สนามแม่เหล็กในเครื่องเร่งอนุภาคพลังงานสูง

เครื่องเร่งอนุภาค(particle accelerator) คือเครื่องมือที่เร่งให้อนุภาคมีความเร็วและมีพลังงานสูงซึ่งถูกนำไปใช้ประโยชน์หลายอย่างทั้งทางด้านการวิจัยวิทยาศาสตร์พื้นฐานด้านการแพทย์และด้านอุตสาหกรรม ตัวอย่างเช่น เครื่องเร่งอนุภาคขององค์กรวิจัยนิวเคลียร์ยุโรป(CERN) สามารถเร่งให้อนุภาคโปรตอนมีความเร็ว 0.999999989 เท่าของความเร็วแสงมีพลังงานสูงถึง 6.5 Tev ( โดยที่พลังงาน 1.0 eV = 1.6 x 10^{-19} จูล ) และนำไปสู่การค้นพบอุนภาคมูลฐานฮิกส์โบซอน(Higgs boson) ในปีค.ศ. 2015 สำหรับประเทศไทยเรามีเครื่องกำเนิดแสงสยามที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารีซึ่งสามารถเร่งอิเล็กตรอนให้มีพลังงานสูงถึง 1.2 GeV ที่ความเร็ว 0.999999909 เท่าของความเร็วแสงและใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสงซินโครตรอน (synchrotron radiation) ย่านความถี่เอ็กซ์เรย์สำหรับงานวิจัยวัสดุและสารชีวโมเลกุล

รูปที่ 1 เครื่องตรวจจับ (detector) อนุภาคที่เกิดจากการชนกันของโปรตอนที่ CERN (ภาพจาก http://www.elmundo.es/ciencia/2015/12/15/56706471e2704ec5788b466e.html)

ส่วนประกอบที่สำคัญสำหรับเครื่องเร่งอนุภาคคือ อุปกรณ์สำหรับบังคับทิศทางและโฟกัสลำอนุภาคในการบังคับทิศทางของลำอนุภาคนั้นเราใช้สนามแม่เหล็ก 2 ขั้วหรือ Magnetic Dipole จากกระแสไฟฟ้าที่ไหลในเส้นลวดนำกระแสไฟฟ้าจำนวนหลายเส้นที่วางตัวในแนวขนานไปกับลำของอนุภาคดังรูปที่ 2 ตรงกลางระหว่างเส้นลวดเป็นท่อสุญญากาศทรงกระบอกสำหรับให้ลำอนุภาคเคลื่อนที่ผ่านเส้นลวดกระแสแบ่งออกเป็น2 ซีก นำไฟฟ้าในทิศทางตรงข้ามกันทำให้เกิดสนามแม่เหล็กบริเวณตรงกลางทรงกระบอกซึ่งค่อนข้างมีความสม่ำเสมอลำอนุภาคเคลื่อนที่ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กที่กลางกระบอกและเกิดการเลี้ยวโค้งเนื่องจากแรงแม่เหล็ก

รูปที่ 2 แบบจำลองMagnetic Dipole จากกระแสไฟฟ้า (ลูกศรสีขาว) ที่ไหลสวนทางกัน เมื่อลำเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็กจะมีแรงแม่เหล็กมากระทำให้อนุภาคเลี้ยวเบน (ในรูปนี้โปรตอนจะถูกเบนให้โค้งไปทางขวา) ความยาวของ Magnetic Dipole ที่ CERN มีค่าประมาณ 14 เมตร ท่อสุญญากาศมีรัศมีประมาณ 2.5 เซ็นติเมตร และลำอนุภาคมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 1 มิลลิเมตร

อนุภาคในเครื่องเร่งอนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่สูงมาก จึงต้องใช้สนามแม่เหล็กที่มีความเข้มมาก ทำให้ต้องใช้ขดลวดตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิ 1.9 เคลวิน สำหรับการสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มสูงถึงประมาณ 8.3 เทสลา ซึ่งสูงมากเมื่อเทียบกับสนามแม่เหล็กโลกที่ประมาณ 0.00004 เทสลา และสูงกว่าสนามแม่เหล็กของเครื่อง MRI ที่ 2-3 เทสลา

รูปที่ 3 พื้นที่หน้าตัดของแม่เหล็กไดโพล แสดงเส้นลวดตัวนำยิ่งยวดประกอบท่อสุญญากาศจำนวน 2 ท่อ สำหรับลำอนุภาคโปรตอนจำนวน 2 ลำที่เคลื่อนที่สวนทางกัน (ภาพจาก https://www.flickr.com/photos/nonstandard/3677569305)

ในความเป็นจริงนั้นอุปกรณ์Magnetic Dipole มีความโค้งที่สอดคล้องกับความโค้งของการเคลื่อนที่ของลำอนุภาคภายในไดโพลเพื่อรักษาให้ลำอนุภาคอยู่ตรงกลางตลอดเวลาที่ CERN มีการติดตั้งMagnetic Dipole จำนวน1232ชิ้นที่ระยะห่างเท่า ๆกันตามเส้นทางการเคลื่อนที่ของลำอนุภาคที่คล้ายวงกลมความยาวเส้นรอบวงประมาณ27 กิโลเมตร ดังรูปที่4 ระหว่างที่อนุภาคเคลื่อนที่ภายนอกMagnetic Dipole นั้นมันจะเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง

รูปที่ 4 การติดตั้งMagnetic Dipole รอบวงกลม รูปนี้วาดแสดงเป็นตัวอย่างเพียง6 ชิ้น (ที่ CERN มีถึง 1323 ชิ้น)

ในขณะที่ลำอนุภาคเคลื่อนที่ภายในท่อสุญญากาศ ลำอนุภาคจะกระจายออกเนื่องจากสาเหตุหลายประการด้วยกัน เช่น แรงกระทำระหว่างอนุภาคด้วยกันเองความไม่สมบูรณ์ของสนามแม่เหล็ก การกระจายตัวของความเร็วเริ่มต้นในลำอนุภาค ทำให้รัศมีของลำอนุภาคค่อยๆ ใหญ่ขึ้น จึงต้องมีอุปกรณ์สร้างสนามแม่เหล็กอีกประเภทหนึ่งเพื่อบีบให้ลำอนุภาคมีขนาดเล็กอยู่ตลอดเวลา อุปกรณ์นั้นคือ Magnetic Quadrupole ซึ่งสร้างสนามแม่เหล็กจากกระแสไฟฟ้าในเส้นลวดเช่นเดียวกับ Dipole โดยที่กระแสในQuadrupole แต่ละชิ้นแบ่งออกเป็น4 ปีก (เลข1 ถึงเลข4) ในแต่ละปีกมีลวดตัวนำยิ่งยวดประมาณ30 กว่าเส้นในแต่ละเส้นมีกระแสไฟฟ้าขนาดหลายพันแอมแปร์ทำให้ได้กระแสไฟฟ้ารวมหลายแสนแอมแปร์เนื่องจากกระแสไฟฟ้ามีค่ามากแรงระหว่างเส้นลวดจึงมีขนาดมากด้วยเช่นกันบริเวณรอบ ๆลวดตัวนำเป็นวัสดุที่มีส่วนประกอบของเหล็กที่ยึดลวดให้คงรูปร่างเดิมไว้บริเวณที่เป็นเหล็กนี้มีค่าสภาพยอมสัมพัทธ์สูงซึ่งช่วยในการวนของสนามแม่เหล็กไม่ให้ออกไปสู่ภายนอก

รูปที่ 5 หน้าตัดของMagnetic Quadrupole ที่CERN ลวดตัวนำยิ่งยวดมีจำนวน4 บริเวณกระแสในบริเวณที่1 และ3 ไหลทิศเดียวกันและตรงข้ามกับกระแสในบริเวณ2 และ4 อนุภาคโปรตอนในแต่ละท่อมีทิศตรงกันข้ามก่อนจะถูกบังคับให้มาชนกันในบริเวณที่เป็นเครื่องตรวจจับอนุภาค ความยาวของ Quadrupole มีค่าประมาณ 8 เมตรและมีจำนวน 392 ชิ้นที่ CERN (ภาพจาก http://irfu.cea.fr/Sap/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_visu.php?id_ast=2411)

ลูกศรสีแดงในรูปที่ 6 แสดงทิศของแรงที่กระทำกับอนุภาคประจุบวกในสนามแม่เหล็ก จะเห็นว่าในแกน x อนุภาคจะถูกบีบเข้าหากัน และในแกน y อนุภาคจะกระจายออกจากกัน ลักษณะคล้ายคลื่นแสงที่ผ่านเลนส์นูนและเลนส์เว้า เราเรียกเลนส์ที่ใช้สนามแม่เหล็กว่าMagnetic Lens หรือเลนส์แม่เหล็กหากอนุภาคถูกเบนเข้าหาแกนกลางแสดงว่าเลนส์แม่เหล็กทำตัวคล้ายเลนส์นูนที่มีความยาวโฟกัสเป็นบวก หากอนุภาคถูกเบนออกจากแกนกลางแสดงว่าเลนส์แม่เหล็กทำตัวคล้ายเลนส์เว้าที่มีความยาวโฟกัสเป็นลบ (ดูรูปที่ 6)

รูปที่ 6 หน้าตัดของMagnetic Quadrupole แสดงการไหลของกระแสไฟฟ้าที่สร้างสนามแม่เหล็ก (เส้นลูกศรสีดำ) และแรงแม่เหล็กที่กระทำกับอนุภาค (เส้นลูกศรสีแดง)

เราจะเห็นว่าสนามแม่เหล็กบีบอนุภาคเข้าหากันในทิศทางหนึ่ง แต่กระจายอนุภาคออกจากกันในอีกทิศทางหนึ่ง เราสามารถทำให้ให้อนุภาคถูกบีบทั้งสองทิศทางโดยการติดตั้งอุปกรณ์ Magnetic Quadrupole จำนวนหลายชิ้นระเป็นระยะๆ ตามเส้นทางการเคลื่อนที่ของลำอนุภาค โดยสลับทิศของกระแสของ Quadrupole แต่ละคู่เพื่อให้เสมือนกับมีเลนส์นูนและเลนส์เว้าสลับกันไปตลอด ซึ่งจากการคำนวณง่ายๆ ทางฟิสิกส์สำหรับเลนส์นูนและเลนส์เว้าที่วางสลับกันไปจะได้ความยาวโฟกัสที่เป็นบวก หรือเลนส์รวมเป็นเลนส์นูนที่คอยออกแรงบีบอนุภาคเข้าหากันเสมอ ทำให้ลำอนุภาคมีขนาดเล็กตลอดเวลา

รูปที่ 7 เมื่อสลับทิศกระแสไฟฟ้าใน Magnetic Quadrupole สองชิ้นที่อยู่ติดกัน จะทำให้เกิดการสลับขั้วแม่เหล็กและสลับสมบัติของเลนส์นูนและเลนส์เว้า โดยที่เลนส์รวมมีความยาวโฟกัสเป็นบวก (หรือเลนส์รวมมีค่าเป็นเลนส์นูนทั้งแกน x และ แกน y) ทำให้ลำอนุภาคโดนบีบเข้าหากันมีขนาดเล็กตลอดเวลา (ภาพจาก http://www.lhc-closer.es/taking_a_closer_look_at_lhc/0.magnetic_multipoles)

นอกจากอุปกรณ์แม่เหล็กประเภท Dipole และ Quadrupole แล้ว ยังมีอุปกรณ์แม่เหล็กชนิดอื่น ๆอีกหลายพันชิ้นตลอดเส้นรอบวงของเครื่องเร่งอนุภาคที่ CERN
Attaining PMP certification can be an essential step towards furthering your project management career, but many aspirants to the PMP exam face concerns regarding its cost. Costs vary based on factors like membership eligibility, exam preparation costs and retake fees - yet investing in earning it will pay dividends later on! Understanding all these expenses helps budget for and plan the exam journey successfully.
click here to know more about PMP dumps 2023
Earning your PMP certification is a key element to building a rewarding project management career, yet many individuals may hesitate due to its cost. Exam expenses typically include membership fees, exam fees and study materials (which will depend on where and how often you take exams), with total costs depending on location and personal choices. Although expenses associated with taking the exam can be significant, getting certified often opens doors for increased career opportunities and higher salaries in your profession; so consider it as an investment into future success!
know more about PMP dumps 2023 here  

• [1] Lyndon Evans. The Large Hadron Collider. Phil. Trans. R. Soc. A (2012) 370, 831–858
• [2] L. Rossi, L. Bottura. Superconducting Magnets for Particle Accelerators. WSPC/253-RAST : SPI-J100
• [3] LHC the guide. http://press.cern/press-kit (สืบค้นเมื่อวันที่ 20 พฤศจิกายน พ.ศ. 2559)
• [4] https://home.cern/(สืบค้นเมื่อวันที่ 20 พฤศจิกายน พ.ศ. 2559)
• [5] ข้อสอบทฤษฎีข้อที่ 3 ในการแข่งขันฟิสิกส์โอลิมปิกระดับชาติ พ.ศ. 2560. http://mpec.sc.mahidol.ac.th/forums/index.php/topic,6569.msg43261.html#msg43261 (สืบค้นเมื่อวันที่ 15 กรกฎาคม พ.ศ. 2560)
• [6] http://www.slri.or.th/ (สืบค้นเมื่อวันที่ 20 พฤศจิกายน พ.ศ. 2559)
• [7] J. Holmes, Stuart Henderson, Yan Zhang เอกสารประกอบการบรรยายเรื่อง Magnetic Fields and Magnetic Design. USPAS. Vanderbilt University. (2009)

เรียบเรียงโดย กองบรรณาธิการวิชาการ.คอม