คัดลอกจากบางส่วนของงานเผยแพร่เป็นสาธารณะผ่านช่องทางสื่อสังคมออนไลน์ โดย มนต์ชัย จิตรวิเศษ
FLASH | Free-electron LASer in Hamburg
PETRA III | Positron-Electron Tandem Ring Accelerator III (1 July 2024)
===============================================
เรามาถึงช่วงสาย เนื่องจากเป็นวันอาทิตย์พอมีเวลาพักนิดหน่อย แต่วันอาทิตย์ในเยอรมนีก็พอเดาได้ว่าเมืองนั้นแทบจะเป็นเมืองร้าง ห้างร้านจะปิดแทบทั้งหมด เมื่อถึงเวลาเราเดินทางไปยัง DESY เพื่อเช็คอินเข้าพัก ตอนเย็นเรามีนัดกับ “โบนัท” (ขจีวรรณ บัวกอ) ซึ่งตอนนี้ทำปริญญาเอกอยู่ที่ European XFEL โบนัทเป็นศิษย์เก่าฟิสิกส์ มช. และเป็นศิษย์เก่า DESY student ด้วย ลองนึกๆ ดูแล้ว โบนัทน่าจะเกี่ยวดองกับ DESY มาเกินสิบปีแล้ว เสียดายที่เราไม่ได้เจอ “ป.ปลา” (พัธมน กองคำบุตร) เพื่อนรุ่นเดียวกับโบนัท ศิษย์เก่าฟิสิกส์ มช. อีกคนซึ่งกำลังทำวิจัยหลังปริญญาเอกอยู่ที่มหาวิทยาลัย Hamburg แต่ติดไปร่วมงานที่ Lindau พอดี ผมดีใจที่ได้เห็นน้องๆ (บางคนเห็นกันตั้งแต่เป็นนักเรียนมัธยม) เดินทางไปแตะขอบเขตที่เรียกว่า “cutting-edge” ในสายการศึกษาวิจัยของตนเอง แน่นอนว่าสิ่งแวดล้อมวิจัยที่จะคอยสนับสนุนศักยภาพของเขาที่สูงอยู่แล้วนั้นสำคัญอย่างยิ่ง
เรามา DESY ครั้งนี้ด้วยความร่วมมือ และสายสัมพันธ์แบบฉันท์มิตรของท่าน ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.สาคร ริมแจ่ม กับนักวิจัยที่นี่ สถานที่นัดพบ คือ ห้องควบคุมการเดินเครื่องเร่งอนุภาค (control room) โดยที่นี่เป็นห้องควบคุมที่รวมสถานีควบคุมของทุกเครื่องมาไว้ในห้องเดียวกัน โดยมีแนวคิดว่าจะได้เกิดการแลกเปลี่ยนกันระหว่างผู้ที่รับหน้าที่ควบคุมเครื่องในแต่ละช่วงการทำงาน หลังจากกระบวนการทางด้านความปลอดภัย (safety protocol) เราก็ได้เดินลงไปยังส่วนต้นทางของ FLASH2 beamline
ก่อนจะเล่าต่อไป ขออธิบายข้อมูลพื้นหลังเกี่ยวกับ FLASH เพื่อให้ผู้ติดตามอ่านเข้าใจมากขึ้น FLASH ย่อมาจาก Free-electron LASer in Hamburg เป็นแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระในช่วงความยาวคลื่น UV จนถึง soft X-ray ภายใต้สถาบัน DESY ในช่วงสเปกตรัมแสงดังกล่าวการผลิตเลเซอร์ที่มีความเข้มสูงโดยเทคนิคอื่นถือว่าทำได้ยากกว่า หรือ อาจจะยังทำไม่ได้ดีเมื่อเทียบกับการใช้ลำอิเล็กตรอนพลังงานสูงจากเครื่องเร่งอนุภาค ทั้งนี้ด้วยขีดจำกัดของวัสดุตัวกลางที่ใช้เป็น gain medium สถานีของ FLASH เริ่มจากส่วนผลิตลำอิเล็กตรอนห้วงสั้นจาก RF-based photoinjector ซึ่งถูกทดสอบที่ PITZ (อธิบายสั้นๆไปแล้วในตอนก่อนหน้า) จากนั้นทำการเร่งอิเล็กตรอนด้วยเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นชนิดตัวนำยิ่งยวด (superconducting linac) ที่ทำให้การเร่งห้วงอิเล็กตรอนมีประสิทธิภาพสูงกว่า ได้สมบัติของห้วงอิเล็กตรอนดีกว่าเครื่องเร่งแบบปกติ เนื่องจากพลังงานจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ใช้เร่งจะสูญเสียให้กับส่วนท่อเร่งน้อยมาก ทำให้พลังงานเกือบทั้งหมดสามารถถูกถ่ายโอนไปยังลำอิเล็กตรอน โดยชิ้นส่วนท่อเร่งที่เคลือบด้วยวัสดุตัวนำยิ่งยวดจะต้องถูกรักษาให้มีอุณหภูมิต่ำโดยฮีเลียมเหลวขณะทำการเร่ง
กลับมา ณ ตำแหน่งที่เราลงมายืนอยู่นี้ เป็นตำแหน่งหลังจากที่ลำอิเล็กตรอนที่ถูกเร่งจนมีความเร็วเข้าใกล้แสง หรือ เรียกว่าเป็นอิเล็กตรอนสัมพัทธภาพ (relativistic electrons) มีพลังงานประมาณ 1.25 GeV จะถูกแบ่งให้เดินทางแยกกันไปสองทาง โดยเส้นทางแรกจะไปยัง FLASH1 beamline เพื่อผลิตเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระโดยผ่าน undulator แบบที่ปรับระยะห่างระหว่างขั้วแม่เหล็กไม่ได้ (fixed gap) และอีกเส้นทางหนึ่งไปยัง FLASH2 ซึ่งจะผ่าน undulator เช่นกันแต่เป็นชนิดที่ออกแบบมาให้ปรับระยะห่างระหว่างขั้วแม่เหล็กได้ (variable gap) ซึ่งจะทำให้สามารถปรับจูนพลังงานของแสงเลเซอร์ได้ด้วย เมื่อเราเดินตามระบบท่อลำเลียงอิเล็กตรอนของ FLASH2 ไปจะพบแม่เหล็ก undulator ยาววางเรียงต่อกันความยาวรวม 27 เมตร โดยลักษณะของ undulator จะเป็นแม่เหล็กถาวรชิ้นเล็กๆ วางเรียงต่อกันโดยให้ขั้ว เหนือ-ใต้ สลับกันเป็นคาบ มีสองแถว บน-ล่าง หันเข้าหากันเว้นให้เกิดช่องว่าง (ga[) สำหรับท่อสุญญากาศที่มีห้วงอิเล็กตรอนวิ่งผ่านตรงกลาง โดยลักษณะเช่นนี้ อิเล็กตรอนที่มีพลังงานจลน์เมื่อวิ่งผ่านจะได้รับแรงกระทำจากสนามแม่เหล็ก เกิดการเคลื่อนที่ส่ายไปมาตามคาบของสนามคล้ายงูเลื้อย ทุกครั้งที่อิเล็กตรอนมีความเร่ง (ขณะเลี้ยวโค้ง) ก็จะปลดปล่อยแสงออกมาในลักษณะของการแผ่รังสีซินโครตรอน นอกจากเกิดการรวมกันตามหลักการซ้อนทับของคลื่นแสงที่ปลดปล่อยออกมาในแต่ละครั้งของการส่ายทำให้มีความเข้มสูงแล้ว แสงดังกล่าวยังจะเดินทางเร็วกว่าห้วงอิเล็กตรอนเล็กน้อยทำให้เกิดเป็นลักษณะของบ่อศักย์จากสนามไฟฟ้าความเข้มสูงของแสงที่ห้วงอิเล็กตรอนจะต้องวิ่งผ่าน เมื่ออิเล็กตรอนวิ่งมาเจอบ่อศักย์จากแสงที่ตัวเองปลดปล่อยออกมานี้ก็จะเกิดอันตรกิริยาตามเฟสของสนาม อิเล็กตรอนในห้วงบางส่วนอาจวิ่งเร็วขึ้น บางส่วนอาจวิ่งช้าลง เกิดลักษณะการแบ่งเป็นห้วงย่อยๆ (microbunch) ตามความยาวคลื่น เรียน กระบวนการ microbunching เมื่อห้วงย่อยเหล่านี้เดินทางผ่าน undulator ต่อไป ก็จะปลดปล่อยแสงออกมารวมกัน ทำให้มีความเข้มสูงขึ้นอีกเรื่อยๆ จนเมื่อระยะทางยาวมากพอจะถึงจุดอิ่มตัว (saturation) ผลลัพธ์ที่ได้ คือ แสงเลเซอร์ที่มีความเข้มสูง กระบวนการดังกล่าวถูกเรียกว่า Self-Amplified Spontaneous Emission (SASE) โดยแสงเดินทางผ่าน undulator ไปทางเดียวไม่มีย้อนกลับทำให้เราอาจเรียกว่า single-pass FEL กระบวนการ SASE นี้มีความสำคัญในการผลิตแสงเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระย่าน X-ray เนื่องจากเราไม่สามารถใช้โพรงแสง (optical cavity) ที่ประกอบด้วยกระจกสองบานเพื่อทำการสะท้อนแสง X-ray กลับไปมาในขั้นตอน amplification เช่น ในเลเซอร์ทั่วไป หรือ เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระย่านใต้แดง
หลังจากผลิตเลเซอร์ได้แล้ว ห้วงอิเล็กตรอนก็จะถูกเบนทิ้งไป ในขณะที่เลเซอร์จะถูกลำเลียงไปยังสถานีทดลอง ขอเพิ่มความกระจ่างตรงนี้อีกครั้งว่า เลเซอร์ที่ผลิตได้นี้ไม่ได้มีลักษณะเป็นลำต่อเนื่องแบบที่เราเคยชินในชีวิตประจำวัน แต่มีลักษณะเป็นห้วงสั้นๆ วิ่งต่อกันมาเป็นแถว เหมือนลูกกระสุนปืนกล สำหรับ FLASH ห้วงนี้สั้นระดับ 10–200 เฟมโตวินาที (จินตนาการเราว่ายืนอยู่นิ่งๆ มีห้วงแสงวิ่งผ่านไปด้วยอัตราเร็วแสง โดยประมาณตั้งแต่หัวถึงหางใช้เวลาระดับ 1/1 000 000 000 000 000 วินาที เป็นที่มาของการวัดความยาวในหน่วยเวลา) การมีแสงลักษณะเช่นนี้ ทำให้เรามีศักยภาพในการวัดปรากฏการณ์เชิงอะตอมหรือโมเลกุลที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว (คล้ายกับการกรีดขอบหนังสือเพื่อดูภาพการ์ตูนเคลื่อนไหวในสมัยก่อนแต่เร็วกว่ามาก) เช่น พลศาสตร์ของการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของสสาร การถ่ายโอนอิเล็กตรอนในปฏิกิริยาเคมีเชิงแสง การทำงานของตัวเร่งปฏิริยา เป็นต้น โดยปรากฏการณ์เหล่านี้เป็นพื้นฐานความเข้าใจเชิงลึกในธรรมชาติของอะตอม โมเลกุล และเป็นต้นทางของการศึกษาวิจัยอัตโตฟิสิกส์ ที่เพิ่งได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2023
คณะเดินทางในอุโมงค์เครื่องเร่งอนุภาค ณ บริเวณต้นทางสถานี FLASH2 บรรยายโดย Dr. Juliane Rönsch-Schulenburg
Undulator และ waveguide ในระบบเครื่องเร่งอนุภาค
บางส่วนของสถานีทดลองตอนท้ายของ beamline
เราออกจากอุโมงค์ของ FLASH พร้อมกับฝนโปรยปราย ได้เวลาอาหารกลางวันพอดี หลังมื้อกลางวันพวกเรามีนัดไปเยี่ยมชม PETRA III (Positron-Electron Tandem Ring Accelerator) ซึ่งเป็นหนึ่งในแหล่งกำเนิดแสงซินโครตรอนของ DESY ชื่อ PETRA ถูกตั้งตามวัตถุประสงค์แรกเริ่มสร้างที่ใช้ในการศึกษาอนุภาคมูลฐาน โดยเฉพาะการชนกันของอิเล็กตรอนและโพสิตรอน โดยหนึ่งในการค้นพบที่สำคัญของ PETRA คือ การพบ กลูออน (gluon) ในปี 1979 ต่อมา PETRA ได้ถูกปรับเปลี่ยนวัตถุประสงค์ให้เป็นแหล่งกำเนิดแสงซินโครตรอน (synchrotron light source) และพัฒนามาจนถึงปัจจุบันเป็น PETRA III
สำหรับแสงซินโครตรอน พวกเราคนไทย โดยเฉพาะในวงการวิทยาศาสตร์ ค่อนข้างจะรู้จักกันดี เนื่องจากเราเองก็มีเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน อยู่ที่ห้องปฏิบัติการแสงสยาม สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน ซึ่งอยู่ในรั้วเดียวกับมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี หากจะเล่าคร่าวๆ แสงซินโครตรอน ก็คือ แสง หรือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่ปลดปล่อยออกมาจากอนุภาคประจุ (เช่น อิเล็กตรอน) ที่เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วเกือบเท่าอัตราเร็วแสง (เรียก relativistic particle ซึ่งได้เคยกล่าวถึงแล้วในตอนก่อนหน้า) ขณะมีความเร่งในแนวตั้งฉากกับทิศการเคลื่อนที่ หรือ พูดง่ายๆ ก็คือ อนุภาคที่วิ่งเร็วมากแล้วถูกทำให้เลี้ยวโค้ง คุณสมบัติเด่นของแสงซินโครตรอน คือ มีช่วงสเปกตรัมกว้าง (โดยทั่วไปตั้งแต่ รังสีใต้แดง จนถึง เอกซเรย์) มีความสว่างจ้าสูง และ มีลักษณะแสงเกือบเป็นลำแสงขนาน (very low divergence) พุ่งออกไปในทิศเดียวกับทิศความเร็วของอนุภาคต้นกำเนิด ลองนึกภาพง่ายๆ หากเปรียบเทียบอนุภาคต้นกำเนิดเป็นรถยนต์ที่กำลังเลี้ยวโค้ง แสงซินโครตรอนก็จะพุ่งออกไปเหมือนไฟหน้ารถ สมบัติเด่นดังกล่าวทำให้แสงซินโครตรอนเหมาะสมกับการศึกษาสมบัติเชิงอะตอมและโมเลกุล ของสสาร และวัสดุ โดนเฉพาะที่สารตัวอย่างมีปริมาณน้อยๆ เราอาจคุ้นชินกับแสงซินโครตรอนที่ผลิตขึ้นมาโดยมนุษย์ (จากเครื่องเร่งอนุภาค) แต่แสงซินโครตรอนก็สามารถพบได้ในปรากฏการณ์ธรรมชาติ โดยเฉพาะในอวกาศที่มีอนุภาคความเร็วสูงวิ่งผ่านบริเวณที่มีสนามต่างๆ ที่สามารถทำให้อนุภาคเบนในแนวโค้งและปลดปล่อยแสงซินโครตรอนออกมา เช่น บริเวณใกล้หลุมดำที่มีมวลมากๆ ก็สามารถตรวจพบแสงเอกซเรย์ซินโครตรอนพุ่งออกมา และ นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์สามารถใช้เป็นข้อมูลในการสร้างแบบจำลองของหลุมดำได้ เป็นต้น
กลับมาที่ PETRA III เป็นแหล่งกำเนิดแสงซินโครตรอนแบบวง ยุคที่ 3 (3rd generation) วงแหวนกักเก็บ (storage ring) ที่ใช้รักษาลำอิเล็กตรอนขณะใช้ผลิตแสง มีเส้นรอบวง 2.3 km พลังงานของอิเล็กตรอน 6.0 GeV นับเป็นแหล่งกำเนิดแสงแบบวงที่มีขนาดใหญ่ และ สามารถผลิตแสงซินโครตรอนที่มีความสว่างจ้ามากที่สุดแห่งหนึ่งของโลก มี 25 ระบบลำเลียงแสง อยู่ใน 3 โถงทดลองที่ตั้งชื่อตามนักวิทยาศาสตร์ชื่อดังซึ่งล้วนทำงานเกี่ยวกับ crystallography ของสสารและโมเลกุล คือ Max von Laue, Paul P. Ewald, และ Ada Yonath ความโชคดีเป็นของพวกเราอีกเนื่องจากไม่ได้อยู่ในช่วงเดินเครื่อง เราจึงสามารถเข้าไปในโถงวงแหวนกักเก็บได้ ภายในจะเห็นแม่เหล็กเลี้ยวเบน (dipole magnets) ซึ่งทำหน้าที่เบนลำอิเล็กตรอนให้เลี้ยวโค้ง แม่เหล็กสี่ขั้ว (quadrupole magnets) ที่คอยทำหน้าที่รักษาขนาดของลำอิเล็กตรอน และ undulators ที่ใช้ผลิตแสงซินโครตรอนในตอนต้นทางของสถานีลำเลียงแสงต่างๆ
หลังจากออกจากโถงวงแหวนกักเก็บ เราได้มีโอกาสไปชมสถานีทดลอง เนื่องจากสถานีทดลองมีจำนวนมาก และด้วยเวลาที่จำกัด แน่นอนว่าทางเจ้าบ้านต้องเลือกที่จะนำเสนอเทคนิคที่โดดเด่นเป็นหน้าเป็นตาของห้องปฏิบัติการ สถานีทดลองนี้เป็นสถานีทดลองร่วมพัฒนาของหลายมหาวิทยาลัยกับ PETRA III โดยพื้นฐานแล้วเทคนิควิเคราะห์ด้านซินโครตรอนแทบทั้งหมดอาศัยความรู้เกี่ยวกับอันตรกิริยาของแสงกับสสาร ไม่ว่าจะเป็น การดูดกลืน การกระเจิง การเลี้ยวเบน การไอออไนซ์ ฯลฯ และสารตัวอย่างที่เราคุ้นชินกันมักจะอยู่ในสถานะควบแน่น (condensed phase) ไม่ว่าจะเป็น ของแข็ง หรือ ของเหลว ทั้งในรูปแบบ ผลึก ผง ฟิล์ม ฯลฯ ที่สถานีทดลองมีเครื่องเร่งไอออนอีกตัวหนึ่งสำหรับเทคนิคที่ผมได้รู้จักเป็นครั้งแรกในชีวิต คือ PIPE (Photon-Ion Spectrometer PETRA III) ที่สามารถใช้ศึกษาอันตรกิริยาของแสงเอกซเรย์กับไอออนในสถานะแก๊ส (photoionization with ion targets) ซึ่งข้อมูลที่ได้จะต่างจากสารตัวอย่างที่เป็นสถานะควบแน่นซึ่งเป็นระบบหลายอนุภาค แต่ไอออนในสถานะแก๊สนั้น (รวมถึงกลุ่มของอะตอม หรือ โมเลกุล ที่เรียก cluster ) เป็นระบบอนุภาคเดี่ยว หรือ อย่างมากก็มีเพียงไม่กี่อนุภาคใน cluster ทำให้นักวิจัยสามารถที่จะศึกษากระบวนการเปลี่ยนแปลงระดับชั้นพลังงานของอิเล็กตรอนในระบบเชิงควอนตัมขนาดเล็กเหล่านี้ได้ เราพากันเดินออกจากโถงด้วยความตื่นเต้นที่ได้เห็นเครื่องมือชั้นเยี่ยม ที่จะสามารถทำให้เราเข้าถึงความเข้าใจธรรมชาติเชิงลึกได้เช่นนี้ แอบคิดหวังอยู่คนเดียวว่า หากเราจะมีเทคนิคแบบนี้กับเครื่องกำเนิดแสงเครื่องใหม่ที่ไทยกำลังจะสร้างก็คงจะดี….
ก่อนออกจาก DESY เราได้ไปเยี่ยม Klaus Flöttmann ที่ห้องปฏิบัติการ REGAE (Relativistic Electron Gun for Atomic Exploration) ซึ่งมีงานวิจัยหลัก คือ ผลิตลำอิเล็กตรอนที่มีห้วงสั้นมากสำหรับการเลี้ยวเบนอิเล็กตรอนระดับเฟมโตวินาที (Femtosecond Electron Diffraction) เราทราบกันว่าอิเล็กตรอนที่เลี้ยวเบนผ่านสสาร เช่น ผลึก สามารถบอกโครงสร้างระดับอะตอมของสสารได้ แต่หากเราใช้อิเล็กตรอนที่มีห้วงสั้นระดับเฟมโตวินาที เราจะสามารถศึกษาการเปลี่ยนแปลงตามเวลาของโครงสร้างเหล่านั้นได้ด้วย ในทางเทคนิค การผลิตอิเล็กตรอนห้วงสั้นระดับ ~10 เฟมโตวินาที นั้นไม่ใช่งานง่าย แต่นี้ คือ Klaus ผู้ที่พัฒนาโค้ด ASTRA (A Space charge Tracking Algorithm) สำหรับการจำลองพลศาสตร์ของอิเล็กตรอนในเครื่องเร่งอนุภาคให้พวกเราที่ศึกษาพลศาสตร์ของลำอิเล็กตรอน ได้ใช้ออกแบบเครื่องเร่งอนุภาคและศึกษาสมบัติของลำอิเล็กตรอน นับเป็นคุณูปการต่อวงการอย่างยิ่ง ในฐานะที่ก็ได้ใช้โค้ดนี้ทำงานอยู่บ้าง ก็อดยิ้มไม่ได้ที่ได้จับมือกับ “the legacy” คนหนึ่ง
เช่นเดิม ต้องขอขอบคุณนักวิจัยของทั้ง FLASH2, PETRA III และ REGAE อย่างยิ่งที่มีน้ำใจในการต้อนรับและพาพวกเราเดินชมพร้อมบรรยาย ตอบคำถามที่เราถามกันอย่างสนุกสนานเต็มเปี่ยมไปด้วยแรงบันดาลใจและความรู้ใหม่ๆ
ภายในอุโมงค์วงแหวนกักเก็บอิเล็กตรอนของ PETRAIII บรรยายโดย Dr. Markus Hoffmann
สถานีทดลอง PIPE (Photon-Ion Spectrometer PETRA III) ในโถงทดลองของ PETRAIII แม่เหล็กตัวโตสีน้ำเงินใช้เบนลำไอออน
อุปกรณ์ในแชมเบอร์สุญญากาศของห้องปฏิบัติการ REGAE (Relativistic Electron Gun for Atomic Exploration) และรูปถ่ายกับหัวหน้าห้องปฏิบัติการ Klaus Flöttmann
===============================================
เว็บไซต์ของ FLASH: FLASH – Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
เว็บไซต์ของ PETRA III: PETRA III
===============================================
ตอนที่ 1: บันทึกการเดินทางเยี่ยมหน่วยงานวิจัย ณ สหพันธรัฐเยอรมนี ตอนที่ 1
ตอนที่ 3: บันทึกการเดินทางเยี่ยมหน่วยงานวิจัย ณ สหพันธรัฐเยอรมนี ตอนที่ 3
ตอนที่ 4: บันทึกการเดินทางเยี่ยมหน่วยงานวิจัย ณ สหพันธรัฐเยอรมนี ตอนที่ 4
