นนทพัทร์ อังศุชวาลวงศ์

ในปัจจุบัน ความรู้ทางด้านเทคโนโลยีและวิทยาศาสตร์เป็นสิ่งไกล้ตัวเรามากจนเราอาจมองข้ามไป แต่ถ้าเรากลับมาคิดไตร่ตรองอย่างละเอียดถี่ถ้วนแล้ว เทคโนโลยีและวิทยาศาสตร์เข้ามามีบทบาทในชีวิตประจำวันของเราโดยที่เราไม่รู้ตัว

เช่น หลอดไฟฟลูออเรสเซนต์ที่มีกันอยู่ทุกบ้าน  จากการพัฒนาทางด้านเทคโนโลยีและวิทยาศาสตร์ มนุษย์เราสามารถเปลี่ยนให้เป็นหลอดไฟฟลูออเรสเซนต์ ซึ่งไม่ต้องอาศัยไส้หลอดเรืองแสงอย่างในอดีต เพียงแต่อาศัยหลอดแก้ว ภายในหลอดสูบอากาศออกจนหมด แล้วใส่ไอปรอทไว้เล็กน้อย ผิวหลอดแก้วด้านใน ฉาบด้วยสารวาวแสง (Fluorescent Coating) ชนิดต่าง ๆ ซึ่งจะให้สีต่าง ๆ กันออกไป 

แต่กว่าจะมาเป็นหลอดไฟให้เราได้ใช้งานกันนี้ ต้องผ่านการวิจัยและทดลองกันอย่างหลากหลายรูปแบบ เพราะจะต้องนำเอาคุณสมบัติของสารแต่ละตัวมาเทียบเคียงกัน และต้องคำนึงถึงการนำไปใช้งาน ฉะนั้น การวิจัยและทดลองถือเป็นเรื่องที่สำคัญที่สามารถทำให้เราค้นพบเทคโนโลยีใหม่ ๆ หรือสามารถต่อยอดเทคโนโลยีเดิมที่มีอยู่แล้ว ให้มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น

บทความนี้จะขอนำเสนอ การวิจัยทางวิทยาศาสตร์อีกแขนงหนึ่งซึ่งน่าสนใจอย่างยิ่ง เป็นการวิจัยลำแสงซินโครตรอน ซึ่งลำแสงนี้มีประโยชน์ในแง่ของการใช้งานที่หลากหลายไม่ว่าจะเป็น ด้านยารักษาโรค, อาหาร, อุตสาหกรรมต่าง ๆ ฯลฯ 

ทั่วโลกมีการวิจัยเทคโนโลยีลำแสงซินโครตรอนเพียงไม่กี่ประเทศ และหนึ่งในนั้นก็คือประเทศไทย และนักวิจัยของไทยเองก็สามารถวิจัยและออกแบบผลิตภัณฑ์ โดยอาศัยเทคโนโลยีลำแสงซินโครตรอน และได้สร้างชื่อเสียงไปแล้วทั่วโลก เรามาทำความรู้จักกับเทคโนโลยีนี้กันดีกว่าครับ

ศูนย์ปฏิบัติการวิจัยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนแห่งชาติ (National Synchrotron Research Center) เป็นโครงการที่ได้รับอนุมัติจากรัฐบาลในปี พ.ศ.2539 ให้ดำเนินการพัฒนาเครื่องกำเนิดแสงสยาม (Siam Photon Source) ซึ่งเป็นเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนขนาด 1.0 GeV ที่ได้รับบริจาคจากบริษัทซอร์เทค (SORTEC Corporation) ประเทศญี่ปุ่น

มีจุดมุ่งหมายหลักเพื่อให้กำเนิดการถ่ายทอดเทคโนโลยีระดับสูงจากประเทศญี่ปุ่นสู่ประเทศไทย และเพื่อให้เป็นศูนย์การวิจัยกลางภายในประเทศ ในการสนับสนุนงานวิจัยทางด้านวิทยาศาสตร์พื้นฐานและวิทยาศาสตร์ประยุกต์ เช่น งานวิจัยด้านฟิสิกส์ เคมี ชีววิทยา วัสดุศาสตร์ เภสัชศาสตร์ ตลอดจนการประยุกต์ใช้งานทางด้านอุตสาหกรรม เป็นต้น

แสงซินโครตรอนคือแสงที่ได้จากเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน โดยเมื่อมีการเร่งอนุภาคที่มีประจุ เช่น อิเล็กตรอนที่มีความเร็วใกล้ความเร็วแสง และบังคับให้เคลื่อนที่ในแนววงกลมภายในสุญญากาศ อิเล็กตรอนจะสูญเสียพลังงานบางส่วนโดยการปลดปล่อยออกมาในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือแสง ที่เรียกว่า แสงซินโครตรอน   

ซึ่งเป็นแสงที่มีคุณลักษณะที่โดดเด่นหลายประการ เช่น มีความเข้มของแสงและมีความคมชัดสูงมาก อีกทั้งมีความถี่ตั้งแต่ย่านอินฟาเรดจนถึงเอกซเรย์ ทำให้สามารถเลือกช่วงความยาวคลื่นหรือพลังงานได้ตามที่ต้องการ โดยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน มีส่วนประกอบที่สำคัญ 3 ส่วน คือ

Linac นับเป็นต้นกำเนิดของลำอิเล็กตรอน ภายในระบบนี้อิเล็กตรอนจะถูกผลิต จัดกลุ่ม และถูกเร่งภายในท่อสุญญากาศจนมีพลังงานถึงค่า 40 MeV ซึ่งที่ระดับพลังงานดังกล่าวอิเล็กตรอนจะมีความเร็วสูงมาก จนมีค่าเกือบเท่าความเร็วแสงซึ่งเป็นไปตามทฤษฎีสัมพัทธภาพ

เป็นเครื่องเร่งอนุภาคที่มีลักษณะเป็นวงกลม พลังงานอิเล็กตรอนจะถูกเร่งจาก 40 MeV ให้มีพลังงานเพิ่มขึ้นเป็น 1.0 GeV

ใช้ในการกักเก็บอิเล็กตรอนพลังงานสูงประมาณ 1,000 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ โดยใช้สนามแม่เหล็กบังคับให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในแนวโค้ง

รูปที่ 1 แสดงส่วนประกอบของเครื่องกำเนิดแสงสยาม

รูปที่ 2 แสดงระบบลำเลียงแสงซินโครตรอน

รูปที่ 3 ลำแสงซินโครตรอนที่ฉายตกกระทบสารเรืองแสง

แสงซินโครตรอนสามารถใช้ในงานวิจัยพื้นฐานในการหาคุณสมบัติของอะตอม โมเลกุล และความยาวพันธะระหว่างอะตอมภายในโมเลกุลของสสาร การศึกษาการเปลี่ยนแปลงของวัสดุเมื่ออยู่ในภาวะความดันและอุณหภูมิสูง ๆ การศึกษาคุณสมบัติบางประการของแม่เหล็ก และการศึกษาการจัดเรียงตัวของอะตอมบริเวณพื้นผิวและมลพิษที่ตกค้างในสิ่งแวดล้อมได้ดี 

เนื่องจากสามารถตรวจวัดสารที่มีปริมาณน้อยมาก (Trace Elements) ได้อย่างแม่นยำ ตัวอย่างเทคนิคที่ใช้แสงซินโครตรอนในงานวิจัยด้านฟิสิกส์ เคมี และวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม ได้แก่ Atomic Spectroscopy, Molecular Spectroscopy, Solid State Spectroscopy, Photoelectron Diffraction และ Photoelectron Microscopy เป็นต้น

แสงซินโครตรอนเป็นเครื่องมือสำคัญในการศึกษาโครงสร้างของสารชีวโมเลกุลที่มีขนาดเล็กมาก และมีโครงสร้างซับซ้อน ซึ่งพบภายในเซลล์สิ่งมีชีวิต เช่น โปรตีน กรดนิวคลีอิก เป็นต้น     

การหาข้อมูลทางโครงสร้าง 3 มิติ ของสารชีวโมเลกุลด้วยเทคนิค Protein Crystallography ซึ่งผลที่ได้สามารถประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมการออกแบบตัวยาสำหรับรักษาโรคได้ และการรักษาโรค เช่น การใช้เทคนิค Coronary Angiography สำหรับตรวจวินิจฉัยหาการตีบตันของเส้นเลือดบริเวณหัวใจ เป็นต้น

แสงซินโครตรอนสามารถใช้ในขั้นตอนของกระบวนการผลิตแม่แบบสำหรับการผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่มีขนาดเล็กมาก ๆ เช่น ไมโครชิปที่ใช้ในคอมพิวเตอร์ หรือการผลิตชิ้นส่วนเครื่องจักรขนาดจิ๋ว โดยการใช้แสงซินโครตรอนร่วมกับเทคนิคที่เรียกว่า LIGA (Lithography and Galvanoplating or Electrodeposition)

เนื่องจากในขบวนการผลิตสามารถเลือกใช้แสงซินโครตรอนที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าแสงที่ใช้ในขบวนการ LIGA ทั่วไป จึงสามารถผลิตชิ้นงานที่มีขนาดเล็กมากในระดับไมครอนหรือต่ำกว่าและมีความคลาดเคลื่อนในแต่ละมิติน้อยมาก

เครื่องกำเนิดแสงสยามมีระบบลำเลียงแสง (Beamline) ได้อย่างน้อย 8 Beamline ในจำนวนดังกล่าวจะมี 1 Beamline ที่ใช้งานสำหรับการเดินเครื่อง ส่วนที่เหลือจะเป็น Beamline สำหรับการใช้ประโยชน์แสงซินโครตรอนในงานวิจัยวิทยาศาสตร์ ปัจจุบันมีสถานีทดลอง 3 สถานี ประกอบด้วย

ระบบสำหรับสถานีทดลองระบบแรก เป็นสถานีทดลองของ BL-4 สำหรับการทดลองทางด้าน Photoemission Spectroscopy อุปกรณ์และเทคนิคการวิเคราะห์ที่ถูกจัดเตรียมไว้ภายในสถานีทดลอง จะมีความเหมาะสมที่จะนำไปใช้งานวิจัยทางด้านฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ 

เช่น การศึกษาโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ของสาร การศึกษาสภาพพื้นผิว และรอยต่อระหว่างพื้นผิวของสาร การศึกษาสมบัติแม่เหล็กของแผ่นฟิล์มบางเพื่อการพัฒนาอุปกรณ์สำหรับเก็บข้อมูลที่มีความหนาแน่นสูง โดยเทคนิคการวิเคราะห์ที่สามารถใช้ได้ ณ สถานีทดลองแรก ได้แก่

• Angle-resolved Photoemission using Synchrotron Light or He Lamp
• UPS (Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy) using He Lamp
• XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) using Mg K and Al K
• AES (Auger Electron Spectroscopy)
• LEED (Low-Energy Electron Diffraction)

แสงซินโครตรอนย่านรังสีเอ็กซ์ซึ่งสร้างขึ้นด้วยระบบลำเลียงแสง BL-6 สามารถนำมาประยุกต์ใช้ในการผลิตชิ้นส่วนจุลภาคแบบ 3 มิติ สำหรับผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมซึ่งมีระบบกลไกและส่วนประกอบต่าง ๆ ที่มีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ เทคโนโลยีการผลิตโครงสร้างขนาดจิ๋วได้รับการพัฒนาในยุคเริ่มแรก เพื่อใช้สร้างวงจรไมโครอิเล็กทรอนิกส์ จนในปัจจุบันสามารถบรรจุอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในหลักร้อยล้าน ถึงพันล้านตัวลงในไมโครชิปเดียวกันได้

เนื่องจากโครงสร้างซึ่งเกิดจากเทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์มีลักษณะแบนราบ จึงเป็นข้อจำกัดในการผลิตโครงสร้างจุลภาคให้มีลักษณะ 3 มิติ ซึ่งเป็นที่ต้องการใช้อย่างมากในกลไกขนาดจิ๋วของเครื่องมือหรืออุปกรณ์เครื่องใช้สมัยใหม่ที่มีขนาดเล็ก ต้องการพลังงานน้อย มีความฉลาด และมีประสิทธิภาพ

รูปที่ 4 ระบบลำเลียงแสงซินโครตรอน NSRC BL-6 ในย่านรังสีเอ็กซ์ เพื่อการผลิตชิ้นส่วนจุลภาค

การแก้ไขข้อจำกัดดังกล่าว ทำได้ด้วยการต่อยอดเทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ โดยการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่แบนราบให้มีมิติที่ 3 หรือมีความสูงมากขึ้น ซึ่งความเปลี่ยนแปลงนี้ทำได้ยากหากมีการถ่ายทอดโครงสร้างต้นแบบไปยังชิ้นงานด้วยแสงอัลตราไวโอเลต อันเป็นวิธีการที่ปัจจุบันนี้ใช้กันอยู่ในอุตสาหกรรม

เนื่องจากแสงอัลตราไวโอเลต สามารถทะลุทะลวงเข้าไปในวัสดุไวแสงที่มีความหนาแน่นมาก ๆ ได้น้อย ปัญหานี้แก้ไขได้ด้วยการใช้แสงซินโครตรอนในย่านรังสีเอ็กซ์ ซึ่งมีอำนาจทะลุทะลวงเข้าไปในเนื้อวัสดุได้ดีแทนการใช้รังสีอัลตราไวโอเลต รังสีเอ็กซ์ที่สร้างขึ้นจากเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนมีพลังงานสูงและมีลำแสงที่เบี่ยงเบนออกด้านข้างน้อยมาก ประมาณ 0.3 องศาเท่านั้น

จึงเหมาะอย่างยิ่งในการผลิตโครงสร้างจุลภาคที่มีผนังตั้งตรง และเรียบมาก โดยมีความหยาบน้อยกว่า 200 นาโนเมตร เมื่อฉายแสงที่มีลักษณะพิเศษดังกล่าวผ่านลวดลายโลหะได้ผลลัพธ์เป็นโครงสร้างจุลภาค 3 มิติ โครงสร้างที่เกิดขึ้นสามารถใช้เป็นแม่พิมพ์สำหรับวัสดุอื่น ๆ เช่น โลหะ พลาสติก เซรามิก และยาง เป็นต้น เพื่อสร้างชิ้นส่วนจุลภาคแบบต่าง ๆ ได้หลากหลายมากขึ้น

รูปที่ 5 ต้นแบบชิ้นส่วนจุลภาค เฟืองขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 380 ไมโครเมตร สูง 200 ไมโครเมตร

รูปที่ 6 ต้นแบบชิ้นส่วนเฟืองจุลภาคเทียบกับขนาดของมด

เทคโนโลยีการผลิตชิ้นส่วนจุลภาคที่ได้พัฒนาขึ้น สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมด้านต่าง ๆ เช่น ชิ้นส่วนแขนกลและมอเตอร์ของฮาร์ดดิสก์ แผ่นระบายความร้อนขนาดจิ๋ว อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์คุณภาพสูง ไมโครวาล์ว ไมโครมิกเซอร์ อุปกรณ์จ่ายยาอัตโนมัติแบบฝังในร่างกาย เครื่องมือแพทย์เพื่อการรักษาผ่านกล้องจุลทรรศน์

เซลล์เชื้อเพลิง ตัวตรวจรู้ปริมาณกายภาพ เคมี และชีวภาพ ชิ้นส่วนหุ่นยนต์และกลไกจุลภาคสำหรับงานนาโนเทคโนโลยี และอุปกรณ์อื่นซึ่งต้องการมีอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรของวัสดุมาก ๆ

รูปที่ 7 กระบวนการผลิตชิ้นส่วนจุลภาคต้นแบบด้วยแสงซินโครตรอน

ระบบลำเลียงแสง BL-8 ทำหน้าที่ลำเลียงแสงซินโครตรอน จากวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนขนาด 1.0-1.2 GeV ไปยังสถานีทดลอง เทคนิค X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) สำหรับการวิเคราะห์สารตัวอย่างให้บริการแสงซินโครตรอนในย่านพลังงานโฟตอน (Photon Energy) ระหว่าง 1,830 eV ถึง 9,000 eV  

พลังงานโฟตอนในช่วงดังกล่าวสามารถกระตุ้นอะตอมหลายชนิดให้เกิดการดูดกลืนรังสีเอ็กซ์ได้ เช่น การกระตุ้นอิเล็กตรอนในชั้น K ของธาตุที่มีเลขอะตอมตั้งแต่ Z=14 ถึง 25 เช่น ซิลิกอน ฟอสฟอรัส ซัลเฟอร์ และอิเล็กตรอนในชั้น L และชั้น M ของธาตุที่มีเลขอะตอมสูง

ระบบลำเลียงแสง BL-8 ใช้ประโยชน์ในงานวิจัยด้วยเทคนิคการดูดกลืนรังสีเอ็กซ์ X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) เพื่อตรวจสอบพันธะเคมี สถานะออกซเดชัน และโครงสร้างโมเลกุล ซึ่งจะมีประโยชน์สำหรับงานวิจัยทางด้านเคมีวิเคราะห์ วัสดุศาสตร์ วิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม ชีววิทยาและอุตสาหกรรม

เช่น วิเคราะห์โครงสร้างของโมเลกุลสารพิษ หรือวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงของ Sulfer Crosslink ในยางรถยนต์จากการใช้งาน และการพัฒนาคุณภาพของสารเร่งปฎิกิริยา ฯลฯ

เทคนิค X-ray Absorption Spectroscopy เป็นเทคนิคการวัดและวิเคราะห์สเปกตรัมของการดูดกลืนรังสีเอ็กซ์ของตัวอย่าง สเปกตรัมที่ได้จากการทดลองเรียกว่า สเปกตรัม XAS จะมีการแสดงค่าการดูดกลืนที่เป็นฟังก์ชันของพลังงานโฟตอน ทั้งนี้สถานีทดลอง XAS ของ BL-8 ในปัจจุบันประกอบด้วยระบบวัด XAS แบบทะลุผ่านตัวอย่าง (Transmission-mode XAS)

ซึ่งเหมาะสำหรับการวัดตัวอย่างที่มีความเข้มข้นของอะตอม 10-20% ขึ้นไป ตัวอย่างที่นำมาวิเคราะห์สามารถอยู่ในรูปของของแข็งที่เป็นผง แผ่นฟิล์มบาง และของเหลวได้

โดยในอนาคตอันใกล้นี้ศูนย์ปฏิบัติการวิจัยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตอน จะมีการติดตั้งเครื่องมือและอุปกรณ์เพิ่มเติม และพร้อมที่จะเดินเครื่องอย่างเต็มกำลัง ที่จะผลิตงานวิจัยที่มีคุณภาพและสร้างชื่อเสียงให้แก่ประเทศไทยต่อไป

ห้องปฏิบัติการแสงสยาม ศูนย์ปฏิบัติการวิจัยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนแห่งชาติ ได้เปิดให้บริการแสงซินโครตรอน พร้อมทั้งอุปกรณ์และเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ทันสมัยในระดับมาตรฐานสากล เพื่อเป็นการส่งเสริมและสนับสนุนให้เกิดการร่วมใช้ประโยชน์จากแสงซินโครตรอนอย่างกว้างขวางและตรงตามความต้องการของกลุ่มนักวิจัยอย่างแท้จริง

ผู้สนใจเข้าใช้บริการแสงซินโครตรอนและเครื่องมือ สามารถสอบถามรายละเอียดได้ที่ ส่วนงานบริการผู้ใช้ (Users Office) โทรศัพท์ 0-4421-7040 ต่อ 605, 606

นอกจากนี้ ศูนย์ฯ ยังได้สนับสนุนการทำวิจัยที่ใช้ประโยชน์จากแสงซินโครตรอน รวมทั้งงานวิจัยที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีซินโครตรอนแก่นักศึกษา นักวิจัย และนักวิชาการ จากหน่วยงานวิจัย สถาบันอุดมศึกษา ทั้งภาครัฐและเอกชนทั่วประเทศ โดยจัดทุนสนับสนุนดังนี้

ทุนวิจัย
- ทุนสนับสนุนการวิจัย
- ทุนผู้ช่วยวิจัย
- ทุนวิจัยหลังปริญญาเอก

ทุนระดับบัณฑิตศึกษา
  - ระดับปริญญาโท ปีละ 5 ทุน
  - ระดับปริญญาเอก ปีละ 5 ทุน
สอบถามรายละเอียดการขอรับทุนได้ที่ งานแผนงานและพัฒนา โทรศัพท์ 0-4421-7040 ต่อ 230, 231

ที่ตั้งศูนย์ปฏิบัติการวิจัยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนแห่งชาติ (ศซ.)
111 อาคารสุรพัฒน์ 3 ถนนมหาวิทยาลัย ตำบลสุรนารี อำเภอเมือง จังหวัดนครราชสีมา 30000
โทรศัพท์ 0-4421-7040
โทรสาร 0-4421-7047, 0-4421-7040 ต่อ 211
URL: http://www.nsrc.or.th  E-mail: siampl@nsrc.or.th

ศูนย์ปฏิบัติการวิจัยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนแห่งชาติ
75/47 สำนักงานปลัดกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ถนนพระราม 6 แขวงทุ่งพญาไท
เขตราชเทวี กรุงเทพมหานคร 10400
โทรศัพท์ 0-2354-3954
โทรสาร 0-2354-3955