ดร.ประยูร ส่งสิริฤทธิกุล
สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)

แสง (Light) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Wave) ที่มีความสำคัญยิ่งต่อวงการวิทยาศาสตร์ที่จะนำไปสู่การพัฒนาชีวิตและความเป็นอยู่ของมนุษย์ที่ดีขึ้น แสงเป็นกุญแจที่สำคัญที่ทำให้เราเห็นภาพหรือเข้าใจสิ่งต่าง ๆ ในธรรมชาติ ไม่ว่าสิ่งนั้นเป็นวัตถุที่มีขนาดเล็ก เช่น อะตอม โมเลกุล ไปจนถึงสิ่งที่มีขนาดใหญ่อย่างเช่นจักรวาล แสงมีคุณสมบัติทวิภาค นั่นคือแสงมีคุณสมบัติที่เป็นได้ทั้งอนุภาคและคลื่น

กรณีที่แสงถูกพิจารณาว่าเป็นอนุภาคนั้น แสงคือกลุ่มของอนุภาคที่ไม่มีมวลเรียกว่าโฟตอน (Photon) พลังงานของโฟตอน (E) และความถี่ของคลื่นแสง () มีความสัมพันธ์กันตามสมการ E=h นั่นคือโฟตอนแต่ละตัวมีพลังงานเท่ากับค่าความถี่ของคลื่นแสงคูณกับค่าคงที่ของแพลงค์ () ความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานโฟตอนในหน่วยของ eV และความยาวคลื่นในหน่วยของ nm สามารถหาได้จากสมการดังต่อไปนี้

แสงมีชื่อเรียกแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับว่าแสงนั้นอยู่ในช่วงความถี่หรือช่วงความยาวคลื่นใด แสงที่เป็นที่รู้จักคุ้นเคยได้แก่ คลื่นวิทยุ (Radio Wave) คลื่นไมโครเวฟ (Microwaves) อินฟราเรดหรือแสงใต้แดง (Infrared) แสงที่มนุษย์มองเห็นได้ (Visible Light) อัลตราไวโอเลตหรือแสงเหนือม่วง (Ultraviolet) อัลตราไวโอเลตสุญญากาศ (Vacuum Ultraviolet หรือ VUV) รังสีเอกซ์พลังงานต่ำ (Soft X-rays) รังสีเอกซ์พลังงานสูง (Hard X-rays) และรังสีแกมมา (Gamma Rays)

แสงที่มีความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน จะมีความสามารถในการตรวจวัดวัตถุที่มีขนาดแตกต่างกัน แสงที่มีความยาวคลื่นยิ่งสั้น ก็ยิ่งมีความสามารถที่จะตรวจวัดหรือตรวจวิเคราะห์วัตถุที่มีขนาดยิ่งเล็ก ดังนั้นแสงในแต่ละช่วงความยาวคลื่นจึงถูกนำไปใช้ประโยชน์แตกต่างกันออกไป การที่แสงซินโครตรอนมีสเปกตรัมที่กว้างนี้ทำให้สเปกตรัมการใช้ประโยชน์กว้างตามไปด้วย

แหล่งกำเนิดของแสงมีหลากหลายชนิดด้วยกัน แหล่งกำเนิดของแสงแต่ละชนิดผลิตแสงต่างชนิดกันหรืออาจผลิตแสงชนิดเดียวกันแต่มีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน เช่น ความเข้มและความคม เป็นต้น แสงที่เราเกี่ยวข้องในชีวิตประจำวันส่วนมากแล้วเกิดจากการเปลี่ยนระดับชั้นพลังงานของอิเล็กตรอนของอะตอมในสสารที่ถูกกระตุ้น จากระดับชั้นพลังงานที่สูงกว่าลงมายังระดับชั้นพลังงานที่ต่ำกว่า

การเปลี่ยนระดับชั้นพลังงานดังกล่าวทำให้มีการปลดปล่อยพลังงานออกมาซึ่งอยู่ในรูปแบบของแสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า พลังงานของแสงที่ถูกปลดปล่อยออกมามีค่าเท่ากับค่าความแตกต่างของพลังงานของระดับชั้นพลังงานทั้งสองนั่นเอง ตัวอย่างของแสงที่เกิดขึ้นโดยหลักการดังกล่าว ได้แก่ แสงจากหลอดส่องสว่าง และรังสีเอกซ์ที่ใช้ในโรงพยาบาลทั่วไป เป็นต้น

นอกเหนือจากหลักการผลิตแสงที่กล่าวมา แสงสามารถเกิดขึ้นได้เมื่ออนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่โดยมีความเร่ง ตัวอย่างเช่น คลื่นวิทยุจากเสาอากาศของเครื่องส่งวิทยุ หรือคลื่นไมโครเวฟจากเสาอากาศของโทรศัพท์มือถือ ซึ่งเป็นแสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่ปลดปล่อยออกมาจากการที่อิเล็กตรอนในเสาอากาศมีการเคลื่อนที่กลับไป-มาในเสาอากาศ

การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนดังกล่าวถูกขับโดยสนามไฟฟ้า ที่ขับมาจากภาคส่งสัญญาณของเครื่องส่งหรือมือถือ เนื่องจากอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ในเสาอากาศยังไม่มีความเร็วมากพอเมื่อเทียบความเร็วแสง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปลดปล่อยออกมาจากอนุภาคดังกล่าวจะมีการกระจายออกมาทุกทิศทาง

ในกรณีที่ประจุนั้นมีมวลน้อยมากที่ถูกเร่งให้มีพลังงานสูง อย่างเช่น อิเล็กตรอน (Electron) หรือโพสิตรอน (Positron) ที่เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วใกล้อัตราเร็วของแสง และมีความเร่ง (เข้าสู่ศูนย์กลาง) โดยการถูกบังคับให้เคลื่อนที่ในแนวโค้งก็จะเกิดการปลดปล่อยพลังงานในรูปแบบของแสง แสงที่เกิดขึ้นโดยหลักการดังกล่าวเรียกว่า แสงซินโครตรอน ในบรรดาแหล่งกำเนิดแสงทั้งหลาย เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเป็นแหล่งกำเนิดแสงเพียงชนิดเดียว ที่สามารถผลิตแสงที่มีช่วงความยาวคลื่นที่กว้างครอบคลุมตั้งแต่ย่านอินฟราเรดไปจนถึงย่านรังสีเอกซ์

การใช้ประโยชน์แสงซินโครตรอนนั้น จำเป็นต้องอาศัยระบบลำเลียงแสงซินโครตรอน หรือที่เรียกกันโดยสั้น ๆ ว่าระบบลำเลียงแสง (ชื่อเต็มในภาษาอังกฤษเรียกว่า Synchrotron Light/Radiation Beamline โดยทั่วไปเรียกว่าเรียกว่า Beamline) ระบบลำเลียงแสงมีหน้าที่หลักคือ ลำเลียง และคัดเลือกแสงที่มีคุณสมบัติที่ต้องการไปใช้ประโยชน์จากเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน ไปยังในสถานีทดลองที่ติดตั้งบริเวณปลายของระบบลำเลียงแสง

คุณสมบัติของแสงที่ต้องการใช้ประโยชน์เป็นปัจจัยสำคัญ ที่ทำให้แบบของระบบลำเลียงแสงมีความแตกต่างกัน คุณสมบัติของแสงดังกล่าวได้แก่ ช่วงพลังงานโฟตอนหรือช่วงความยาวคลื่น ความสามารถในการแยกแยะพลังงานโฟตอนหรือความยาวคลื่น ขนาด ความลู่คมของลำแสง และโพลาไรเซชัน

การที่จะใช้ประโยชน์แสงซินโครตรอนนั้น นอกจากจะต้องมีความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับเครื่องมือหรืออุปกรณ์การวัดที่มีอยู่ในสถานีทดลอง การที่มีความรู้และความเข้าใจเกี่ยวกับระบบลำเลียงแสง จะช่วยทำให้ผู้ใช้สามารถใช้ระบบลำเลียงแสงเพื่อให้ได้แสงที่มีประสิทธิภาพ และมีคุณสมบัติเหมาะสมที่สุดกับการวัดหรือการทดลองที่จะนำไปสู่การได้ข้อมูลที่ดี

เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน

รูปที่ 1 ภาพถ่ายแสดงแสงซินโครตรอนที่ปลดปล่อยออกมาจากเครื่องเร่งอนุภาคซินโครตรอน (Synchrotron) ขนาด 70 MeV ของบริษัท General Electric (USA) ในปี ค.ศ. 1947

แสงซินโครตรอนที่มนุษย์สังเกตเห็นเป็นครั้งแรกในห้องปฏิบัติการ เป็นแสงที่ปลดปล่อยออกมาจากเครื่องเร่งอนุภาคซินโครตรอน (Synchrotron) ในห้องปฏิบัติการของบริษัท General Electric ในปี ค.ศ. 1947 ดังแสดงในรูปที่ 1 ต่อมาในช่วงต้นทศวรรษ 1960 ได้เริ่มมีการใช้ประโยชน์แสงซินโครตรอนในระยะแรกเริ่มนั้น มีเพียงกลุ่มเล็ก ๆ ของนักฟิสิกส์ทางด้านฟิสิกส์ของของแข็ง (Solid State Physics) เท่านั้น

การใช้ประโยชน์แสงซินโครตรอนในยุคนั้นเป็นไปในลักษณะของโหมดการใช้แบบปรสิต โดยอาศัยแสงซินโครตรอนจากเครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูงซึ่งใช้สำหรับการค้นคว้าทางด้านฟิสิกส์นิวเคลียร์ หรือด้านฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐาน

เราเรียกเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนที่ใช้งานในยุคนั้นว่าเป็น เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนรุ่นที่ 1 (First Generation Light Source) ผลงานวิจัยของผู้บุกเบิกได้แสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติที่เด่นของแสงซินโครตรอน จนกระทั่งเป็นที่ยอมรับคุณประโยชน์ของแสงซินโครตอนต่องานวิจัย

ในกลางทศวรรษ 1970 จึงมีการออกแบบและสร้างเครื่องเร่งอนุภาคเพื่อการใช้ประโยชน์แสงซินโครตรอนโดยเฉพาะ ซึ่งถูกเรียกว่าเป็น เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนรุ่นที่ 2 (Second Generation Light Source) โครงสร้างและการผลิตแสงซินโครตรอนของเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนรุ่นนี้ ยังคงรูปแบบเดิมเช่นเดียวกันกับเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนรุ่นที่ 1 คือมีส่วนหลักคือวงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอน โดยแสงซินโครตรอนถูกปลดปล่อยอกมาจากบริเวณแม่เหล็กสองขั้ว

การที่มีเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนยุคนี้ ทำให้มีการขยายขอบเขตการใช้ประโยชน์แสงซินโครตรอนครอบคลุมหลากหลายสาขา โดยมีการนำแสงซินโครตรอนไปใช้ในงานวิจัยและพัฒนาทั้งทางด้านวิทยาศาสตร์กายภาพ วิทยาศาสตร์ชีวภาพ ตลอดจนในขั้นตอนขบวนการผลิตในอุตสาหกรรม ทำให้มีความต้องการแหล่งกำเนิดแสงที่มีศักยภาพที่ดียิ่งขึ้น และนำไปสู่การออกแบบและสร้าง เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนรุ่นที่ 3

โดยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนรุ่นนี้มีการติดตั้งอุปกรณ์แทรก (Insertion Devices) ซึ่งอาจจะเป็นวิกเกลอร์ (Wiggler) เพื่อผลิตแสงซินโครตรอนที่มีสเปกตรัมที่กว้างกว่า หรืออันดูเลเตอร์ (Undulator) เพื่อผลิตแสงซินโครตรอนที่มีความสว่างจ้าที่สูงกว่าแสงที่ผลิตได้จากเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนรุ่นที่ 1 และ 2 เงื่อนไขที่สำคัญที่จะสามารถติดตั้งอุปกรณ์แทรกในวงแหวนกักเก็บ คือความเสถียรภาพของวงโคจรของอนุภาคในวงแหวนกักเก็บ และขนาดของลำอนุภาคจะต้องมีขนาดที่เล็กและมีความลู่คมสูง

ปัจจุบันยังมีพัฒนาการต่อเนื่องในการสร้าง เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนรุ่นที่ 4 เป็นที่รู้จักในชื่อเรียกว่า เลเซอร์จากอิเล็กตรอนอิสระ (มีชื่อย่อคือ FEL มาจาก Free Electron Laser) แสงที่ผลิตได้มีความเข้มสูงมาก และที่สำคัญคือว่า FEL สามารถผลิตแสงที่มีความถี่ที่ต้องการได้
เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนทั่วโลกที่ใช้งานอยู่ ณ ปัจจุบันเกือบทั้งหมดอยู่ในรุ่นที่ 3 ซึ่งจะมีอยู่มากในแถบประเทศที่พัฒนาแล้วได้แก่

อเมริกา ยุโรป และประเทศญี่ปุ่น รายชื่อและข้อมูลของเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนทั่วโลกสรุปในตารางที่ 1 (ข้อมูลล่าสุดเกี่ยวกับเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนล่าสุดผ่านเว็บไซต์ htpp://www.lightsources.org) ถึงแม้ว่าจำนวนเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนทั่วโลกจะมีถึง 70 กว่าเครื่องแล้ว แต่ยังไม่สามารถสนองความต้องการของผู้ที่ต้องการใช้ประโยชน์แสงซินโครตรอนได้อย่างเพียงพอ จึงมีการสร้างเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ

ยกตัวอย่างประเทศที่มีขนาดเล็กเช่น ประเทศสวีเดนที่กำลังมีการเสนอขอสร้างเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเครื่องที่ 4 (ชื่อ Max IV) และประเทศไต้หวันกำลังสร้างเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเครื่องที่ 2 (ชื่อ Taiwan Light Source) สำหรับประเทศไทย เครื่องกำเนิดแสงสยามเป็นเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเครื่องแรกและเครื่องเดียว เครื่องกำเนิดแสงสยามเป็นเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเครื่องแรกของโลก ที่มีการกำเนิดที่แตกต่างไปจากเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนที่มีอยู่ทั่วโลก

ทั้งนี้เป็นครั้งแรกของวงการวิทยาศาสตร์ที่มีการเคลื่อนย้ายเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนจากแหล่งหนึ่งไปยังอีกแหล่งหนึ่ง โดยเครื่องกำเนิดแสงสยามเป็นเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน ที่ปรับแต่งจากเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนที่ได้รับบริจาคจากกลุ่มบริษัท ซอร์เทค (SORTEC Cooperation) ประเทศญี่ปุ่น การปรับแต่งเครื่องฯ ทำให้เครื่องกำเนิดแสงสยามมีความแตกต่างจากเครื่องฯเดิมที่ได้รับบริจาค ในการออกแบบปรับแต่งเครื่องฯนั้นเน้นการเพิ่มประโยชน์การใช้งานแสงซินโครตรอน

โดยได้ได้ยึดหลักเกณฑ์ที่สำคัญสองประการคือ (1) อุปกรณ์หรือชิ้นส่วนที่ต้องสร้างเพิ่มเติมต้องมีจำนวนน้อยที่สุด (2) เครื่องกำเนิดแสงสยามจะต้องมีความสามารถที่ผลิตแสงซินโครตรอนหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีช่วงพลังงานที่กว้างขึ้น ความเข้มที่สูงขึ้น และมีความคมมากกว่าเดิม เพื่อที่จะนำไปใช้ประโยชน์ในงานวิจัยและพัฒนาหลายสาขา  

อาทิเช่น งานวิจัยพื้นฐานทั้งทางด้านกายภาพและชีวภาพ ตลอดจนการประยุกต์ทางด้านการแพทย์ เภสัชกรรม และอุตสาหกรรม เครื่องฯเดิมนั้นได้ถูกสร้างขึ้นเพื่อใช้งานอย่างเดียวคืองานวิจัยทางด้านไมโครลิโธกราฟี (Microlithography) ซึ่งเป็นงานเกี่ยวกับการสร้างลายวงจรอิเล็กทรอนิกส์บนแผ่นผลึกบางของซิลิกอน (Silicon Wafer) 

หมายเหตุ :  เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนที่ไม่ได้ระบุพลังงานเป็นแหล่งกำเนิดแสงในรุ่นที่ 4 นั่นคือ Free Electron Laser ส่วนเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนที่ใช้แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดในการบังคับวงโคจรแทนแม่เหล็กไฟฟ้าธรรมดาจะระบุค่าสนามแม่เหล็กตามหลังค่าพลังงานของอิเล็กตรอนในวงแหวนกักเก็บ