MENU
Banner

Terahertz Device : Smith-Purcell Radiation

Terahertz
บทความ : ทีมวิจัยเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์
กลุ่มวิจัยอุปกรณ์สเปกโทรสโกปีและเซนเซอร์ (SSDRG)
ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค-สวทช.)
วิดีโอ : ตุลลาวัฒน์ หอมสินธ์
ภาพปก : สุตาภัทร กันยง

คลื่นเทระเฮิรตซ์เป็นคลื่นที่ไม่ก่อให้เกิดอันตรายต่อเซลล์สิ่งมีชีวิต เนื่องจากเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีพลังงานในระดับต่ำ (ระดับ µeV) ซึ่งมีค่าน้อยกว่าพลังงานที่ต้องใช้สำหรับการกระตุ้นอิเล็กตรอนในวัสดุทั่วไป (ระดับ eV) จึงไม่ทำให้เกิดกระบวนการสูญเสียอิเล็กตรอน (Ionization) อันจะนำไปสู่ปฏิกิริยาเคมีอื่น ๆ ได้ง่ายนัก จากสาเหตุที่คลื่นเทระเฮิรตซ์มีพลังงานต่ำ (ความยาวคลื่นมาก) จึงถูกลดทอนในวัสดุต่าง ๆ ได้น้อย ทำให้มีคุณสมบัติทะลุทะลวงวัสดุได้มากกว่าคลื่นแสงหรืออินฟราเรด ส่งผลให้คลื่นเทระเฮิรตซ์สามารถทะลุผ่านวัสดุจำพวก พลาสติก เสื้อผ้า ไม้ หรือสารประกอบอินทรีย์ได้

นอกจากนี้คลื่นเทระเฮิรตซ์ยังสามารถเกิดได้จากอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุลซึ่งไม่สามาถตรวจวัดได้โดยเทคนิคทางสเปกโทรสโคปีที่พลังงานสูงได้ ทำให้คลื่นเทระเฮิรตซ์เป็นอีกหนึ่งทางเลือกในการใช้ศึกษาสารเคมีที่มีองค์ประกอบทางเคมีเหมือนกัน แต่มีโครงสร้าง การจัดเรียงตัวต่างกัน ซึ่งในทางปฏิบัติสารเหล่านี้จะมีสมบัติเชิงเคมีที่แตกต่างกันได้ จึงมีแนวคิดในการนำคลื่นเทระเฮิรตซ์ไปประยุกต์ใช้ในการตรวจสอบวัสดุบรรจุภัณฑ์แบบไม่ทำลาย เพื่อตรวจหาสารเสพย์ติด อาวุธ หรือสิ่งของผิดกฏหมาย

แม้จะมีความต้องการใช้คลื่นเทระเฮิรตซ์ แต่ขณะเดียวกันเทระเฮิรตซ์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่พบได้น้อยในธรรมชาติ เนื่องจากพลังงานที่ต่ำและการถูกดูดกลืนได้ง่ายจากสารประกอบที่มีไฮโดรเจนเป็นส่วนประกอบ โดยเฉพาะไอน้ำซึ่งมีอยู่ทั่วไปในชั้นบรรยากาศโลก นอกจานี้อุปกรณ์ที่ใช้ตรวจวัดยังมีการพัฒนาที่น้อยกว่าอุปกรณ์ตรวจวัดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในย่านอื่น ๆ จึงทำให้มีการนำคลื่นเทระเฮิรตซ์มาใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวันอย่างไม่แพร่หลายมากนัก ทั้งนี้ด้วยข้อจำกัดทางด้านเทคโนโลยีทำให้การผลิตคลื่นเทระเฮิรตซ์กระทำได้ยาก และหนึ่งในความท้าทายที่ทีมวิจัยเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์ เนคเทค-สวทช. เลือก คือการสร้างเครื่องกำเนิดสัญญาณคลื่นในย่านเทระเฮิรตซ์ ด้วยหลักการ Smith-Purcell Radiation (SPR)

การสร้างเครื่องกำเนิดสัญญาณคลื่นในย่านเทระเฮิรตซ์ ด้วยหลักการ Smith-Purcell Radiation

หลักการ Smith-Purcell Radiation (SPR)

ปรากฏการณ์ Smith-Purcell Radiation (SPR) ถูกค้นพบโดย Steve Smith และ Edward Purcell ในปี ค.ศ. 1953 [S. J. Smith and E. M. Purcell, Phys. Rev., 92 (1953) 1069.] โดยมีหลักการอย่างง่ายคือ การสร้างลำอิเล็กตรอนที่มีพลังงานในระดับกิโลอิเล็กตรอนโวลต์ ให้เคลื่อนที่ภายในห้องสุญญากาศระดับสูง ที่มีความดันต่ำกว่าระดับ 10-7 ทอร์ เคลื่อนที่เหนือผิวของแผ่นโลหะที่มีโครงสร้างเป็นเกรทติงแบบซ้ำกันหรือเรียกว่า Periodic Grating ดังรูปที่ 1.

Smith-Purcell radiation
รูปที่ 1. โครงสร้างของ Grating ที่ใช้ในการสร้างปรากฏการณ์ Smith-Purcell radiation

เมื่อลำอิเล็กตรอน (electron beam) ที่ถูกเร่งให้มีพลังงานจลน์ระดับกิโลอิเล็กตรอนโวลต์ วิ่งผ่านบริเวณเหนือ periodic grating สนามไฟฟ้าที่เกิดจากลำอิเล็กตรอนจะเหนี่ยวนำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้าบนพื้นผิวของเกรตติง โดยความเข้มของสนามไฟฟ้าจะมีการเปลี่ยนแปลง ที่ขึ้นกับระยะห่างระหว่างลำอิเล็กตรอนและผิวของเกรทติงโลหะนี้ จากการที่เกรทติงนี้มีรูปแบบที่ซ้ำกันสลับไปมา สนามไฟฟ้าที่ตำแหน่งต่าง ๆ ของการเคลื่อนที่ไปของลำอิเล็กตรอน จึงเกิดในลักษณะที่เป็นสัญญาณที่มีแอมพลิจูดสลับไปมาเกิดขึ้น จึงเปรียบเสมือนเสาอากาศที่มีการสั่นของสนามไฟฟ้า ทำให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแผ่ออกมาจากเกรทติงนี้ เรียกว่า Evanescent waves คลื่นดังกล่าวจะเกิดอันตรกิริยากับลำอิเล็กตรอน โดยความเร็วเฟสของคลื่นนี้ที่สอดคล้องกับความเร็วกลุ่มของลำอิเล็กตรอนจะทำให้เกิดการแทรกสอดที่เสริมกันในเชิงเฟส ส่งผลให้เกิดการแผ่รังสีที่มีความเข้มมากขึ้นในทิศทางที่เหมาะสม เรียกว่า Smith-Purcell Radiation โดยความยาวคลื่นที่เกิดนี้จะสามารถคำนวณได้จากสมการที่แสดงในรูปที่ 1.

Technical Challenge : การสร้างจากสิ่งที่มีอยู่

แหล่งกำเนิดคลื่นเทระเฮิรตซ์ที่มี Output Power สูง จากเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ จำเป็นต้องอาศัยโครงสร้างที่มีขนาดใหญ่ และต้องเงินลงทุนมหาศาล ทำให้การใช้การประยุกต์ใช้งานคลื่นเทระเฮิรตซ์จากแหล่งกำเนิดดังกล่าว ยังคงถูกจำกัดอยู่ที่สถาบันวิจัยขนาดใหญ่ซึ่งเข้าถึงการใช้งานได้ยาก ทางทีมวิจัยจึงมีแนวคิดในการใช้หลักการ Smith-Purcell Radiation (SPR) มาใช้ในการออกแบบและสร้างแหล่งกำเนิดคลื่นเทระเฮิรตซ์ (แสดงดังรูปที่ 2)

Smith-Purcell Radiation
รูปที่ 2. ระบบผลิตคลื่นเทระเฮิรตซ์จากลำอิเล็กตรอนที่พัฒนาโดยทีมวิจัย

โดยเป็นการใช้ประโยชน์จากลำอิเล็กตรอนพลังงานต่ำ ซึ่งใช้พื้นที่น้อย และสามารถเคลื่อนย้ายได้ง่าย เพื่อจุดประสงค์ในการเข้าถึงความต้องการใช้งานที่หลากหลาย การผลิตคลื่นเทระเฮิรตซ์จากปรากฏการณ์ SPR นี้ ต้องอาศัยองค์ประกอบหลัก 2 ประการคือ

  1. การผลิตลำอิเล็กตรอนให้มีค่า beam emittance น้อยกว่า 𝜋.mm.mrad โดยมีกระแสลำอิเล็กตรอนในระดับมิลลิแอมป์ เพื่อเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้าที่มีความเข้มมากเพียงพอ
  2. การผลิตเกรตติงโลหะที่มีคาบของแบบรูป (pattern period) ในระดับไมโครเมตร เนื่องจากการผลิตเกรตติงที่มีรูปแบบดังกล่าวจากแผ่นโลหะทั้งหมดไม่สามารถทำได้ด้วยเทคโนโลยีที่มีอยู่ในประเทศไทย ทางทีมวิจัยจึงประยุกต์ใช้เทคนิคการเคลือบโลหะบนผิวของสารกึ่งตัวนำที่มีแบบรูปของคาบที่กำหนดไว้ ผลิตเป็นเกรตติงภายในงานวิจัยนี้

จากการที่ลำอิเล็กตรอนนี้มีพลังงานต่ำทำให้ไม่จำเป็นต้องอาศัยศักย์ไฟฟ้าที่สูงมากนักในการเร่งให้มีพลังงานที่ต้องการ เป็นการลดต้นทุนการจัดการด้านความปลอดภัยและลดผลกระทบที่เกิดจากรังสีเอกซ์ซึ่งเกิดจากประจุไฟฟ้าที่มีความเร็วสูงชนกับโมเลกุลของอากาศภายในห้องสุญญากาศได้ โครงสร้างโดยรวมของระบบจึงมีขนาดกะทัดรัดเหมาะแก่การใช้งานที่อยู่ในระดับอุตสาหกรรมทั่วไป การสร้างระบบ SPR นี้เป็นการผลิตแหล่งกำเนิดคลื่นเทระเฮิรตซ์โดยอาศัยอุปกรณ์ที่มีอยู่หรือที่สามารถผลิตได้เองโดยหน่วยงานในประเทศ เป็นการสร้างระบบนิเวศวิจัยทางเลือกของแหล่งกำเนิดคลื่นเทระเฮิรตซ์ที่สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้ในอนาคต

ปัจจุบันเนคเทค-สวทช.ร่วมมือวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีด้านเทระเฮิรตซ์ร่วมกับ สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอนแห่งชาติ (องค์การมหาชน) หรือ Synchrotron Light Research Institute (SLRI) และศูนย์เทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ หรือ Thai Microelectronics Center (TMEC)

เว็บไซต์นี้ใช้งานคุกกี้ในการใช้งานสามารถใช้งานเว็บไซต์อย่างต่อเนื่องและมีประสิทธิภาพ เว็บไซต์นี้จะมีเก็บค่าคุกกี้ เพื่อให้การใช้งานเว็บไซต์ของท่านเป็นไปอย่างความราบรื่นและเป็นส่วนตัวมากขึ้น จึงขอให้ท่านรับรองว่าท่านได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายการใช้งานคุกกี้
ยอมรับ นโยบายความเป็นส่วนตัว