจ้าเครื่องเร่งอนุภาคนี้จะทำการผลิต electron ขึ้นและเร่งความเร็วของอนุภาค electron เพื่อให้ได้พลังงานจลน์ในระดับที่ต้องการ พลังงานจลน์ของ electron ที่ได้แปรผันกับพลังงานและความสว่างของแสง synchrotron ที่จะเกิดขึ้น ในส่วนของอุปกรณ์ชิ้นสุดท้ายคือ Storage ring หรือวงแหวนสำหรับกักเก็บอนุภาค electron อนุภาค electron จากเครื่อง accelerator จะถูกเก็บอยู่ภายในวงแหวนเป็นระยะเวลาหนึ่งๆเพื่อให้สามารถนำไปใช้สร้างแสง synchrotron ได้อย่างต่อเนื่อง และเพื่อให้สามารถกักเก็บอนุภาค electron ที่ถูกเร่งแล้วนั้นให้ได้ระดับพลังงานที่คงที่ในระยะเวลาหนึ่งๆ วงแหวนจึงต้องมีขนาดใหญ่ และนี้ก็เป็นหนึ่งในเอกลักษณ์ของ synchrotron radiation source ที่เป็นอาคารวงแหวนขนาดใหญ่ แต่อย่าพึ่งสับสนกับวงแหวนของ CERN เครื่องเร่งอนุภาคขนาดมหึมาซึ่งมีวัตถุประสงค์ต่างกันโดยสิ้นเชิง

แผนภาพของ synchrotron radiation source 1-3 คือ accelerator, 4 คือ storage ring, และ 5-6 beamline. (Cr: https://www.sni-portal.de/kfs/Infos/Quellen/synchrotronradiationsource.php)

Synchrotron radiation facility

คำอธิบายข้างต้นก็น่าจะทำให้ทุกคนได้รู้จักกับ synchrotron radiation กันมากขึ้นแล้ว หวังว่าจะยังไม่เลิกอ่านไปก่อนนะ ในส่วนนี้เราจะมาพูดถึงการทำงานภายใน synchrotron radiation facility

จะขอย้อนกลับไปขยายความในส่วนของวงแหวน storage ring และ insertion device สักนิดนึงก่อน อุปกรณ์ insertion device ไม่ได้มีเพียงแค่หนึ่งเดียวแต่หากมันได้ถูกติดตั้งกระจายอยู่ทั่วทั้ง storage ring ของ synchrotron radiation source ตามรูปทางด้านซ้าย นั่นหมายความว่ายิ่งขนาดของ storage ring กว้างเท่าไหร่ก็จะสามารถมีพื้นที่ให้ใส่เจ้า insertion device เข้าไปได้เยอะเท่านั้น โดยลำแสงที่ออกมาจาก insertion device นั้นเราจะเรียกว่า beamline ที่ ESRF นั้นจะมีทั้งหมด 33 beamlines แต่ละ beamline ก็จะมีการตั้งค่าและมีอุปกรณ์ต่างๆที่แตกต่างกันออกไปสำหรับงานทดลองด้านต่างๆ

โดยการทำงานภายใน beamline จะแบ่งเป็นสัดส่วนที่ชัดเจน เพื่อแยกระหว่างส่วนที่ผู้ใช้งานปฏิบัติงาน (Control room) และส่วนที่มีลำแสงออกมา (Experimental hatch) ตามที่กล่าวไว้ข้างต้นว่าแสง synchrotron นั้นค่อนข้างอันตรายเนื่องจากมีพลังงานที่สูงและอำนาจการทะลุทะลวงมหาศาล พื้นที่ของ Experimental hatch นั้นจึงต้องถูกสร้างมาอย่างดีเพื่อป้องกันการเล็ดลอดของลำแสงออกมา ภายในคร่าวๆก็จะประกอบไปด้วยชุด optic และ filter ต่างๆเพื่อโฟกัสแสงและลดทอนความเข้มข้นของแสง synchrotron และสิ่งที่ขาดไม่ได้ภายใน Experimental hatch ก็คือฐานวางตัวอย่าง (Sample holder) สำหรับการทดลอง เจ้าตัวฐานวางนี้ก็ขึ้นอยู่กับตัวอย่างหรือรูปแบบการทดลองที่เราจะทำ ในส่วนของการทดลอง ฐานวางที่ใช้จะมีมอเตอร์เพื่อทำการเคลื่อนตัวอย่างไปในทิศทางต่างๆ กลับมาทางด้าน Control room ก็จะไม่มีอะไรมากไปกว่าคอมพิวเตอร์เพื่อใช้ควบคุมอุปกรณ์ต่างๆภายใน Experimental hatch

โต๊ะทำงานสำหรับใช้คอมพิวเตอร์ควบคุมการทดลองภายใน hatch และประตูเพื่อเข้าไปใน experiment hatch
ท่อขนาดยาวที่ภายในมีลำแสง synchrotron อยู่ ท่อนี้เป็นส่วนหนึ่งของ beamline ที่เราไปทดลองต่อเชื่อมระหว่าง insertion device กับ experimental hatch

Experiments at synchrotron radiation source

เกริ่นนำไปด้วยเนื้อหาที่ค่อนข้างจะวิชาการไปซะเยอะแล้ว เรามาเล่าอะไรที่เบาๆ ลงหน่อยละกัน ว่าด้วยเรื่องของการไปทำการทดลอง ในหัวข้อนี้เราจะมาเล่าว่าเราได้ทำอะไรไปบ้างระหว่างที่ไปทดลองที่โน้น

การจะไปทำการทดลองที่ synchrotron radiation source ไม่ว่าจะที่ไหนๆ ก็ตามจะต้องเริ่มด้วยการยื่นหัวข้อและรูปแบบการทดลองที่จะทำที่ beamline นั้นๆ เพื่อให้ทางผู้ดูแลอนุมัติการทดลองก่อน ในส่วนนี้เนื่องจากหัวข้อที่เราทำเป็นงานที่ต่อเนื่องมาจากงานที่อาจารย์ที่ปรึกษาเราได้ทำไว้ เขาเลยเป็นคนยื่นหัวข้อไปให้ทาง ESRF ได้พิจารณาและอนุมัติให้เราไปทำการทดลองได้ นอกจากนี้ก็ถือว่าเป็นความโชคดีของเราที่ได้เวลาจาก beamline ที่อาจารย์เราทำการทดลองลักษณะคล้ายๆ กันเมื่อปีก่อนเลยทำให้การทดลองมีความสะดวกขึ้นระดับหนึ่ง หากมีโอกาสก็คาดหวังว่าจะได้ยื่นหัวข้อการทดลองด้วยตัวเองก่อนจบ ป.เอก นี้ดูเหมือนกัน

หลังจากที่เราได้รับการอนุมัติเรื่องการทดลองแล้ว ทาง ESRF ก็จะบอกว่าเราได้ทำการทดลองที่ beamline ไหนและวันเวลา (beamtime) สำหรับการทดลองของเราว่าเมื่อไหร่ เรามีเวลาสำหรับเตรียมตัวเพื่อ beamtime นี้ตั้งแต่ต้นปี ดังนั้นแล้วตลอดระยะเวลา 5 เดือนที่ผ่านมา เราเลยใช้เวลานี้เพื่อที่จะเตรียมตัวอย่าง (sample) สำหรับการทดลองและทำความเข้าใจหลักการของการทดลองรวมทั้งตรวจสอบปัญหาของการทดลองที่ผ่านมาเพื่อไม่ให้เกิดขึ้นในครั้งนี้อีก เนื่องจากนี่เป็นการทดลองครั้งแรกสำหรับเรา เราค่อนข้างที่จะกดดันและตื่นเต้นเพราะหากมีความผิดพลาดเกิดขึ้นกับการทดลอง เราก็จะต้องรอไปจนกว่าจะได้ beamtime ครั้งต่อไปเลยทีเดียว

พอถึงเวลาจริง มีปัญหาเล็กน้อยกับตัว beamline แต่ก็เป็นปัญหาที่คนดูแล beamline เกือบจะยกเลิกการทดลองของเราเลยทีเดียว แต่โชคดีที่เขาสามารถแก้ปัญหาได้หนึ่งวันก่อนที่ beamtime ของเราจะเริ่ม อย่างที่เราได้บอกไว้ว่าแสงที่ออกมาจากแต่ละ beamline จะถูกตั้งไว้เพื่อให้เหมาะสมกับการทดลองนั้นๆ ปัญหาที่เกิดขึ้นดังกล่าวก็เกี่ยวกับการตั้งค่าเหล่านั้นนั่นแหละ

การทำงานของเครื่อง synchrotron radiation source นั้นจะทำงานอย่างต่อเนื่อง 24 ชั่วโมงต่อวัน 6 วันต่อสัปดาห์ โดยจะมีหนึ่งวันที่เรียกว่า “machine day” เพื่อทำการซ่อมบำรุงอุปกรณ์ต่างๆของ beamline เพื่อที่จะทำให้ beamtime ของเรานั้นถูกใช้อย่างคุ้มค่าที่สุด เราเลยต้องทำงานกัน 24 ชั่วโมงเช่นกัน โดยในกลุ่มที่ไปนั้นมีทั้งหมด 4 คน มีเรา อาจารย์ที่ปรึกษา นักเรียน ป.เอก ของอาจารย์ที่ปรึกษาอีกคนแต่เขาทำคนละหัวข้อกับเรา แล้วก็นักเรียน ป.เอก ที่มาช่วยอาจารย์เราปีที่แล้ว อาจารย์เราเห็นว่าการทดลองนี้เป็นของเราโดยตรง นอกจากเรากับอาจารย์แล้วอีกสองคนที่เหลือไม่ได้เข้าใจเรื่องการทดลองและตัวอย่างที่จะทดลองทั้งหมด อาจารย์เลยให้เราอยู่กะดึก ในตอนแรกเราไม่ได้รู้สึกอะไรกับการเข้ากะดึกเพราะสมัยทำงานก็เห็นพี่ๆ ที่โรงงานเข้ากะดึกกันจนชิน แต่พอมาเจอกับตัววันแรกๆ ก็ทรมานอยู่เหมือนกันเพราะยังไม่สามารถปรับตัวได้ แต่พอผ่านไปได้สองคืนคืนที่เหลือเราก็สามารถทำงานได้อย่างเต็มที่ ถึงจุดนี้แล้วเราลืมบอกไปว่า beamtime ที่เราได้นั้นเริ่มตั้งแต่ 8 โมงเช้าวันที่ 15 มิ.ย. ถึง 8 โมงเช้าวันที่ 19 มิ.ย. รวมแล้วคือ 4 วัน 4 คืน

เราไม่ขอลงลึกเรื่องการทดลองละกันเพราะคงต้องอธิบายกันอีกยาวและก็ต้องลงรายละเอียดวิชาการที่เยอะกว่านี้ แต่หลักๆ สิ่งที่ทำในแต่ละกะคือการใช้คอมพิวเตอร์เพื่อควบคุมการปล่อยแสง synchrotron ไปที่ตัวอย่าง ส่วนมากจะเป็นการสแกนตัวอย่างที่การตั้งค่าต่างๆ กันด้วยแสง synchrotron แล้วก็เก็บข้อมูล โดยข้อมูลที่เราได้จากการทดลองนี้มีขนาดใหญ่ถึง 24 Gb เลยทีเดียว โดยรวมแล้วการทดลองนี้ถือว่าประสบความสำเร็จเป็นที่น่าพอใจ ส่วนข้อมูลที่ได้จะมีประโยชน์มากน้อยแค่ไหนก็ต้องกลับมานั่งวิเคราะห์กันต่อไป

อื่นๆ

สุดท้ายนี้เราก็จะขอเขียนสิ่งที่น่าสนใจทั่วๆ ไปเกี่ยวกับ ESRF อีกซักหน่อยเพื่อเป็นความรู้แก่สาธารณชน

ESRF ตั้งอยู่ปลายสุดของแม่น้ำในรูป

ESRF นั้นตั้งอยู่ที่เมือง Grenoble ประเทศฝรั่งเศส บริเวณพื้นที่ตั้งอยู่ตรงสามเหลี่ยมปากแม่น้ำที่มีแม่น้ำ
Isère และ Le Drac ไหลมาบรรจบกัน นอกจากนั้นแล้วที่ตั้งดังกล่าวยังอยู่ในบริเวณเปลือกโลกยุบตัวจากการชนกันของแผ่นเปลือกโลก Africa และ Europe อีกด้วย เป็นจุดเริ่มต้นของเทือกเขา Alps ทางด้านตะวันตก จึงทำให้มีลักษณะภูมิประเทศแบบภูเขาแปลกตาอย่างที่แสดงในรูป

นอกจากนี้ภายในพื้นที่เดียวกันกับ ESRF ยังมี neutron source ILL (Institut Laue-Langevin) Neutron source นี้ใช้กระบวนการทางนิวเคลียร์เพื่อผลิตอนุภาค neutron สำหรับการทดลองรูปแบบคล้ายๆ กับ hard X-ray แต่ด้วยคุณสมบัติที่แตกต่างกัน จึงมีความเหมาะสมในการใช้ศึกษาวิจัยคนละด้านกับ hard X-ray โดย neutron source แห่งนี้ถือได้ว่าเป็น Nuclear plant ที่อยู่ใกล้แหล่งชุมชนหนาแน่นมากแห่งหนึ่งในโลกก็ว่าได้ หากมีเวลาในอนาคตเราก็อยากจะเขียนเปรียบเทียบความแตกต่างระหว่าง Neutron และ X-ray เหมือนกัน

สุดท้ายนี้ก็ขอ tied in กลับไปที่มหาลัยตัวเองหน่อย ในอนาคตอันใกล้นี้ Lund ก็จะมีทั้งสอง source อยู่ในการดูแลแล้วนะครับ สำหรับ synchrotron radiation source คือ MAXIV และ neutron source คือ ESS (European spallation source) โดย MAXIV ได้ก่อสร้างแล้วเสร็จและเริ่มเดินเครื่องมาตั้งแต่ปลายเดือนกรกฎาคม ปี ค.ศ.2016 ในส่วนของ ESS นั้นกำลังอยู่ในขั้นตอนการก่อสร้างมีกำหนดแล้วเสร็จราวๆ ปี ค.ศ.2020 (อันนี้ไม่ค่อยแน่ใจนะครับ) ESS มีกระบวนการสร้าง neutron คนละแบบกับของ ILL ดังนั้นแล้วจึงไม่น่ากลัวเหมือนที่ ILL โดยหลังจากทั้งสอง facility นั้นสร้างแล้วเสร็จทางประเทศสวีเดนและมหาวิทยาลัย Lund มีความตั้งใจจะตั้งให้พื้นที่โดยรอบ MAXIV และ ESS เป็นศูนย์กลางการวิจัยวิทยาศาสตร์ของกลุ่มประเทศ Scandinavia เลยทีเดียว นอกจากนี้การมาของ MAXIV และเทคโนโลยีการสร้างแสง synchrotron แบบใหม่ ทาง ESRF จึงมีแผนที่จะปิดปรับปรุงเพื่อ upgrade ภายในปี 2018 จนถึงปี 2019

Nuclear plant ที่ใช้เป็น neutron source หน้าตาคล้ายๆ แทงค์น้ำด้านหลัง

เราหวังว่าคนที่อ่านจะได้รับความรู้และประสบการณ์เกี่ยวกับเรื่อง Synchrotron ไปไม่มากก็น้อย beamtime ต่อไปของเราคือที่ MAXIV อาทิตย์หน้า และ PETRAIII (Germany) เดือนกันยายน ไว้มีอะไรดีๆ แล้วจะมาเขียนให้อ่านกันอีกครับ

ขอบคุณที่เข้ามาอ่านครับ ^^

จบ.