ความสำเร็จในการใช้ T-ray

เราอาจรู้จัก X rays จากคลินิกทันตกรรม หรือจุดตรวจสอบความปลอดภัยของสนามบิน แต่ไม่เหมือนกับ T-ray รังสี infrared คลื่นยาวชนิดนี้ สามารถประยุกต์ใช้งานได้หลายชนิด แต่จนเมื่อไม่นานมานี้ จึงสามารถผลิตให้มีกำลังสูงได้เพียงพอที่จะใช้งานได้ ปีที่แล้ว นักวิจัยได้ใช้เครื่องเร่งอนุภาคแบบเชิงเส้น (linear accelerator) ผลิตลำ T-ray ที่มีกำลังสูงมากที่สุดเท่าที่เคยผลิต ในรายงานที่ตีพิมพ์ ใน PRL ฉบับวันที่ 7 มีนาคม ทีมนักวิจัยได้อธิบายวิธีการผลิตลำ T-ray ที่มีความเสถียรจนใช้งานได้ โดยได้ปรับปรุง electron storage ring ที่ใช้ผลิต X ray ไปใช้ในการผลิต T-ray อุปกรณ์ T ray ในสหรัฐสามารถใช้งานได้ โดยให้ผลการทดลองเป็นไปตามแผน

T-rays เป็นลำรังสีที่มีความถี่ระดับ terahertz สามารถใช้ประโยชน์ได้จากความสามารถในการผ่านวัสดุได้หลายชนิด รวมทั้งเซลล์ของสิ่งมีชีวิต โดยไม่ทำให้เกิดความเสียหาย ในขณะเดียวกัน ก็ให้สเปกตรัมที่มีความไวสูงต่อองค์ประกอบของวัสดุ การประยุกต์ใช้ T-ray จึงทำได้ตั้งแต่การวิจัยพื้นฐาน เช่น การศึกษาคุณสมบัติของสารตัวนำยิ่งยวด (superconductor) ไปจนถึงการถ่ายภาพทางการแพทย์ และการใช้ในระบบรักษาความปลอดภัย มีบริษัทแห่งหนึ่งในอังกฤษประสบผลสำเร็จ ในการพัฒนาการใช้ T-ray เพื่อถ่ายภาพมะเร็งผิวหนัง นักวิจัยบางส่วนได้พัฒนาเพื่อนำไปใช้ในการตรวจสอบอาวุธเคมีและอาวุธชีวภาพ แต่ในขณะนี้ LED เลเซอร์ และระบบสุญญากาศ สามารถผลิตลำรังสีที่มีความถี่สูงกว่าหรือต่ำกว่า แต่ยังไม่มีวิธีการในการผลิตต้นกำเนิดรังสี terahertz กำลังสูงที่สะดวกมาใช้

ปีที่แล้ว ทีมนักวิจัยจาก Thomas Jefferson National Accelerator Facility ในรัฐเวอร์จิเนีย สหรัฐอเมริกา ได้พบวิธีเติมเต็ม terahertz gap โดยการใช้เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้น ในการผลิตลำ T-ray ขนาด 20 วัตต์ และนักวิจัยของ BESSY synchrotron radiation facility ในกรุงเบอร์ลิน ประเทศเยอรมันนี ได้ใช้เทคนิคที่คล้ายกัน แต่ให้ลำรังสีที่มีคุณภาพสูงกว่า

ในต้นกำเนิดรังสีซินโครตรอน (synchrotron radiation) อิเล็กตรอนจะให้รังสีออกมาขณะเคลื่อนที่ไปในสนามแม่เหล็กรอบ storage ring เครื่องเร่งอนุภาคแบบซินโครตรอนสามารถให้รังสีเอ็กซ์กำลังสูง สามารถใช้ในงานวิจัยหลายประเภท แต่ก็ให้ T-ray อย่างอ่อนออกมาเช่นกัน ซึ่ง Gode W?stefeld นักวิจัยของศูนย์วิจัย BESSY ได้อธิบายว่า การที่ T-ray มีกำลังอ่อน เนื่องจากอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบ storage ring เป็นกลุ่มเป็นช่วงห่างกันประมาณ 5 มิลลิเมตร แต่รังสีระดับ terahertz มีความยาวคลื่นน้อยกว่า 1 มิลลิเมตร อิเล็กตรอนในแต่ละกลุ่ม จะมีประมาณ 1 พันล้านอิเล็กตรอนที่ให้รังสีต่างเฟสกัน และหักล้างกัน ทำให้ T-ray ทั้งระบบมีกำลังต่ำ

จากการศึกษาของทีม BESSY แสดงให้เห็นว่า ถ้าปรับความเข้มของแม่เหล็กบางส่วนใน storage ring จะทำให้สามารถลดระยะของช่วงระหว่างกลุ่มอิเล็กตรอนลงได้ประมาณ 1 มิลลิเมตร อิเล็กตรอนแต่ละกลุ่มจึงเป็นเสมือนอนุภาคขนาดใหญ่ (macro-particle) ซึ่งจะให้ coherent T-rays ออกมาแบบเดียวกับลำเลเซอร์ โดยอยู่ในช่วงของแสงอินฟราเรด W?stefeld กล่าวว่า “ฟังดูแล้วเหมือนกับง่ายมาก แต่ตอนที่เราทำ เราต้องทำการปรับแก้หลายครั้งมาก เนื่องจากอุปกรณ์มักจะเคลื่อนไปหมดเมื่อมีการปรับค่า” ส่วนที่ Jefferson Lab's linear accelerator ใช้วิธีผลิตอิเล็กตรอนที่ให้รังสีเป็นพัลส์ ในระดับ terahertz โดยใน storage ring ซึ่งอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปเป็นวงกลม เมื่อจำนวนรอบมากขึ้นจะมีความเสถียรมากขึ้น และมีค่า signal-to-noise ratio สูงขึ้น

ส่วนที่ Jefferson Lab's linear accelerator ใช้วิธีผลิตอิเล็กตรอนที่ให้รังสีเป็นพัลส์ ในระดับ terahertz โดยใน storage ring ซึ่งอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปเป็นวงกลม เมื่อจำนวนรอบมากขึ้นจะมีความเสถียรมากขึ้น และมีค่า signal-to-noise ratio สูงขึ้น
นักวิจัยที่ Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) รัฐ California ได้สร้างอาคารเพื่อใช้ติดตั้ง storage ring ของอิเล็กตรอน สำหรับผลิต T-ray ขึ้นมาในห้องปฏิบัติการ ซึ่ง John Byrd นักวิจัยของ LBNL กล่าวว่า “เราได้ตั้งใจจะนำเสนอต้นกำเนิดตัวใหม่นี้ก่อนที่ BESSY จะได้ผล แต่เรื่องนี้เป็นปรากฏการณ์ที่ยังไม่เคยมีการตรวจพบมาก่อน เรารู้ว่ามันอยู่ที่นั่น แต่ไม่มีใครตรวจพบ เราเพิ่งจะมั่นใจเมื่อมันถูกตรวจพบโดย BESSY”

 
ถอดความจาก T-ray Triumph
โดย --Lea Winerman
Phys. Rev. Lett. 90, 094801 (issue of 7 March 2003)
References:
[1] G.L. Carr et al., Nature (London) 420, 153 (2002).
Brilliant, coherent far-infrared (THz) synchrotron radiation
M. Abo-Bakr, J. Feikes, K. Holldack, P. Kuske, W.B. Peatman, U. Schade, G. W?stefeld, and H.W. H?bers.