โดย: ผศ.ดร.ธีรวรรณ บุญญวรรณ 
                                                                                        และ รศ.ดร.สมศร สิงขรัตน์

เกือบสองปีแล้วสิครับที่ผู้เขียนทั้งสองเดินทางไปที่ Chalmers University of Technology ประเทศสวีเดน เพื่อทำการรื้อถอนและขนย้ายเครื่องแทนเดอตรอน (Tandetron) มูลค่ากว่าสิบล้านบาทที่ได้รับบริจาคจากภาควิชาฟิสิกส์ของที่นั่น เครื่องมือนี้ยังอยู่ในสภาพดีและใช้ในการผลิตนักศึกษาปริญญาเอกไปเพียงคนเดียว ก็มีอันเลิกใช้ เรามีเวลาเพียงสองสัปดาห์ในการถอดชิ้นส่วนเครื่องแทนเดอตรอน ยาวกว่าสิบเมตร หนักเกินสิบตัน และบรรจุลงกล่องเพื่อขนส่งกลับมายัง มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

ช่วงนั้นเป็นต้นเดือนธันวาคมก่อนคริสต์มาสสองสัปดาห์พอดิบพอดี เราได้กำลังเสริมอีกสี่คน พร้อมวิศวกรจากบริษัทผู้ผลิตเครื่องนี้ ผู้ซึ่งจะต้องดูแลการถอดส่วนหัวเครื่องที่บอบบางและยุ่งยากเป็นการเฉพาะ เราทำงานกันตลอดเวลาไม่เว้นแม้วันหยุด ตั้งแต่ 8 โมงเช้าถึง 6 โมงเย็น จำได้ว่าเราเห็นแสงแดดผ่านหน้าต่างในวันที่อากาศดีเพียงครั้งหรือสองครั้ง และแล้วเราก็ทำสำเร็จ หลังจากที่เสียเอว (ปวด) เสียกางเกง (ขาด) เสียมือ (เป็นแผล)และฯลฯ เครื่องแทนเดอตรอนก็ลงไปอยู่ในกล่องไม้ขนาดใหญ่จำนวน 20 กล่อง วางเรียงรายรอการขนส่ง ซึ่งค่าขนส่งได้รับความสนับสนุนจากมหาวิทยาลัยเชียงใหม่ โดยท่านอธิการบดีและคณบดีคณะวิทยาศาสตร์อนุมัติให้เป็นกรณีพิเศษ

รูปที่ 1

และวันนี้ ที่อาคารเทคโนโลยีไอออนบีม ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ เครื่องแทนเดอตรอนได้ถูกรื้อออกจากกล่องเพื่อเตรียมการติดตั้ง (รูปบน) โดยได้รับทุนอุดหนุนการติดตั้งจากศูนย์โลหะและวัสดุแห่งชาติด้วยวงเงิน 1.59 ล้านบาท คงสงสัยกันแล้วสิว่าเครื่องมือนี้สำคัญและมีประโยชน์อย่างไร เราจึงต้องยอมลงทุนครั้งใหญ่และเหน็ดเหนื่อยกันอีกครั้ง

เครื่องแทนเดอตรอนเป็นเครื่องเร่งอนุภาคแบบทบทวีหรือภาษาอังกฤษเรียกว่าแทนเดม (tandem) ซึ่งพัฒนาต่อเนื่องมาจากเครื่องเร่งอนุภาคแบบแวนเดอกราฟฟ์ (Van de Graaff) ที่เลื่องชื่อ ใช้หลักการเร่งอนุภาคด้วยศักย์ไฟฟ้าสูงค่าเดียว แต่ซอยออกเป็นช่วงย่อยๆด้วยท่อเร่ง (accelerating tube) ได้รับการจดสิทธิบัตรในปีคศ. 1935 โดย W.H. Bennet จากมหาวิทยาลัยโอไฮโอ สหรัฐอเมริกา และ G. Gerthsen และ O. Peter จากมหาวิทยาลัยกีเซ็น เยอรมันนี มีหลักการทำงานแสดงโดยสังเขปดังรูปที่ 2

รูปที่ 2

โดยยิงไอออนลบจากแหล่งกำเนิดด้วยพลังงานราว 20-80 keV เข้าสู่ท่อเร่งของแทนเดมด้านกราวด์ที่ซึ่งบริเวณกึ่งกลางมีศักย์ไฟฟ้าสูง +V₀ ขนาดหลายร้อย kV ถึง MV อยู่ทำให้ไอออนลบถูกดึงเข้าหาจนมีพลังงาน eV₀ ไอออนลบนี้จะวิ่งผ่านแผ่นหรือก๊าซเปลื้องประจุลบ (stripping foil หรือ gas) ทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกไปสองตัว ไอออนลบจึงกลายเป็นไอออนบวก ณ บริเวณกึ่งกลางแทนเดม จากนั้นไอออนบวกจะถูกผลักด้วยศักย์ไฟฟ้าเดิมออกทางด้านกราวด์ที่ปลายอีกข้างหนึ่งของแทนเดม ทำให้ไอออนมีพลังงานเพิ่มเป็น 2eV₀ และหากต้องการให้ไอออนมีพลังงานมากขึ้นกว่านี้นิยมนำเครื่องเร่งแทนเดมสองหรือมากกว่ามาต่อเชื่อมกัน ทั้งนี้ภายในแทนเดมต้องบรรจุก๊าซฉนวนอย่าง SF₆ เพื่อป้องกันการดิสชาร์จของศักย์ไฟฟ้าสูง

สำหรับเครื่องแทนเดอตรอนที่ได้รับบริจาคเป็นรุ่น 5 SDH-2 1.7 MV ที่วิธีการผลิตศักย์เร่งใช้หลักการผลิตแรงดันไฟฟ้าสลับความถี่ 50 kHz แล้วแปลงเป็นไฟตรงด้วยวงจรทวีแรงดันแบบ Cockcroft-Walton ทำให้ได้ศักย์เร่งที่มีเสถียรภาพดี สามารถจ่ายกระแสไอออนได้สูง ปราศจากปัญหาการสั่นสะเทือนและมีอายุการใช้งานที่ยืนยาวกว่าวิธีสายพานลำเลียงประจุแบบดั้งเดิม อันเป็นเอกสิทธิ์เฉพาะของบริษัท HV Engineering Europa B.V. ประเทศเนเธอแลนด์ ซึ่งได้ตั้งชื่อนวัตกรรมของตัวเองนี้ว่า เครื่องเร่งอนุภาคแทนเดอตรอน (เครื่องเร่งอนุภาคแบบแทนเดมที่ใช้เทคนิคของแวนเดอกราฟฟ์ เรียกกันว่า Tandem Van de Graaff)

จะเห็นได้ว่าพลังงานไอออนที่ผลิตได้จากเครื่องแทนเดอตรอนนี้สูงถึง 3.4 MeV เมื่อประกอบเสร็จ ก็จะได้เครื่องมือมีรูปร่างหน้าตาคล้ายรูปที่ 3 ซึ่งประกอบไปด้วย ส่วนของแหล่งกำเนิดไอออน (ion source) ส่วนเครื่องเร่งแทนเดม (accelerator) และ สถานีทดลองต่างๆ (experiment chamber) ประโยชน์ที่จะได้จากเครื่องแทนเดอตรอนที่มีพลังงานขนาดนี้แบ่งได้เป็นสองด้านหลักๆคือ material analysis และ high energy ion implantation โดยด้านแรกใช้ผลิตและเร่งไอออนกระสุนของกระบวนการวิเคราะห์ธาตุองค์ประกอบของวัสดุ อาทิเช่น 

 
รูปที่ 3

1. Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) โดยใช้วิธีการดังรูปที่ 4 วัดพลังงานของไอออนกระสุนเช่น ฮีเลียม ที่กระดอนกลับ (recoiled ions) ทำให้สามารถตรวจหาธาตุองค์ประกอบของเป้า (sample) ได้ถึงระดับ 1-100 ppm

รูปที่ 4

2. Particle Induced X-ray and Gamma Emission (PIXE and PIGE) อนุภาคในเป้าปลดปล่อยรังสีเอ็กซ์หรือรังสีแกมมาออกมาเนื่องจากการชนของไอออนกระสุน ดังรูปที่ 5 วิธีนี้มีความไวระดับ 1 ppm และสามารถวิเคราะห์ธาตุหลายชนิดในเป้าได้ในเวลาเดียวกัน

รูปที่ 5

3. Nuclear Reaction Analysis (NRA) คล้ายวิธีที่ 2 แต่อนุภาคที่ตรวจวัดได้ดังในรูปที่ 6 เช่น โปรตอน ดิวทีรอน ตริตอน อัลฟา เป็นผลจากปฏิกริยานิวเคลียร์ระหว่างไอออนกระสุนกับนิวเคลียสเป้า

รูปที่ 6

 4. Accelerator Mass Spectroscopy (AMS) วิธีนี้ใช้เครื่องแทนเดอตรอนร่วมกับแม่เหล็กวิเคราะห์มวล เพื่อการวิเคราะห์ธาตุองค์ประกอบ อาทิเช่นการหาปริมาณคาร์บอน-14 เพื่อประเมินอายุของวัตถุโบราณ เป็นต้น

คุณประโยชน์อีกด้านคือ ใช้ในการ doping หมายถึงการเติมอะตอมมลทินให้แก่สารกึ่งตัวนำเพื่อปรับสภาพการนำไฟฟ้าตามที่ต้องการ โดยทั่วไปจะใช้วิธี impurity diffusion คือระเหยอะตอมมลทินให้แพร่เข้าสู่สารกึ่งตัวนำที่อุณหภูมิสูง (~1000 C) ขณะที่วิธีการฝังอะตอมมลทินด้วยวิธี ion implantation สามารถกำหนดความลึกของอะตอมมลทินได้ โดยเลือกพลังงานของอะตอมมลทินที่เหมาะสมและยังสามารถควบคุมจำนวนของอะตอมมลทินที่จะฝังลงไปได้เพราะสามารถวัดกระแสไอออนมลทินได้อย่างแม่นยำ
สิ่งไม่คาดฝันว่าประเทศไทยจะมีเครื่องมือที่สามารถเพิ่มศักยภาพแก่นักวิทยาศาสตร์ไทยในงานวิจัยและพัฒนาด้านวัสดุศาสตร์ เทคโนโลยีสารกึ่งตัวนำ ฟิล์มบาง ฯลฯ บัดนี้ได้เริ่มเป็นรูปเป็นร่างขึ้นแล้วที่นี่ เราหวังว่าอีกไม่นานเราคงได้ใช้ประโยชน์ดังที่ตั้งใจ …ในอนาคตอันใกล้

• ถิรพัฒน์ วิลัยทอง "ฟิสิกส์ขั้นพื้นฐานของเครื่องเร่งอนุภาค" มิ่งเมือง 2544

• www.uwo.ca/isw/facilities/tandem/