บันทึกการเดินทางเยี่ยมหน่วยงานวิจัย ณ สหพันธรัฐเยอรมนี ตอนที่ 1

คัดลอกจากบางส่วนของงานเผยแพร่เป็นสาธารณะผ่านช่องทางสื่อสังคมออนไลน์ โดย มนต์ชัย จิตรวิเศษ

บันทึกการเดินทางเยี่ยมหน่วยงานวิจัย และสร้างความร่วมมือวิจัยด้านเครื่องเร่งอนุภาค เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ และการประยุกต์ใช้ ณ สหพันธรัฐเยอรมนี

ระหว่างวันที่ 29 มิถุนายน – 5 กรกฎาคม 2567

คณะเดินทาง

รศ. ดร.ดวงมณี ว่องรัตนะไพศาล (ผู้อำนวยการศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์)

ผศ. ดร.สาคร ริมแจ่ม (ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่)

ผศ. ดร.จตุพร สายสุด (ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่)

ดร.มนต์ชัย จิตรวิเศษ (สาขาวิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี)

ตอนที่ 1

PITZ | Photo Injector Test Facility at DESY Zeuthen site (25–28 June 2024)

===============================================

ทีมเราออกเดินทางจากประเทศไทย เปลี่ยนเที่ยวบินที่กรุงเวียนนา ต่อไปยังสนามบิน Berlin Brandenburg นั่งรถ S-Bahn ต่อไปยัง Zeuthen ซึ่งอยู่ชานกรุง Berlin ผมเคยมา Zeuthen ครั้งหนึ่งแล้วตอนปีแรกที่ไปเรียนปริญญาเอกที่เนเธอร์แลนด์เมื่อปี 2014 ก่อนจะกลับไปทำงานที่ มช. ท่าน อาจารย์ สาคร ริมแจ่ม เคยทำงานที่ Photo Injector Test Facility at DESY Zeuthen site (PITZ) เมื่อกลับมาอยู่ มช. แล้วจะบินมาประชุมความร่วมมือช่วงเดือน มิถุนายน–กรกฎาคม ทุกปี ตอนนั้นผมจึงได้โอกาสขอมาดูห้องปฏิบัติการ พร้อมกับมาเที่ยว Berlin ด้วย ทั้งที่หัวข้อปริญญาเอกของผมไม่ได้เกี่ยวกับเครื่องเร่งอนุภาคเลย (แต่สมัยนั้นจบจาก มช. ก็ได้มีโอกาสเรียน และวนเวียนอยู่ในตึกที่มีแต่เครื่องเร่งอนุภาคอยู่บ้าง) นั่นเป็นการมาเยี่ยม Berlin และ PITZ ครั้งแรก จำได้ว่านั่งรถไฟจากเมืองที่อยู่ตรงดิ่งมาลงที่ Berlin Hbf ที่เห็นครั้งแรกแล้วทึ่งในความใหญ่โตมาก ณ เวลานั้นผมก็ไม่อาจจะทราบได้ว่าผ่านไป 10 ปีพอดิบพอดี จะได้กลับมาที่นี่อีกครั้ง ในบทบาทที่เปลี่ยนไป

PITZ เป็นส่วนหนึ่งของ DESY ถูกตั้งขึ้นมาเพื่อทำหน้าที่เป็นหน่วยงานทดสอบ และปรับปรุงศักยภาพของ photo injector หรือ ปืนอิเล็กตรอนแบบ photocathode RF gun เพื่อนำไปติดตั้งให้เครื่องกำเนิดแสงเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ (Free-Electron Laser, FEL) หรือ electron collider ซึ่งต้องการคุณสมบัติทางเทคนิคของห้วงลำอิเล็กตรอนที่จำเพาะ ถึงตรงนี้ขอขยายความ photocathode RF gun แบบง่ายๆ โดยปกติ ส่วนประกอบแรกที่ถือเป็นต้นทางของลำอนุภาคในระบบเครื่องเร่งอนุภาค คือ แหล่งกำเนิดอนุภาคประจุ สำหรับเครื่องเร่งอิเล็กตรอน ก็คือ ปืนอิเล็กตรอน (electron gun) การที่จะนำอิเล็กตรอนมาเร่งให้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงได้นั้น เริ่มจากต้องทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมาจากวัสดุที่มีอิเล็กตรอนมาก เช่น โลหะ หรือ โลหะผสม ที่ในทางเทคนิคเรียกว่า cathode และการที่อิเล็กตรอนจะหลุดออกมาจากโลหะได้ก็ต้องมีพลังงานมากกว่า work function ของโลหะนั้นๆ สองวิธีการที่พบบ่อย คือ การทำให้ cathode ร้อนจนอิเล็กตรอนมีพลังงานสูงเกิน work function แล้วหลุดออกมาด้วยกระบวนการ thermionic emission ปืนอิเล็กตรอนที่ใช้วิธีนี้จึงถูกเรียกว่า thermionic gun หรือ วิธีที่ใช้ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก โดยการฉายแสงเลเซอร์ไปบน cathode เพื่อให้อิเล็กตรอนหลุดออกมา ปืนอิเล็กตรอนที่ใช้วิธีนี้ก็จะเรียกว่า photocathode gun เมื่ออิเล็กตรอนหลุดจาก cathode แล้ว จะถูกเร่งเบื้องต้นเพื่อให้มีโมเมนตัมไปข้างหน้าโดยอาศัยสนามไฟฟ้า อาจจะในรูปของสนามไฟฟ้าจากขั้วไฟฟ้า เรียก DC gun หรือ สนามไฟฟ้าจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งต้องมีการออกแบบปืนให้เป็นโพรง (cavity) ที่เหมาะสมสำหรับใส่คลื่น RF เข้าไปเพื่อเร่งอิเล็กตรอน ก็จะเรียก RF gun เมื่ออิเล็กตรอนถูกยิงออกจากปืนอิเล็กตรอนก็จะถูกเร่งต่อไปด้วยเครื่องเร่งเชิงเส้น (linear accelerator; linac) ให้มีพลังงานสูงขึ้นตามที่ออกแบบ และถูกเบนไปตามเส้นทางที่วางไว้ ซึ่งโดยปกติคุณสมบัติของห้วงอิเล็กตรอนมักจะเลวลง ดังนั้นการออกแบบปืนอิเล็กตรอนให้สามารถผลิตห้วงอิเล็กตรอนที่มีคุณสมบัติดีตามต้องการได้ตั้งแต่แรกจึงอาจถือได้ว่าเป็นหัวใจของระบบเครื่องเร่งอนุภาค ก่อนหน้านี้ PITZ ได้ทดสอบ injector เพื่อนำไปติดตั้งให้เครื่องเร่งอนุภาค เช่น European XFEL และ FLASH ซึ่งตั้งอยู่ที่เมือง Hamburg (จะเล่าในตอนถัดไป)

หลังจากภารกิจทดสอบ injector ให้โครงการขนาดใหญ่ดังกล่าว ในปัจจุบัน PITZ ได้มุ่งวิจัยในสองโครงการหลัก โดยอาศัยฐานความรู้ และความเชี่ยวชาญที่ได้สั่งสมมา คือ การพัฒนาแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระความเข้มสูงย่านความถี่ THz (THz FEL) เพื่อจะต่อยอดไปสู่เทคนิค THz pump-probe experiment ที่จะทำให้เรามีศักยภาพในการศึกษาพลศาสตร์ของอันตรกิริยาระดับโมเลกุลในสสาร เช่น พลศาสตร์ของโฟนอน และพันธะไฮโดรเจน ซึ่งเกิดขึ้นในช่วงเวลาระดับ ps – fs ในขณะที่อีกโครงการหนึ่งมุ่งเน้นใช้สมบัติห้วงสั้นของอิเล็กตรอนที่ผลิตได้ในการศึกษาปรากฏการณ์ FLASH ในเซลล์มะเร็งและเนื้อเยื่อสิ่งมีชีวิต ซึ่งเป็นหัวข้อวิจัยที่กำลังมาแรงและคาดว่าจะมีผลกระทบอย่างมากในวงการรังสีบำบัด เป็นที่น่ายินดีอย่างยิ่งว่าทั้งสองหัวข้อวิจัย คือ การผลิต THz SASE FEL (กระบวนการ SASE จะอธิบายในตอนถัดไป) และ electron FLASH effect ก็อยู่ในความสนใจของทีมวิจัยจากห้องปฏิบัติการเครื่องเร่งอิเล็กตรอนเชิงเส้น ของภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ซึ่งสามารถผลิตลำอิเล็กตรอนห้วงสั้นที่มีศักยภาพในการศึกษาหัวข้อดังกล่าวด้วย จึงเป็นโอกาสอันดีที่เราจะได้แลกเปลี่ยนการศึกษาเรียนรู้ร่วมกับผู้เชี่ยวชาญ (ห้องปฏิบัติการเครื่องเร่งอิเล็กตรอนเชิงเส้น มีความร่วมมืออย่างแน่นเหนียว ยาวนาน กับกลุ่ม PITZ ผ่านบันทึกความเข้าใจที่ได้ทำ ทั้งร่วมกับศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ และ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ มีการส่งนักศึกษาไปปฏิบัติงานวิจัยทุกปีตลอดระยะเวลาร่วมสิบปีที่ผ่านมา)

ปิดท้ายตอนนี้ ต้องขอขอบคุณหัวหน้ากลุ่มวิจัย นักวิจัย และสมาชิกกลุ่มวิจัย PITZ เป็นอย่างยิ่งที่ได้ต้อนรับ และให้โอกาสแลกเปลี่ยนในด้านงานวิจัย รวมทั้งสนับสนุนงานวิจัยของฝั่งไทยตลอดมา ตอนหน้าเราจะจับรถไฟเดินทางไป DESY ที่เมือง Hamburg เมืองท่าทางตอนเหนือของเยอรมนี…

รูปถ่ายคณะเดินทางหน้าตึกห้องปฏิบัติการวิจัย DESY ณ เมือง Zeuthen

ภายในโถงเครื่องเร่งอนุภาคของกลุ่มวิจัย PITZ ส่วนที่เคยใช้ศึกษาพัฒนา photoinjector ปัจจุบันใช้สร้างลำอิเล็กตรอนพัลส์สั้นสำหรับการศึกษาปรากฏการณ์ FLASH นำชมโดย Dr. Matthias Grosß