resize โครงการการประยุกต์ใช้เครื่องเร่งอิเล็กตรอนเชิงเส้นทางการเกษตร (Linear Application for Fruits Irradiation) - มูลนิธิเทคโนโลยีสารสนเทศตามพระราชดำริสมเด็จพระเทพรัตนราชสุดา ฯ สยามบรมราชกุมารี

เนื้อหาโดย ดร.สุพัฒน์ กลิ่นเขียว สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)

      การริเริ่มพัฒนาเครื่องเร่งอนุภาคเครื่องแรกนั้นเป็นการผลิตอนุภาคพลังงานสูงในการศึกษาโครงสร้างระดับอะตอมเท่านั้น นับจากนั้นมาจึงมีการพัฒนาเทคโนโลยีเครื่องเร่งอนุภาคสำหรับงานวิจัยในหลายสาขาวิชาซึ่งก่อให้เกิดองค์ความรู้และการนำเทคโนโลยีมาประยุกต์ใช้ ปัจจุบันเทคโนโลยีเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้น หรือ Linear Accelerator ได้เข้ามามีบทบาทในชีวิตประจำวันมากยิ่งขึ้น รวมทั้งในภาคการเกษตรและ อุตสาหกรรม

      การประยุกต์ใช้เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นในปัจจุบัน อาทิ

         • การใช้เครื่องเร่งเพื่อการปรับเปลี่ยนคุณสมบัติของ color center ซึ่งเป็นการเกิดสีเนื่องจากความไม่สมบูรณ์ของผลึก

         • การใช้เครื่องเร่งเพื่อการปรับเปลี่ยนสมบัติทางเคมีของวัสดุ เช่น การปรับปรุงคุณภาพน้ำยางโดยการเหนี่ยวนำทำให้เกิดการเชื่อมขวาง (cross-link) ในสายใยพอลิเมอร์ที่อุณหภูมิห้อง การบำบัดน้ำเสีย และกากตะกอน

         • การใช้เครื่องเร่งเพื่อการตรวจจับวัตถุในระบบการขนส่งและการปนเปื้อนของธาตุโลหะหนัก

         • การใช้เครื่องเร่งเพื่อการปลอดเชื้อ ซึ่งในอุตสาหกรรมการปลอดเชื้อนั้น จะใช้ทั้งลำอิเล็กตรอนหลังจากการเร่งจากเครื่องเร่งโดยตรง เช่น การปลอดเชื้อสำหรับวัสดุทางการแพทย์ และการใช้รังสีเอกซ์ที่ผลิตจากลำอิเล็กตรอนชนเป้าโลหะหนัก สำหรับการปลอดเชื้อผักผลไม้สด อีกทั้งยังช่วยยืดอายุผักผลไม้หลังการเก็บเกี่ยวไว้ได้นาน

      จากการประยุกต์ใช้ประโยชน์อย่างกว้างขวางดังข้างต้น (รูปที่ 1) จึงมีการพัฒนาออกแบบและสร้างเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นในระดับพลังงานกิโลอิเล็กตรอนโวลต์ (keV) ขึ้นไปจนถึงจิกะอิเล็กตรอนโวลต์ (GeV) ซึ่งในการนำไปประยุกต์ใช้เพื่อการปลอดเชื้อในผักผลไม้สดนั้น จะต้องไม่เกินค่ามาตรฐานสากลที่กำหนดไว้โดยองค์การอนามัยโลก (พลังงานอิเล็กตรอนต้องน้อยกว่า 7.5 MeV) เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้เกิดการชักนำให้เกิดสารกัมมันตรังสีในผลไม้หลังการฉายด้วยรังสีเอกซ์ ดังนั้น ทางสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) จึงริเริ่มพัฒนาออกแบบและสร้างเครื่องเร่งอิเล็กตรอนพลังงาน 6 MeV ขึ้นเอง เพื่อนำไปผลิตรังสีเอกซ์สำหรับการปลอดเชื้อผลไม้สดในเบื้องต้น ซึ่งการออกแบบและสร้างขึ้นเองในประเทศไทย จะเป็นการพัฒนาองค์ความรู้และเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องได้อย่างสมบูรณ์แบบ นอกจากนี้เรายังสามารถต่อยอดองค์ความรู้ไปสู่เทคโนโลยีขั้นสูงได้ต่อไปในอนาคต

รูปที่ 1 การประยุกต์ใช้เครื่องเร่งอิเล็กตรอนเชิงเส้นทางอุตสาหกรรม

      เนื่องจากการปนเปื้อนของแมลงและศัตรูพืช เชื้อจุลินทรีย์และแบคทีเรียที่ก่อให้เกิดโรคในผู้บริโภค จึงมีการวิจัยพัฒนาเพื่อปรับปรุงผลไม้สดให้ปราศจากโรคดังกล่าว โดยใช้วิธีการฉายด้วยรังสีเอกซ์ที่ผลิตจากการใช้เครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นในปริมาณรังสีที่ถูกดูดกลืนน้อยกว่า 10 กิโลเกรย์ (kGy) เป็นปริมาณรังสีที่ไม่ทำให้เกิดอันตรายจากสารพิษที่เกิดขึ้นในผลไม้

      ปริมาณรังสีที่ใช้ขึ้นอยู่กับชนิดของผลไม้และวัตถุประสงค์ของการฉายรังสีโดยไม่ทำให้สี เนื้อสัมผัส รสชาติ และคุณสมบัติทางโภชนาการของผลิตผลเปลี่ยนแปลง

      จากความต้องการดังกล่าวจึงมีการพัฒนาองค์ความรู้ในการออกแบบและสร้างเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นต้นแบบพลังงาน 6 MeV สามารถผลิตกระแสอิเล็กตรอน 180 มิลลิแอมป์ (mA) สำหรับปริมาณรังสีเอกซ์ 1 kGy โดยการผลิตรังสีเอกซ์จะผลิตจากการเร่งลำอิเล็กตรอนให้ชนกับเป้าโลหะหนัก เมื่ออิเล็กตรอนที่มีความเร็ววิ่งเข้าใกล้กับนิวเคลียสของอะตอมของเป้าโลหะนั้น ๆ จะทำให้เกิดการเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ หรือมีการเปลี่ยนแปลงความเร็วจากการลดลงของพลังงานจลน์ เป็นเหตุให้ปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในย่านรังสีเอกซ์จากการหน่วง หรือเรียกว่า Bremsstrahlung

      สถาบัน ฯ พัฒนาออกแบบระบบฉายรังสีเอกซ์ในแนวตั้งเพื่อปลอดเชื้อผลไม้สดที่พลังงานอิเล็กตรอน 6 MeV ดังแสดงใน รูปที่ 2 ซึ่งการออกแบบสร้างระบบดังกล่าวแบ่งออกเป็น 5 ส่วนหลัก สำหรับแผนการดำเนินงาน ดังนี้

รูปที่ 2 ภาพแสดงระบบฉายด้วยรังสีเอกซ์เพื่อปลอดเชื้อผลไม้ในแนวตั้ง ณ สถาบัน ฯ

      (1) ส่วนงานการออกแบบและสร้างปืนอิเล็กตรอนและท่อเร่งลำอิเล็กตรอน ปืนอิเล็กตรอนที่ได้จากแบบจำลองเชิงคณิตศาสตร์เป็นแบบไดโอด ที่ประกอบด้วย ขั้วคาโทดและอาโนด ซึ่งการผลิตลำอิเล็กตรอนจะอาศัยหลักการปลดปล่อยเนื่องจากความร้อน โดยการจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับขดลวดความร้อน (heater) เพื่อส่งผ่านความร้อนไปที่ขั้วคาโทด อิเล็กตรอนอิสระถูกปลดปล่อยออกมาหลังจากได้รับพลังงานความร้อนที่ผิวคาโทด ค่าความต่างศักย์ระหว่างขั้วคาโทดและอาโนดเท่ากับ –30 กิโลโวต์ (kV) จะใช้ในการผลักอิเล็กตรอนอิสระที่ปลดปล่อยออกมาจากผิวคาโทดให้วิ่งไปยังขั้วอาโนด ดังแสดงในรูปที่ 3

      อิเล็กตรอนอิสระดังกล่าวจะเคลื่อนเข้าสู่ท่อเร่งเชิงเส้น โดยท่อเร่งอิเล็กตรอนเป็นอุปกรณ์ที่ส่งผ่านพลังงานจากคลื่นวิทยุพลังงานสูงไปยังอิเล็กตรอนผ่านสนามไฟฟ้า ซึ่งการส่งผ่านนี้เกิดขึ้นภายในท่อเร่งอิเล็กตรอนที่สภาวะสุญญากาศ และความถี่คลื่นวิทยุย่านเอสแบนด์ (S-Band) ที่มีความถี่ 2,998 เมกะเฮิร์ซ์ (MHz) แบบคลื่นนิ่ง (standing wave)

      เมื่อท่อเร่งอิเล็กตรอนได้รับพลังงานจากแหล่งจ่ายกำลังคลื่นวิทยุหรือเมกะทรอน (Magnetron) จะเกิดการสั่นพ้องและเกิดสนามไฟฟ้าเป็นคลื่นนิ่งขึ้นภายในแต่ละห้องคลื่น หรือเรียกว่า เซลล์ของท่อเร่ง เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนมาถึงห้องที่หนึ่ง จะพบกับสนามไฟฟ้าที่ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปข้างหน้า เมื่อเวลาผ่านไป อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปถึงห้องที่สอง สนามไฟฟ้าจะเกิดการเปลี่ยนขั้วไปจนทำให้อิเล็กตรอนพบกับสนามไฟฟ้าที่มีขนาดเท่ากันกับสนามในห้องแรก ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปข้างหน้าอีกเช่นกัน และจะเป็นเช่นนี้ไปเรื่อย ๆ จนสุดท่อเร่งอิเล็กตรอน โดยแรงกระทำนี้จะเปลี่ยนไปเป็นพลังงานที่อิเล็กตรอนได้รับเพิ่มขึ้น การออกแบบท่อเร่งอนุภาคเชิงเส้นนั้นจะคำนึงถึงการกระจายของสนามไฟฟ้าในทิศทางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและค่าความถี่สั่นพ้อง (resonant frequency) เป็นหลัก เพื่อเร่งอิเล็กตรอนให้มีพลังงาน 6 MeV โครงสร้างของท่อเร่งอนุภาคจะเป็นแบบช่องประกบคู่ด้านข้าง (side-coupled cavity) โดยโครงสร้างแบบนี้ประกอบด้วยเซลล์ที่ใช้เร่งอนุภาค หรือ accelerating cavity และเซลล์ที่ใช้สาหรับเชื่อมต่อสนามไฟฟ้าของคลื่นนิ่งหรือ coupled cavity โดยที่ออกแบบให้ตัว coupled cavity นี้วางตัวอยู่ทางด้านข้าง (ในแนวแกน x) เป็นทางเชื่อมต่อระหว่างช่องที่ใช้เร่งอนุภาค (accelerating cavities) ดังรูปที่ 4

รูปที่ 3 แสดงภาคตัดขวางสามมิติของปืนอิเล็กตรอนแบบ (บน) และ

ความหนาแน่นกระแสในปืนอิเล็กตรอน (ล่าง)

รูปที่ 4 ออกแบบคำนวณเชิงคณิตศาสตร์ของท่อเร่งเชิงเส้นโดยมีการกระจายสนามไฟฟ้าแนวนอนตลอดท่อเร่ง (ด้านซ้าย) เพื่อเร่งอิเล็กตรอนให้มีพลังงาน 6 MeV ณ ปลายท่อเร่ง

      การออกแบบและสร้างระบบรายรอบดังแสดงในรูปที่ 5 ซึ่งประกอบด้วย

         • ระบบสาธารณูปโภค เช่น ระบบน้ำหล่อเย็นที่อุณหภูมิ 40°C ทั้งสำหรับท่อเร่งและเป้ารังสีเอกซ์ ระบบสุญญากาศที่ระดับความดัน 10-10–10-11 ทอร์ (torr) ในระบบท่อเร่งเชิงเส้น ขณะที่ในห้องฉายหรือ scan horn มีระดับความดัน 10-7 ทอร์

         • แหล่งจ่ายไฟฟ้าและคลื่นวิทยุ ระบบควบคุมความถี่อัตโนมัติ (Automatic Frequency Control: AFC) ใช้ในการปรับความถี่ของแม็กนีตรอน หรือความถี่คลื่นวิทยุที่จ่ายให้ท่อเร่ง ซึ่งจะเปลี่ยนแปลงตามความถี่สั่นพ้องในท่อเร่ง ด้วยอัลกอริทึมการควบคุมแบบ fuzzy logic ที่พัฒนาขึ้นเอง

         • ระบบประมวลผลกลางและควบอัตโนมัติ ระบบวัดปริมาณรังสี (Dosimetry System) และระบบอินเทอร์ล็อก (Interlock)

         • ชุดฐานรองยึดชุดแม่เหล็ก ระบบวัด และระบบเครื่องเร่งเชิงเส้นในแนวตั้ง เพื่อการฉายในแนวตั้งโดยมีสายพานลำเลียงในการลำเลียงผลผลิตสู่กระบวนการฉาย

รูปที่ 5 ภาพสามมิติของระบบการฉายรังสีเอ็กซ์ในแนวตั้ง

      (2) ส่วนงานระบบควบคุมกลางเพื่อติดต่ออุปกรณ์ต่าง ๆ เพื่อทำการควบคุมลำอิเล็กตรอนและกระบวนการฉายอัตโนมัติโดยอ้างอิงจากการตรวจวัดขนาดมิติของผลผลิตที่ต้องการฉาย

      (3) ส่วนงานการคำนวณ ออกแบบ และสร้างระบบลำเลียงลำอิเล็กตรอน โดยระบบลำเลียงลำอิเล็กตรอนจะใช้แม่เหล็กสองขั้วหรือ scanning magnet ซึ่งผลิตสนามแม่เหล็กในการควบคุมทิศทางของการกวาดลำอิเล็กตรอนเพื่อให้ตกกระทบบนเป้ารังสีเอกซ์อย่างทั่วถึง ซึ่งจะเป็นผลดีทำให้การฉายบนผลผลิตครอบคลุมในปริมาณรังสีที่เราควบคุม

      (4) ระบบฉายรังสีเอกซ์ ที่ประกอบด้วยห้องฉายหรือ scan horn พร้อมเป้ารังสีเอกซ์ ในการคำนวณออกแบบจำเป็นต้องให้ได้ปริมาณรังสีเอกซ์มากสุด จากการชนด้วยลำอิเล็กตรอนกำลังเฉลี่ย 1.1 kW ที่พลังงาน 6 MeV

      ในขณะนี้ โครงการได้ทดสอบการทำงานในแต่ละส่วนข้างต้นในเบื้องต้นแล้วเสร็จ จึงนำทุกระบบมาประกอบติดตั้ง โดยก่อนดำเนินการผลิตรังสีเอกซ์นั้น ระบบเครื่องเร่งอิเล็กตรอนเชิงเส้นจะต้องทำการทดสอบในสภาวะสุญญากาศ เพื่อให้ปืนอิเล็กตรอนสามารถปลดปล่อยอิเล็กตรอนอิสระเข้าสู่ท่อเร่งได้อย่างต่อเนื่อง และการส่งผ่านคลื่นวิทยุกำลังสูงเข้าสู่ท่อเร่งเป็นไปอย่างต่อเนื่อง โดยไม่เกิดการอาร์คทางไฟฟ้าที่ผิวภายในของท่อเร่ง อันจะส่งผลต่อการเร่งหรือให้พลังงานกับอิเล็กตรอนที่เคลื่อนในท่อเร่ง การทดสอบระบบท่อเร่งต้องทำระบบสุญญากาศของเครื่องเร่งอิเล็กตรอนเชิงเส้น ด้วยการอบไล่อากาศด้วยความร้อน หรือ Baking ที่อุณหภูมิสูงสุด 170oC เพื่อให้ระดับสุญญากาศภายในท่อเร่งเชิงเส้นมีค่าประมาณ 10-8–10-9ทอร์ ดังแสดงใน รูปที่ 6

รูปที่ 6 ชุดท่อเร่งอิเล็กตรอนเชิงเส้นพร้อมระบบท่อนำคลื่นวิทยุ ถูกอบไล่ด้วยความร้อน โดยการใช้เส้นลวดความร้อนพันรอบชุดท่อเร่ง

      หลังจากนั้นจึงดำเนินการจ่ายคลื่นความถี่วิทยุผ่านท่อนำคลื่น โดยต้องเริ่มจ่ายคลื่นวิทยุแบบพัลส์จากแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุ จากมอดูเลเตอร์ของแมกนีตรอนที่ค่า Duty cycle ต่ำ ๆ และให้ค่า repetition rate คงที่ที่ 200 เฮิร์ตซ์ (Hz) เนื่องจากในกระบวนการขึ้นรูปท่อเร่งและท่อนำคลื่น ที่ทำจากวัสดุทองแดงปราศจากออกซิเจนนั้น ผิวของทองแดงจะไม่เรียบ เมื่อจ่ายคลื่นวิทยุผ่านท่อนำคลื่นจะเกิดการอาร์คที่ผิวทองแดงเกิดการหลุดของโมเลกุลก๊าซออกมาจำนวนมาก จึงควรจะเริ่มจ่ายคลื่นวิทยุด้วยค่า Duty cycle ต่ำๆ หรือเริ่มจ่ายที่กำลังคลื่นวิทยุค่าน้อย ๆ ซึ่งเราเรียกกระบวนการนี้ว่า RF processing

      โดยการทำ RF processing จะเกิดการปลดปล่อยโมเลกุลก๊าซออกมามากจนระดับความดันสุญญากาศมีค่าเพิ่มขึ้นมาก เมื่อทำ RF processing แล้วเสร็จ พบว่าระดับสุญญากาศภายในท่อเร่งได้ประมาณ 7.2 10-10 ทอร์ ดังแสดงในรูปที่ 7

      การทำระบบสุญญากาศด้วยลำอิเล็กตรอนที่ถูกเร่งผ่านท่อเร่งเชิงเส้นไปสู่เป้ารังสีเอกซ์ต่อไป รังสีเอกซ์จะถูกปลดปล่อยในทิศทางไปข้างหน้า และถูกฉายบนผลิตภัณฑ์ทางการเกษตร ซึ่งปริมาณรังสีเอกซ์จะถูกควบคุมตามวัตถุประสงค์การฉายและชนิดของผลไม้ ด้วยการควบคุมอัตราเร็วในการลำเลียงผลไม้ขณะทำการฉาย

รูปที่ 7 ระดับความดันสุญญากาศภายในระบบท่อเร่งอิเล็กตรอนขณะจ่ายคลื่นวิทยุกำลังสูง