ดร.ประยูร ส่งสิริฤทธิกุล
สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)

ณ ปัจจุบันแสงซินโครตรอนได้ถูกนำไปใช้งานวิจัยหลายสาขาทั้งทางด้านวิทยาศาสตร์กายภาพ วิทยาศาสตร์ชีวภาพ ตลอดจนในขั้นตอนของขบวนการผลิตในอุตสาหกรรม การที่แสงซินโครตรอนเป็นที่ยอมรับว่ามีประโยชน์ยิ่งในวงการวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี เนื่องจากคุณสมบัติพิเศษของแสงซินโครตรอนที่ผลิตโดยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนได้แก่

* แสงซินโครตรอนเป็นแสงที่มีความเข้มสูงมาก (High Intensity) โดยเฉพาะอย่างยิ่งแสงที่ได้จากอันดูเลเตอร์ ซึ่งมีความเข้มสูงกว่าแสงที่ได้จากแม่เหล็กสองขั้วประมาณ 1000-10,000 เท่า

* แสงซินโครตรอนมีความคมสูง (Highly Collimated) นั่นคือแสงมีการลู่ออกจากลำแสงน้อยมาก การที่แสงมีความคมสูงรวมกับมีความเข้มสูง จึงทำให้แสงซินโครตรอนมีความสว่างจ้าสูง  (High Brightness) โดยเฉพาะอย่างยิ่งแสงซินโครตรอนที่ผลิตจากอันดูเลเตอร์นั้น จะมีความสว่างจ้าสูงมาก

ทั้งนี้เนื่องจากว่ามีปรากฏการณ์แทรกสอดของแสงที่ปลดปล่อยออกมาในขณะที่อิเล็กตรอนมีการเลี้ยวโค้งแต่ละครั้ง ในรูปที่ 8 แสดงให้เห็นว่าแสงซินโครตรอนที่ผลิตโดยเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนโดยทั่วไปมีความ สว่างจ้ากว่ารังสีเอกซ์ ที่ผลิตโดยหลอดผลิตรังสีเอกซ์ทั่วไป

รูปที่ 8 แสดงสเปกตรัมของแสงซินโครตรอน เปรียบเทียบกับรังสีเอกซ์พลังงานสูงจากเครื่องผลิตรังสีเอกซ์ ตามห้องปฏิบัติการทั่วไป (Soft X-ray Spectroscopy: Materials Characterization on a Microscale, ALS, May 1997)

* แสงซินโครตรอนมีสเปกตรัมที่ต่อเนื่อง ในกรณีของแม่เหล็กสองขั้วและวิกเกลอร์นั้น แสงที่ผลิตได้ มีสเปกตรัมที่ต่อเนื่องที่ครอบคลุมช่วงพลังที่กว้างมาก ตั้งแต่ Far Infrared จนถึงรังสีเอกซ์ ส่วนแสงซินโครตรอนที่ได้จากอันดูเลเตอร์นั้น จะมีลักษณะเป็นแถบสเปกตรัม และมีพีค (Peak) ที่เกิดจากการแทรกสอด แถบพลังงานของแสงสามารถปรับได้อย่างต่อเนื่องเมื่อมีการปรับค่าสนามแม่เหล็ก โดยการปรับระยะห่างระหว่างขั้วแม่เหล็ก

* แสงซินโครตรอนที่ปลดปล่อยออกมาจากเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนนั้นมีลักษณะเป็นพัลส์ (Pulse) สั้น ๆ แต่อย่างไรก็ตามในการวัดทั่วไปที่มีความสามารถแยกแยะในเชิงเวลาที่ต่ำ ความเข้มของแสงที่วัดได้ จึงไม่เป็นฟังก์ชันของเวลา

* แสงซินโครตรอนมีคุณลักษณะทางโพลาไรเซชัน (Polarization) เช่น แสงซินโครตรอนจากแม่เหล็กสองขั้วในระนาบเดียวกับวงโคจรของอิเล็กตรอน มีคุณสมบัติโพลาไรเซชันเชิงเส้น (Linear Polarization) โดยมีสนาม  ที่อยู่ในระนาบเดียวกันกับระนาบของวงโคจรของอิเล็กตรอน

* ความเข้มและความสว่างจ้าของแสงซินโครตรอนสามารถทำนายได้อย่างแม่นยำในทางทฤษฎี เป็นที่ทราบกันดีว่าเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเป็นแหล่งกำเนิดแสงในย่าน VUV และรังสีเอกซ์พลังงานต่ำเพียงแหล่งกำเนิดเดียว

* คุณสมบัติที่ดีเกี่ยวกับแสงซินโครตรอนคือ การที่ไม่มีสิ่งเจือปนเช่น ก๊าซต่าง ๆ เกิดขึ้นในขบวนการปลดปล่อยแสงซินโครตรอน ดังนั้นเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนจึงจัดได้ว่าเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่สะอาด

รูปที่ 9 แผนภาพแสดงปรากฏการณ์ที่อาจจะเกิดขึ้น และผลที่ได้จากการที่แสงซินโครตรอนตกกระทบบนสสาร

แสงซินโครตรอนมีสเปกตรัมที่ครอบคลุมตั้งแต่อินฟราเรดจนถึงรังสีเอกซ์ และคุณสมบัติเฉพาะที่เด่นของแสงซินโครตรอน ทำให้แสงซินโครตรอนได้ถูกนำไปใช้ในงานวิจัยและพัฒนาหลากหลายสาขา แสงซินโครตรอนในช่วงของอินฟราเรด ส่วนใหญ่ถูกนำไปใช้ในการกระตุ้นเพื่อตรวจวิเคราะห์การสั่นของอะตอมในโมเลกุล การใช้งานแสงซินโครตรอนในช่วงแสงที่ตามนุษย์มองเห็นไม่ค่อยจะปรากฏให้เห็น ทั้งนี้เนื่องจากคุณสมบัติของเลเซอร์ดีกว่าแสงซินโครตรอนในช่วงแสงที่ตามนุษย์มองเห็นได้

แสงซินโครตรอนในช่วงความยาวคลื่นประมาณ 10-7 ถึง 10-10 เมตร หรือช่วงพลังงานของโฟตอนของแสงประมาณ 10 ถึง 10,000 eV ซึ่งเป็นช่วงของ VUV และรังสีเอกซ์นั้นมีแหล่งกำเนิดแสงเพียงชนิดเดียวคือเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน และยังเป็นช่วงพลังงานที่ครอบคลุมพลังงานที่สามารถไปกระตุ้นทำให้อิเล็กตรอนหลุดแยกออกมาจากอะตอม โมเลกุลวัตถุของแข็ง และระบบทางชีวภาพ หรือทำให้การปลดปล่อยโฟตอนตัวใหม่ ซึ่งการวัดและวิเคราะห์อิเล็กตรอนหรือโฟตอนที่ปลดปล่อยออกมา

ทำให้เราสามารถเรียนรู้ถึงคุณสมบัติสสารที่ทำการศึกษา สเปกตรัมของแสงซินโครตรอนที่ครอบคลุมไปถึงช่วงรังสีเอกซ์พลังงานสูง ซึ่งเป็นแสงที่มีคุณสมบัติที่สามารถทะลุทะลวงวัตถุเกือบทุกชนิด จึงถูกนำไปใช้ในงานวิจัยวิทยาศาสตร์พื้นฐานและประยุกต์ ตลอดจนในวงการแพทย์เพื่อช่วยในการวินิจฉัยโรคต่าง ๆ 

รูปที่ 9 แสดงปรากฏการณ์ที่อาจจะเกิดขึ้นเมื่อแสงตกกระทบสสาร ได้แก่ การสะท้อนของแสง พลังงานของแสงถูกดูดกลืนการปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกมาจากสสาร และ/หรือมีการปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาจากสสาร สิ่งที่จะเกิดขึ้นนั้นเป็นผลของอัตรกิริยาระหว่างแสงกับอิเล็กตรอนในสสาร     

คุณลักษณะของสิ่งที่เกิดจากอัตรกิริยาขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย ได้แก่ คุณลักษณะของแสงที่ตกกระทบ ชนิดของอะตอมที่เป็นองค์ประกอบของสสาร และการจัดเรียงตัวของอะตอมในสสาร เมื่อเราทราบคุณลักษณะของแสงที่ใช้ใน การศึกษาสสารอาจจะทำให้เรามีความเข้าใจเกี่ยวกับสสารที่ศึกษามากยิ่งขึ้น

การที่แสงซินโครตรอนมีความเข้มที่สูงและมีความคมมากนั้น ทำให้แสงซินโครตรอนเหมาะที่จะนำไปใช้ ในการวัดหรือการทดลองที่เกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์ที่มีโอกาสเกิดขึ้นได้น้อย ยกตัวอย่างเช่น

* Protein Crystallography การศึกษาโครงสร้างโมเลกุลขนาดใหญ่ หรือโครงสร้างโปรตีนจำเป็นที่จะต้องเตรียมผลึกของโปรตีนสำหรับการวัดโดยอาศัยหลักการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (X-ray Diffraction)

การเตรียมผลึกให้มีขนาดใหญ่พอสำหรับการทดลองนั้นเป็นเรื่องที่ทำได้ยาก แต่สามารถทดแทน โดยการใช้รังสีเอกซ์จากเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนที่มีความสว่างจ้ามากทำให้แสงที่เกิดการเลี้ยวเบนจากสารตัวอย่างที่ศึกษาหรือผลึกที่มีขนาดค่อนข้างเล็กมีความเข้มเพียงพอ ทำให้เวลาที่ใช้ในการวัดลดน้อยลง และเป็นการเพิ่มความแม่นยำมากขึ้น

* Microlithrography และ Micromachining เนื่องจากว่าเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนเป็นแหล่งกำเนิดแสงเดียวที่มีสเปกตรัมที่ต่อเนื่องในย่านรังสีเอกซ์พลังงานต่ำ ซึ่งเป็นย่านที่มีอำนาจการทะลุทะลวงที่เหมาะสมสำหรับสารเคมีที่สามารถทำให้เกิดลวดลายหลังจากการตกกระทบของรังสี (Resist) ทำให้ได้ความสูงของเส้นลายค่อนข้างมีค่ามาก

* X-ray Microscope รังสีเอกซ์มีความยาวคลื่นที่สั้นกว่าแสงที่ตามองเห็นได้ จึงทำให้กล้องจุลทรรศน์รังสีเอกซ์ (X-ray microscope) มีความสามารถในการแยกแยะที่สูงกว่ากล้องจุลทรรศน์ที่ใช้แสงในย่านที่ตามนุษย์มองเห็น (Optical Microscope) หากเปรียบเทียบกับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน (Electron Microscope) พบว่ากล้องจุลทรรศน์รังสีเอกซ์มีข้อได้เปรียบในแง่ของขั้นตอน

การตรียมสารตัวอย่างที่ค่อนข้างง่าย ในปัจจุบันการปรับโฟกัสของกล้องจุลทรรศน์รังสีเอกซ์อย่างละเอียด สามารถทำให้ง่ายขึ้นเมื่อใช้แสงซินโครตรอน จึงทำให้กล้องจุลทรรศน์รังสีเอกซ์มีความสามารถในการแยกแยะสูงยิ่งขึ้น 

* High-energy Resolution Spectroscopy สเปคโตรสโคฟีที่ต้องการความสามารถแยกพลังงานที่สูง สามารถทำได้โดยใช้แสงซินโครตรอน ทั้งนี้เพราะว่าการสูญเสียความเข้มของสัญญาณเนื่องจากการเพิ่มขีดความสามารถในการแยกแยะถูกทดแทน โดยความเข้มที่สูงของแสงซินโครตรอนที่ตกกระทบบนสารตัวอย่าง

เทคนิคการทดลองทางด้านสเปกโตรสโคปีที่ต้องการความสามารถในการแยกแยะพลังงานสูงได้แก่ Spin และ Angle-resolved Photoemission และ Soft X-ray Fluorescence เป็นต้น

* การศึกษาพื้นผิวและรอยต่อของสสาร Langmuir Monolayer Diffraction สังเกตได้ง่ายขึ้น
* เพิ่มความแม่นยำในการทดลองเทคนิคที่ใช้รังสีเอกซ์ เช่น X-ray Topography, X-ray Magnetic Scattering, Trace Element Analysis และ X-ray Diffraction ภายใต้สภาวะความดันที่สูง

* X-ray Angiography สำหรับเส้นเลือดของหัวใจ ทั้งนี้เนื่องจากการที่เราสามารถปรับพลังงานของแสงที่ใช้ในการวัดได้
* EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure) ซึ่งเป็นวิธีการเดียวที่จะวิเคราะห์ตำแหน่งที่แน่นอนของอะตอมในสสาร
* XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure) ซึ่งเป็นวิธีใหม่สำหรับการวิเคราะห์ทางเคมี
* Resonant Effect ความสามารถที่จะเลือกพลังงานของแสงซินโครตรอนใด ๆ สามารถที่จะทำการวัดโดยเลือกใช้พลังงานของแสงที่ทำให้เกิด Resonance 

การที่แสงที่ปลดปล่อยออกมาจากเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนมีลักษณะเป็นพัลส์ (Pulse) สั้น ๆ ทำให้เราสามารถนำไปใช้ในการศึกษาขบวนการที่เป็นแบบพลศาสตร์ (Dynamic) ที่กระตุ้นด้วยแสงที่มีลักษณะเป็นพัลส์ ตัวอย่างเช่น การศึกษาขบวนการเชิงพลศาสตร์ (Dynamic Process) ของโมเลกุลที่ถูกยึดบนผิวของของแข็ง

แสงซินโครตรอนยังเป็นแหล่งกำเนิดแสงแหล่งเดียวสำหรับ VUV และรังสีเอกซ์พลังงานต่ำและความเข้มของแสงยังทำนายได้อย่างแม่นยำโดยทฤษฎี แสงซินโครตรอนจึงถูกใช้เป็นแสงมาตรฐานสำหรับแสงในย่านนี้

เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนจัดเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่สะอาด นั่นคือขั้นตอนการผลิตแสงซินโครตรอน ทำให้ได้แสงโดยที่ไม่มีอะตอมหรือโมเลกุลเจือปนมาด้วย จึงเป็นประโยชน์ยิ่งในการเตรียมระบบการลำเลียงแสง นั่นคือ ไม่มีการทำให้พื้นผิวของอุปกรณ์ทางแสงเปื้อนจนทำให้อุปกรณ์ทางแสงเช่น กระจก (Mirror) และเกรติงเลี้ยวเบน (Grating) มีคุณสมบัติที่แย่ลง

ระบบลำเลียงแสงซินโครตรอน หรือเรียกสั้น ๆ ว่าระบบลำเลียงแสง เป็นระบบที่ลำเลียงแสงออกจากเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนมายังสถานีทดลอง (Experimental Station บางครั้งอาจจะเรียกว่า End Station กรณีสถานีทดลองอยู่ส่วนปลายของระบบลำเลียงแสง หรืออาจจะเรียกว่า Side Station กรณีสถานีทดลองขนาบติดด้านข้างของระบบลำเลียงแสง)

ระบบลำเลียงแสงแต่ละระบบจะถูกออกแบบและสร้างขึ้นเฉพาะสำหรับแหล่งกำเนิดแสง (ลักษณะลำอิเล็กตรอน และชนิดของอุปกรณ์ที่ทำให้เกิดแสงได้แก่ แม่เหล็กสองขั้ว อันดูเลเตอร์ หรือวิกเกลอร์) และเฉพาะสำหรับแต่ละเทคนิคการทดลองหรือเทคนิคการวัด

ดังนั้นคุณลักษณะเฉพาะดังกล่าวถูกกำหนดจากความต้องการของการใช้งานในสถานีทดลอง คุณลักษณะทางเทคนิคของแสงที่ตกกระทบลงบนสารตัวอย่างโดยทั่วไปที่กำหนดรูปแบบ และอุปกรณ์ย่อยของระบบลำเลียงแสง ได้แก่ ช่วงพลังงานของโฟตอน (Photon) หรือช่วงความยาวคลื่น แถบความกว้างของพลังงานของโฟตอน ขนาดของลำแสง ความคมหรือความลู่ของลำแสง โพลาไรเซชัน

รูปที่ 10 ระบบลำเลียงแสง BL4 ของห้องปฏิบัติการแสงสยาม สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน ลำเลียงแสงจากแหล่งกำเนิดซึ่งเป็นแม่เหล็กสองขั้วซึ่งติดตั้งอยู่หลังกำแพงกั้นรังสี (Radiation Shield Wall) โดยระบบกระจกก่อนและหลังโมโนโครเมเตอร์ (Pre และ Post-focusing Mirror Systems) และโมโนโครเมเตอร์ชนิดเกรติงที่สามารถคัดเลือกแสงที่มีพลังงานโฟตอนในช่วง 20 ถึง 240 eV

ในทางทรรศนศาสตร์ (Optics) ระบบลำเลียงแสงเป็นอุปกรณ์ที่จะสร้างภาพ (Image) ของแหล่งกำเนิดแสงซึ่งเปรียบเสมือนวัตถุ (Object) ลงบนระนาบของการเกิดภาพ (Imaging Plane) ซึ่งเป็นระนาบที่อยู่ ณ ตำแหน่งของสารตัวอย่างที่ต้องการศึกษาหรือตรวจวิเคราะห์ด้วยแสงซินโครตรอน แสงที่ตกกระทบสารตัวอย่างนั้นมีคุณสมบัติเฉพาะที่ขึ้นอยู่กับการออกแบบระบบลำเลียงแสง

การจำแนกระบบลำเลียงแสงอาจจะทำได้โดยการจำแนกตามช่วงพลังงานของโฟตอนที่ลำเลียงได้  (เช่นระบบลำเลียงแสงอินฟราเรด ระบบลำเลียงแสงอัลตราไวโอเลต/อัลตราไวโอเลตสุญญากาศ หรือระบบลำเลียงแสงรังสีเอกซ์พลังงานต่ำ/พลังงานสูง) หรืออาจจะแยกตามเทคนิคการตรวจวิเคราะห์ของสถานีทดลอง (เช่นระบบลำเลียงแสงด้านโฟโตอิมิชชัน ระบบลำเลียงด้านสเปกโตรสโคปีการดูดกลืนรังสีเอกซ์ ระบบลำเลียงแสงด้านการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ เป็นต้น

ในทางเทคนิคและวิศวกรรม การจำแนกระบบลำเลียงแสงตามช่วงพลังงานมีความสะดวก เนื่องจากแต่ละช่วงพลังงานของโฟตอนนั้นทำอันตรกิริยากับสสารแตกต่างกัน ชิ้นส่วนเชิงแสงโดยเฉพาะอย่างยิ่งชิ้นส่วนเชิงแสงที่ใช้ในการทำให้แสงเกิดการกระเจิงหรือการเลี้ยวเบนที่มีมุมตามค่าพลังงานของโฟตอนจึงลักษณะที่แตกต่างไปตามค่าพลังงานของโฟตอน

ในย่านอินฟราเรดนั้น ระบบลำเลียงแสงไม่จำเป็นที่จะต้องใช้โมโนโครเมเตอร์เนื่องจากระบบตรวจวัดวิเคราะห์ของแสงในย่านนี้อาศัยอินเตอร์โฟโรมิเตอร์ (Interferometer) ณ ปัจจุบัน ไม่มีการสร้างระบบลำเลียงแสงเฉพาะย่านที่ตามนุษย์มองเห็นได้ เนื่องจากว่าในย่านนี้มีแหล่งกำเนิดแสงที่ให้แสงที่มีคุณสมบัติที่ต้องการดีกว่าแสงซินโครตรอน นั้นก็คือเลเซอร์     

ระบบลำเลียงแสงในย่านอัลตราไวโอเลตจะใช้เกรติงแบบสะท้อนเป็นชิ้นส่วนเชิงแสงหลักในการคัดเลือกพลังงาน โมโนโครเมเตอร์ที่ใช้คัดเลือกพลังงานในช่วงนี้ เรียกว่าโมโนโครเมเตอร์ชนิดเกรติงที่แสงตกกระทบเกือบตั้งฉากกับผิวของเกรติง (Normal Incidence Grating Monochromator) ซึ่งแสงที่ตกกระทบบนเกรติงนี้เกือบจะตั้งฉากกับระนาบของเกรติง 

เกรติงแบบสะท้อนยังถูกใช้งานในโมโนโครเมเตอร์ในย่านพลังงานอัลตราไวโอเลตสุญญากาศ แต่มุมตกกระทบมีค่าเพิ่มมากยิ่งขึ้นเพื่อชดเชยค่าสัมประสิทธิ์ของการสะท้อนแสงที่ลดลงเมื่อค่าพลังงานของโฟตอนมีค่าเพิ่มมากขึ้น โมโนโครเมเตอร์สำหรับแสงในย่านนี้ เรียกว่าโมโนโครเมเตอร์ชนิดเกรติงที่มุมตกกระทบเกือบขนานกับผิวของเกรติง (Grazing Incidence Grating Monochromator) ตั้งแต่ย่านรังสีเอกซ์พลังงานต่ำขึ้นไป

ผลึก (Crystal) ถูกใช้เป็นชิ้นส่วนเชิงแสงในโมโนโครเมเตอร์สำหรับการคัดเลือกความยาวคลื่นของแสง โมโนโครเมเตอร์ชนิดนี้เรียกว่าโมโนโครเมเตอร์ชนิดผลึก (Crystal Monochromator) รายละเอียดทางเทคนิคของโมโนโครเมเตอร์แต่ละชนิดนั้น จะมีการกล่าวถึงในตอนหลังเมื่อมีการอธิบายถึงระบบลำเลียงแสงซินโครตรอนแต่ละชนิด

นอกเหนือจากระบบของชิ้นส่วนเชิงแสง ที่ใช้ในการลำเลียงและคัดเลือกแสงจากแหล่งกำเนิดแสงซินโครตรอน ระบบลำเลียงแสงยังประกอบไปด้วยระบบย่อยอื่น ๆ เช่น ระบบสุญญากาศ ระบบการป้องกันอันตรายเนื่องจากรังสี ระบบป้องกันอันตรายที่จะเกิดขึ้นกับเครื่องกำเนิดแสงเนื่องจากเหตุการณ์ที่ไม่คาดฝันที่อาจจะเกิดขึ้นในสถานีทดลอง ระบบต่างนี้จะมีการสรุปในบทสุดท้ายเพื่อที่จะให้เกิดความเข้าใจในภาพรวมของระบบลำเลียงแสง