เครื่องไอออนอิมพลานเตอร์แนวดิ่งแบบกะทัดรัด

เครื่องไอออนอิมพลานเตอร์แบบกะทัดรัดแนวตั้ง เป็นอุปกรณ์ที่ออกแบบมาเพื่อเร่งความเร็วของไอออน โดยเพิ่มพลังงานให้ไอออนก่อนนำไปชนเข้ากับเป้าหมายในกระบวนการที่เรียกว่า การเคลือบฝังไอออน (Ion Implantation) ซึ่งเป็นเทคนิคสำคัญในงานวิจัยและการพัฒนาวัสดุโดยกระบวนการนี้ ทำหน้าที่เปลี่ยนแปลงหรือปรับปรุงสมบัติพื้นผิวของวัสดุอย่างมีประสิทธิภาพ เช่น การเพิ่มความแข็งแรงทนต่อการสึกกร่อน การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุ หรือ การประยุกต์ใช้ลำไอออนพลังงานต่ำ ชักนำให้เกิดการกลายพันธุ์ในพืช ด้วยการออกแบบตัวเครื่องให้มีขนาดกะทัดรัดและรองรับการทำงานในช่วงพลังงานตั้งแต่ 15 ถึง 50 กิโลอิเล็กตรอนโวลต์ เครื่องนี้เหมาะสำหรับการใช้งานในงานวิจัยด้านลำไอออนต่ำถึงปานกลาง อีกทั้งยังช่วยลดต้นทุนในการบำรุงรักษาเมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องมือขนาดใหญ่ จึงทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับห้องปฏิบัติการ

จุดเด่นของเครื่อง

  • ลำไอออน มีขนาดพื้นที่ครอบคลุมเส้นผ่านศูนย์กลาง กว้าง 7×7 เซนติเมตร ซึ่งเหมาะสำหรับการวิจัยที่ต้องการวางตัวอย่างขนาดใหญ่หรือต้องการใส่ตัวอย่างในปริมาณมาก เช่น เมล็ดพันธุ์พืชหรือวัสดุชนิดต่างๆ ช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นและประสิทธิภาพในการดำเนินการทดลองและพัฒนาวัสดุได้อย่างหลากหลาย
  • การทำสุญญากาศ ของระบบเป็นไปอย่างรวดเร็ว ด้วยตัวเครื่องขนาดกะทัดรัดที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการสร้างความดันสุญญากาศได้ถึง0x10-5 Torr ภายในเวลาเฉลี่ยเพียง 6 นาที ยกตัวอย่างเช่น การเคลือบฝังไอออนด้วย Dose 1×1016 ions/cm2 ใช้ระยะเวลาในกระบวนการเคลือบฝังไอออนโดยเฉลี่ยอยู่ที่ 13 นาที เหมาะสำหรับงานพัฒนาสายพันธุ์พืชที่ไม่ต้องการให้ตัวอย่างอยู่ในภาวะสุญญากาศนานเกินไป ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อเมล็ดพันธุ์
  • ปริมาณกระแสไอออน ที่ถูกเร่งด้วยสนามแม่เหล็กมีความเสถียรและคงที่ สามารถเร่งพลังงานได้ตั้งแต่ 15 ถึง 50 กิโลอิเล็กตรอนโวลต์ (keV) โดยมีค่าปริมาณของกระแสไอออนอยู่ที่ 20 ไมโครแอมแปร์ (µA) ในพื้นที่ 2 ตารางเซนติเมตร ด้วยพลังงานที่ 15 กิโลอิเล็กตรอนโวลต์ (keV)
  • สามารถเพิ่มปริมาณของกระแสไอออนได้ สูงสุดถึง 60 ไมโครแอมแปร์ (µA) ในพื้นที่ 2 ตารางเซนติเมตร

เครื่องดังกล่าวมีจุดเด่นในการผลิตลำไอออนที่มีความหนาแน่นสูง ที่มีความสม่ำเสมอ ด้วยการใช้เทคโนโลยีแหล่งกำเนิดไอออน ( Ion Source ) แบบ Duoplasmatron ซึ่งเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีแหล่งกำเนิดไอออนที่ได้รับความนิยม และยังรองรับชนิดของแก๊สหลากหลาย เช่น ฮีเลียม (He), อาร์กอน (Ar), ไฮโดรเจน (H2) หรือไนโตรเจน (N2) ทำให้มีความยืดหยุ่นในการปรับใช้ตามความต้องการของงานวิจัย

การเตรียมตัวอย่างสำหรับการเคลือบฝังไอออน

การเตรียมตัวอย่างสำหรับการเคลือบฝังไอออน (Ion Implantation) เป็นขั้นตอนที่มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพและคุณภาพของกระบวนการ จำเป็นต้องดำเนินการด้วยความละเอียดรอบคอบ เพื่อให้พื้นผิวของตัวอย่างเหมาะสมสำหรับการฝังไอออน ในกรณีของเมล็ดพืช ควรเลือกเมล็ดที่มีคุณภาพดี ไม่มีความเสียหาย เช่น การแตกหักหรือการติดเชื้อรา นอกจากนี้ การควบคุมระดับความชื้นยังเป็นสิ่งสำคัญ เพื่อให้กระบวนการฝังไอออนเกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอและได้ผลลัพธ์ที่มีประสิทธิภาพ

ลักษณะของชิ้นงานฐานติดตั้งตัวอย่าง (Sample Holder)

สำหรับชิ้นงานฐานติดตั้ง ตัวอย่าง (Sample Holder) จะเลือกใช้วัสดุทองแดง เนื่องจากมีต้นทุนที่ไม่สูงและมีคุณสมบัติในการระบายความร้อนที่ดีเยี่ยม ซึ่งช่วยลดความร้อนสะสมจากกระบวนการฝังไอออน (Ion Implantation) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ช่วยป้องกันไม่ให้ตัวอย่างได้รับความเสียหายระหว่างกระบวนการ นอกจากนี้ ทองแดงยังมีแนวโน้มต่ำมากที่จะเกิดปฏิกิริยากับไอออนหรือวัสดุอื่น ๆ ในกระบวนการ เนื่องจากความเสถียรของชั้นออกไซด์ และธรรมชาติที่ไม่ทำปฏิกิริยากับสารอื่นได้ง่าย คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยลดการปนเปื้อนของไอออนหรือสารแปลกปลอมเข้าสู่ตัวอย่างเมล็ดพันธุ์พืช ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในการรักษาความบริสุทธิ์และผลลัพธ์ของกระบวนการ

โดยทั่วไป ชิ้นงานฐานติดตั้งตัวอย่าง (Sample Holder) มีขนาดมาตรฐานประมาณ 9 cm x 9 cm และมีความหนา 1 cm อย่างไรก็ตาม ในกรณีที่มีการประยุกต์ใช้ลำไอออนพลังงานต่ำกับเมล็ดพืช ชิ้นงานนี้อาจถูกปรับแต่งให้มีช่องสำหรับใส่ตัวอย่าง เพื่อให้เหมาะสมกับลักษณะของเมล็ดแต่ละชนิด เนื่องจากเมล็ดพันธุ์แต่ละชนิดมีเป้าหมายหรือจุดที่ต้องการระดมยิงด้วยลำไอออนแตกต่างกัน

โดยผู้ขอใช้บริการสามารถแจ้งลักษณะในการวางตัวอย่าง หรือ เป้าหมายการระดมยิงที่ต้องการ เพื่อให้ผู้ปฏิบัติการสามารถให้คำแนะนำและออกแบบชิ้นงานฐานติดตั้งตัวอย่างให้เหมาะสมกับตัวอย่างโดยเฉพาะ ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการเคลือบฝังไอออน และให้ผลลัพธ์ที่ตรงตามความต้องการของแต่ละเมล็ดพันธุ์ได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น

ขั้นตอนการเข้ารับบริการใช้งานเครื่องไอออนอิมพลานเตอร์

  1. แจ้งลักษณะตัวอย่างและรับบริการออกแบบชิ้นงานฐานติดตั้งตัวอย่าง
    • ผู้ขอใช้บริการสามารถแจ้งข้อมูลเกี่ยวกับลักษณะตัวอย่างที่ต้องการใช้งาน เช่น ขนาด รูปทรง ลักษณะการวาง และ ตำแหน่งที่ต้องการระดมยิงลำไอออนเพื่อให้เจ้าหน้าที่สามารถออกแบบชิ้นงานฐานติดตั้งตัวอย่าง (Sample Holder) ได้เหมาะสมกับความต้องการ ในขั้นตอนการออกแบบ ผู้ขอใช้บริการจะได้รับตัวอย่างชิ้นงานฐานติดตั้งตัวอย่างจำลองด้วย (3D Print) ขนาด ¼ ส่วน เพื่อทดสอบการวางตัวอย่าง ก่อนขึ้นรูปชิ้นงานทองแดงจริง (บริการนี้มีค่าใช้จ่าย)
  2. ให้คำปรึกษาและคำนวณปริมาณ Dose และพลังงานที่ใช้ในกระบวนการฝังลำไอออน
    • ผู้ปฏิบัติการจะให้คำแนะนำเกี่ยวกับปริมาณไอออนที่เหมาะสม (Ion Dose) และ ค่าพลังงานที่ต้องใช้ (Ion Energy) ตามลักษณะของตัวอย่างและวัตถุประสงค์ของการใช้งาน
  3. ทดลองตัวอย่างในกระบวนการสุญญากาศ
    • ผู้ปฏิบัติการจะทำการทดลองตัวอย่างในระบบสุญญากาศ การทดลองนี้ช่วยตรวจสอบปัญหาที่อาจเกิดขึ้น เช่น ลักษณะการยึดเกาะตัวอย่างบนฐานติดตั้งตัวอย่าง (Sample Holder) และ ปัญหาอื่นๆที่อาจพบกับตัวอย่างภายใต้ความดันสุญญากาศ เพื่อให้มั่นใจว่าตัวอย่างเหมาะสมสำหรับการเข้าสู่กระบวนการ Ion Implantation เต็มรูปแบบ

ข้อควรระวัง

  • ควรหลีกเลี่ยงการสัมผัสตัวอย่างด้วยมือเปล่าเพื่อป้องกันการปนเปื้อน
  • ควรหลีกเลี่ยงการให้ตัวอย่างอยู่ในสภาวะความชื้นสูงระหว่างการเตรียมตัวอย่าง

ตัวอย่างฐานติดตั้งชิ้นงาน

ตัวอย่างงานวิจัยในโครงการ “ปรับปรุงพันธุ์ข้าวด้วยลำไอออนพลังงานต่ำ”

ที่มีความร่วมมือระหว่าง “สถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ต้นสังกัดของนักวิจัย” และ “ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์ผู้สนับสนุนงบประมาณการวิจัยและพัฒนา”

โดยทีมนักวิจัยสถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ดร.บุญรักษ์ พันธ์ไชยศรี , ดร.จิรณัทฐ์ เตชะรัง และ ศูนย์ความเป็นเลิศทางฟิสิกส์ ได้ประสบความสำเร็จในการคิดค้นพัฒนาการชักนำการกลายพันธุ์โดยใช้ “เทคโนโลยีกระตุ้นการกลายพันธุ์ด้วยลำไอออนพลังงานต่ำ” ในการปรับปรุงพันธุ์ข้าวเพื่อให้ได้ข้าวสายพันธุ์ใหม่ที่มีคุณภาพดีผลผลิตสูง จำนวน 3 สายพันธุ์

  1. ข้าวหอมเพื่อการบริโภค (มช 10-1 หรือ FRK-1)
  2. ข้าวเพื่ออุตสาหกรรมแป้ง (เทพ 10-5 หรือ MSY-4)
  3. ข้าวเพื่ออุตสาหกรรมอาหารสัตว์ (เทพ 10-7 หรือ OSSY-23)

เพื่อแก้ปัญหาการปลูกข้าวที่ได้ผลผลิตไม่คุ้มค่าต่อการลงทุนเพราะพันธุ์ข้าวที่ให้ผลผลิตต่อไร่ต่ำ ปัญหาโรคและแมลงศัตรูข้าวที่สำคัญระบาด เพราะพันธุ์ข้าวที่ไม่ต้านทานต่อโรคและแมลงศัตรูข้าว ซึ่งข้าว 3 สายพันธุ์ดังกล่าว สามารถตอบโจทย์ของชาวนาไทยในยุค 4.0 เป็นอย่างมาก โดยเฉพาะในการแก้ปัญหาผลผลิตข้าวตกต่ำ จากความสำเร็จดังกล่าว มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ได้ส่งต่อองค์ความรู้และเทคโนโลยีนี้ไปยังเกษตรกร ได้แก่ สภาเกษตรกรจังหวัดราชบุรี วิสาหกิจชุมชนเกษตรห้วยไผ่เพื่อการผลิต จ.ราชบุรี อีกทั้งได้ลงนามความร่วมมือวิชาการกับสภาเกษตรกรจังหวัดอุตรดิตถ์ เพื่อส่งเสริมสนับสนุนการดำเนินงานพัฒนาการเกษตรด้านข้าว และได้ขยายผลสำเสร็จ มช.-ราชบุรี โมเดล สู่ 15 จังหวัด ได้แก่ จังหวัดกาญจนบุรี กำแพงเพชร ชัยนาท ปทุมธานี ปราจีนบุรี จังหวัดพิจิตร พิษณุโลก แพร่ ลพบุรี สระบุรี สิงห์บุรี สุโขทัย อยุธยา อ่างทอง และจังหวัดอุตรดิตถ์ เพื่อพัฒนาศักยภาพของเกษตรกร ในการเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตข้าวลำไอออน การพัฒนาคุณภาพผลผลิตข้าวลำไอออนและการตลาดแบบครบวงจร เพิ่มรายได้ ลดความเหลื่อมล้ำ และสร้างความสุขแก่ชาวนาไทย ซึ่งจะไม่แต่เพียงเป็นกำลังใจให้เกษตรกรเชื่อมั่นในอาชีพทำนา มีคุณภาพชีวิตที่ดีขึ้น แต่ยังจะช่วยสร้างแรงบันดาลใจให้แก่คนรุ่นใหม่ในการประกอบอาชีพเกษตรกร

ข้อมูลการติดต่อเจ้าหน้าที่เทคนิคของเครื่อง

  1. ผศ. ดร.อุดมรัตน์ ทิพวรรณ
    Email : udomrat.t@cmu.ac.th
  2. รุ่งโรจน์ รุ่งรัตน์
    Email : rungroj.r@cmu.ac.th

ที่อยู่: อาคารเทคโนโลยีไอออนบีม 2 ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์
มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ถ.ห้วยแก้ว ต.สุเทพ อ.เมือง จ.เชียงใหม่ 50202