เกิดอะไรขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนเลี้ยวโค้ง น่าสนใจมากๆ !!

ฟิสิกส์ ฟิสิกส์ม.4 ฟิสิกส์มัธยม ฟิสิกส์มหาลัย โจทย์ฟิสิกส์ ข้อสอบฟิสิกส์
เมษายน 21, 2019, 01:23:12 PM *
ยินดีต้อนรับคุณ, บุคคลทั่วไป กรุณา เข้าสู่ระบบ หรือ ลงทะเบียน

เข้าสู่ระบบด้วยชื่อผู้ใช้ รหัสผ่าน และระยะเวลาในเซสชั่น
 
   หน้าแรก   ช่วยเหลือ ค้นหา เข้าสู่ระบบ สมัครสมาชิก  
คุยกับ webmaster
หน้า: [1]
  พิมพ์  
ผู้เขียน หัวข้อ: เกิดอะไรขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนเลี้ยวโค้ง น่าสนใจมากๆ !!  (อ่าน 3586 ครั้ง)
0 สมาชิก และ 1 บุคคลทั่วไป กำลังดูหัวข้อนี้
Webmaster™
Administrator
Sr. Member
*****
กระทู้: 269



เว็บไซต์
| |
« เมื่อ: เมษายน 17, 2011, 02:03:58 PM »

อิเล็กตรอนที่เลี้ยวโค้งส่งผลให้เกิดอะไรขึ้น

สิ่งที่ต้องทำความรู้จักเบื้องต้น!!! ก็คือ...

แสงซินโครตรอน
คือแสงที่ถูกปลดปล่อยยออกมาจากอิเล็กตรอนที่เลี้ยวโค้งด้วยความเร็วใกล้ความ เร็วแสง(ความเร็วสามร้อยล้านเมตรต่อวินาที หรือประมาณหนึ่งพันล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง)



ทำไมต้องแสงซินโครตรอน

แสงซินโครตรอนเป็นแสงความเข้มสูงที่มีค่า พลังงานต่อเนื่อง คลอบคลุมช่วงพลังงานกว้างตั้งแต่ช่วงของรังสีอินฟราเรดจนถึงรังสีเอ็กซ์ ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้หลากหลาย

เราผลิตแสงซินโครตรอนได้อย่างไร

ในการผลิตแสงซินโครตรอน เราต้องมีอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้ความเร็วแสง และบังคับให้เลี้ยวโค้ง ดังนั้นเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนจึงประกอบด้วยส่วนประกอบหลักสามส่วนคือ

   1. ปืนอิเล็กตรอน ใช้สำหรับผลิตลำอนุภาคอิเล็กตรอน
   2. ระบบเครื่องเร่งอนุภาค สำหรับเร่งความเร็วของลำอิเล็กตรอน
   3. วงกักเก็บอิเล็กตรอน สำหรับเก็บลำอนุภาคอิเล็กตรอนความเร็วสูง และบังคับให้เลี้ยวโค้งด้วยสนามแม่เหล็กเพื่อให้ปลดปล่อยแสงซินโครตรอน

ทำไมต้องอิเล็กตรอน

ความจริงแล้ว อนุภาคมีประจุทุกชนิดที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่ง ล้วนปล่อยแสงซินโครตรอนทั้งสิ้น แต่เนื่องจากความเข้มของแสงซินโครตรอนที่ปล่อยออกมาแปรผกผันกับมวลของอนุภาค ยกกำลังสี่ ในการผลิตแสงซินโครตรอนจึงต้องใช้อนุภาคมีประจุที่มีมวลน้อยที่สุด ซึ่งคืออิเล็กตรอนหรือโพสิตรอน แต่โพสิตรอนนั้นเป็น antiparticle ซึ่งการผลิตนั้นซับซ้อนยุ่งยาก เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนจึงใช้อิเล็กตรอน

เราผลิตอิเล็กตรอนได้อย่างไร
อนุภาคอิเล็กตรอนสามารถผลิตได้โดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า หลอดแคโธด ซึ่งมีส่วนประกอบดังรูป
ส่วนของแคโธดนั้นเป็นโลหะผสม เมื่อถูกเผาให้ร้อนจะทำให้อิเล็กตรอนบริเวณผิวโลหะหลุดออก และเมื่อจ่ายไฟฟ้าศักย์สูง (ปืนอิเล็กตรอนของเครื่องกำเนิดแสงสยามใช้ศักย์ไฟฟ้า 120 กิโลโวลต์) โดยให้แคโธดเป็นขั้วลบและแอโนดเป็นขั้วบวก อิเล็กตรอนซึ่งมีประจุเป็นลบจากแคโธดจะวิ่งเข้าหาแอโนดและทะลุผ่านออกไปสู่ เครื่องเร่งอนุภาคเพื่อเร่งพลังงานต่อไป

เราเร่งความเร็วอิเล็กตรอนได้อย่างไร

เมื่อลำอิเล็กตรอนถูกผลิตจากปืนอิเล็กตรอน จะเคลื่อนที่เข้าไปยังเครื่องเร่งอนุภาคทางตรง (Linear accelerator หรือ Linac) โดยที่เครื่องเร่งอนุภาคทางตรงนี้เป็นท่อทองแดงที่ถูกกั้นเป็นห้องๆ ดังรูป

ภาพแสดงโครงสร้างเครื่องเร่งอนุภาคทางตรง

ภายในท่อถูกเติมไว้ด้วยคลื่นไมโครเวฟกำลัง 8 ล้านวัตต์ ความถี่ 2856 MHz ซึ่งถูกผลิตจากอุปกรณ์ที่เรียกว่าไครสตรอน และถูกส่งมายังเครื่องเร่งอนุภาคทางตรงผ่านทางท่อนำคลื่น (wave guide) เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่เข้ามาในท่อก็จะถูกเร่งโดยสนามไฟฟ้าของคลื่น ไมโครเวฟ

          อิเล็กตรอนถูกเร่งโดยเครื่องเร่งอนุภาคทางตรงจนมีพลังงานเป็น 40 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ จากนั้นอิเล็กตรอนจะถูกส่งไปเร่งต่อในเครื่องเร่งอนุภาคแบบวงกลมที่เรียกว่า บูสเตอร์ซินโครตรอน (booster synchrotron)
แสดงภาพเครื่องเร่งอนุภาคทางตรง (LINAC)และบูสเตอร์ซินโครตรอน (SYN)

ในบูสเตอร์ซินโครตรอนมีกล่องทองแดงที่ เรียกว่าห้องคลื่นวิทยุ หรือ RF cavity ซึ่งภายในบรรจุคลื่นวิทยุกำลัง 35 กิโลวัตต์ ความถี่ 118 MHz เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่าน RF cavity ก็จะถูกเร่งโดยสนามไฟฟ้าของคลื่นวิทยุ ทำให้มีพลังงานเพิ่มขึ้นทีละน้อยในแต่ละรอบที่เคลื่อนที่อยู่ในบูสเตอร์ซิ นโครตรอน โดยอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ในบูสเตอร์ซินโครตรอน (ระยะเส้นรอบวง 43 เมตร) ประมาณ 4 ล้านรอบ ใช้เวลาประมาณ 0.6 วินาที ก็จะมีพลังงาน 1 พันล้านอิเล็กตรอนโวลต์ ซึ่งมีความเร็วประมาณ 99.999986% ของความเร็วแสง

ทำไมอิเล็กตรอนที่เลี้ยวโค้งจึงปลดปล่อยแสงซินโครตรอน

ตอบแบบง่าย อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคมี ประจุซึ่งมีอนุภาคที่เรียกว่าโฟตอนล้อมรอบ เมื่ออิเล็กตรอนเลี้ยวโค้งทำให้อนุภาคโฟตอนถูกสลัดออกมา (คล้ายกับการที่ของถูกสลัดออกจากรถยนต์ที่เลี้ยวโค้ง) อนุภาคโฟตอนที่ถูกสลัดออกมาก็คือแสงซินโครตรอน

ตอบแบบนักฟิสิกส์ ฟิสิกส์เบื้องหลังการปลดปล่อยแสงซินโครตรอนคือสมการแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์

สมการสี่สมการนี้บอกความสัมพันธ์ระหว่างประจุไฟฟ้า ()ความเร็วของการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า ()สนามไฟฟ้า ()และสนามแม่เหล็ก ()
โดยสามารถแปลสมการเหล่านี้เป็นคำพูดได้ คือ

   1. ประจุไฟฟ้าเป็นแหล่งกำเนิดสนามไฟฟ้า
   2. ประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสนามไฟฟ้า และเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็ก

ดังนั้นจึงสรุปได้ว่าประจุไฟฟ้าที่เคลื่อน ที่ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งสนามแม่เหล็กไฟฟ้าก็คือสิ่งที่เราเรียกว่าแสง และอิเล็กตรอนนั้นเป็นประจุไฟฟ้า ดังนั้นเราจึงสรุปได้ว่า อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ ปล่อยแสงเสมอ

          เมื่อทำการแก้สมการแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์ พบว่าสนามแม่เหล็กไฟฟ้า หรือก็คือแสงซินโครตรอนที่ปลดปล่อยออกมานั้นขึ้นกับความเร่งของอิเล็กตรอน นอกจากนั้นยังพบว่าความเร่งที่อยู่ในแนวตั้งฉากกับการเคลื่อนที่นั้นจะให้ แสงซินโครตรอนที่มีความเข้มสูงกว่าความเร่งในแนวขนานมาก นี่ เป็นเหตุผลที่เราต้องบังคับให้อิเล็กตรอนเลี้ยวโค้ง เนื่องจากในขณะที่เลี้ยวโค้งอิเล็กตรอนจะมีความเร่ง ซึ่งเราเรียกว่าความเร่งสู่ศูนย์กลาง ซึ่งมีทิศตั้งฉากกับแนวการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน

เราบังคับให้อิเล็กตรอนเลี้ยวโค้งได้อย่างไร
เราทำให้อิเล็กตรอนเลี้ยวโค้งได้โดยใช้ สนามแม่เหล็ก เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็กจะเกิดแรงในแนวตั้งฉากกับการ เคลื่อนที่ เรียกว่าแรงลอเรนทซ์ (Lolentz force) ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่เป็นส่วนโค้งของวงกลม โดยที่รัศมีความโค้งของการเลี้ยวสัมพันธ์กับค่าสนามแม่เหล็กละความเร็วของ อิเล็กตรอน เมื่อเลี้ยวโค้งอิเล็กตรอนก็จะปล่อยแสงซินโครตรอนออกมา

ในวงกักเก็บอิเล็กตรอนของเครื่องกำเนิดแสง สยาม มีแม่เหล็กบังคับเลี้ยว หรือเรียกว่า bending magnet จำนวน 8 ตัว ซึ่งเป็นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สร้างสนามแม่เหล็กโดยใช้ขดลวดพันรอบแกนเหล็ก และจ่ายกระแส 1800 แอมแปร์เข้าขดลวด เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กขนาด 1.44 เทสลา ทำให้อิเล็กตรอนเลี้ยวโค้งด้วยรัศมีความโค้ง 2.78 เมตร

ภาพแสดงแม่เหล็กบังคับเลี้ยว (bending magnet) ของวงกักเก็บอิเล็กตรอนของเครื่องกำเนิดแสงสยาม และการปล่อยแสงซินโครตรอนโดยอิเล็กตรอนที่เลี้ยวโค้ง

ภาพแสดงการปล่อยแสงซินโครตรอนโดยอิเล็กตรอน ที่เลี้ยวโค้งในแม่เหล็กบังคับเลี้ยวทั้งแปดตัวของวงกักเก็บอิเล็กตรอนของ เครื่องกำเนิดแสงสยาม

ทำไมจึงต้องเลี้ยวโค้งด้วยความเร็วสูง
เมื่ออิเล็กตรอนเลี้ยวโค้งด้วยความเร็วสูง จะเกิดผลตามทฤษฎีสัมพัทธภาพ ทำให้ช่วงเวลาที่อิเล็กตรอนปล่อยแสงนั้นหดสั้นลง ซึ่งทำให้เหมือนกับว่าแสงที่ปลดปล่อยออกมาจากหลายจุดในส่วนโค้งนั้นมาถึง พร้อมกัน ส่งผลทำให้แสงซินโครตรอนเป็นลำกรวยขนาดเล็กที่มีความเข้มสูง
<a href="http://www.youtube.com/watch?v=LTKEU0gfKxE" target="_blank">http://www.youtube.com/watch?v=LTKEU0gfKxE</a>


<a href="http://www.youtube.com/watch?v=_xv_GwCgpAc" target="_blank">http://www.youtube.com/watch?v=_xv_GwCgpAc</a>

Credit:www.slri.or.th


 


 

« แก้ไขครั้งสุดท้าย: เมษายน 17, 2011, 02:19:39 PM โดย Webmaster™ » บันทึกการเข้า
หน้า: [1]
  พิมพ์  
 
กระโดดไป:  

ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์
Powered by MySQL Powered by PHP Powered by SMF 1.1.21 | SMF © 2006-2009, Simple Machines | Thai language by ThaiSMF Modifications by Dekphysics.Com Team Valid XHTML 1.0! Valid CSS!