เรื่องและภาพโดย ไอซี วริศา ใจดี
หลังจากได้ออกผจญภัยไปร่วมงานวิจัยในต่างรัฐช่วงปิดเทอมภาคฤดูร้อน ได้สัมผัสกับการทำงานใน National Lab เผลอแป๊บเดียวฉันก็ขึ้นปริญญาตรีปีสามซะแล้ว ในช่วงนี้นอกจากจะต้องลงคอร์สเรียนให้ครบ ก็ยังต้องเริ่มคิดว่าจะทำวิทยาพนธ์หัวข้ออะไรดี โดยวิทยาพนธ์ที่เวลส์ลีย์ไม่ได้จำเป็นต่อการเรียนจบ เพียงแค่ถ้าใครทำก็จะได้ “honors” ซึ่งเป็นการรับรองว่าผ่านการทำงานวิชาการหรือการวิจัยเพิ่มเติมมาเสริมต่อท้ายใบปริญญาไปอีก แน่นอนว่าฉันเลือกที่จะทำเพราะเป็นการเตรียมตัวเพื่อใช้เป็นใบเบิกทางไปศึกษาต่อระดับปริญญาเอก
นอกเหนือจากนั้นการที่จะได้ฝึกทักษะการทำงานวิจัยด้วยตัวเอง ตั้งคำถามเอง วางแผนกำหนดเป้าหมาย และเขียนบทความวิชาการออกมา ยังเป็นการซักซ้อมเพื่อทำความเข้าใจว่าเส้นทางการเป็นนักวิจัยนั้นต้องเจอะเจอกับอะไรบ้าง ฉันจึงเลือกทำงานวิจัยต่อเนื่องในแล็บที่ฉันเข้ามาตั้งแต่ปีหนึ่ง เป็นงานวิจัยการพัฒนาระบบตรวจจับอนุภาคนิวทริโนด้วยเครื่องตรวจจับอาร์กอนเหลว โดยมีที่ปรึกษาคือ ดร.เจมส์ แบตแทต (James Battat) ซึ่งฉันได้เล่าไปแล้วในฉบับก่อนหน้า
รื้อฟื้นความทรงจำกันหน่อย อาร์กอนเหลว (liquid argon, LAr) เป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติเหมาะสำหรับใช้ตรวจจับนิวทริโนและใช้กันแพร่หลายในการทดลองฟิสิกส์อนุภาค อย่างไรก็ตามก่อนนำมาใช้ เราต้องกำจัดสิ่งเจือปนที่มีคุณสมบัติดึงดูดอิเล็กตรอน (electronegative contaminants) อย่างแก๊สออกซิเจนและไอน้ำที่จะมาถ่วงไม่ให้อิเล็กตรอนเดินทางไปถึงเครื่องตรวจจับ เพื่อป้องกันการเสื่อมของสัญญาณที่เราจะวัดได้
เป้าหมายหลักของโครงงานที่ฉันทำคือ การพัฒนาระบบกำจัดสิ่งปนเปื้อนออกจากอาร์กอนเหลว หลักการก็คล้ายกับเครื่องกรองน้ำที่เราเคยทำกันตอนไปค่ายลูกเสือ-เนตรนารีสมัยเรียนประถมปลาย ที่แต่ละชั้นจะมีตั้งแต่สำลี ทราย ถ่าน เม็ดกรวด และก้อนหินขนาดต่าง ๆ เพื่อกรองสิ่งสกปรกออกทีละชั้น โดยแต่ละองค์ประกอบก็มีหน้าที่ในการกรองสิ่งปนเปื้อนที่มีขนาดต่างกันไปจนกว่าจะได้น้ำที่ใสสะอาด แต่ในที่นี้สิ่งปนเปื้อนหลักในระบบที่เราต้องกำจัดออกไปคือ แก๊สออกซิเจนและไอน้ำที่อาจเล็ดรอดเข้าไปจากอากาศภายนอกได้ และแม้จะมีปริมาณเพียงเล็กน้อยก็ส่งผลต่อประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับได้ วัสดุกรองสองชนิดที่เราใช้ ได้แก่ ทองแดงกัมมันต์ (active copper) และเม็ดโมเลคูลาร์ซีฟ (molecular sieves)
ทองแดงกัมมันต์ทำหน้าที่กำจัดออกซิเจนโดยอาศัยปฏิกิริยาเคมี เมื่ออะตอมหรือโมเลกุลของออกซิเจนที่ปะปนอยู่ในอาร์กอนเหลวสัมผัสกับพื้นผิวของทองแดง ออกซิเจนจะทำปฏิกิริยากับทองแดงและถูกจับยึดไว้รวมกันเป็นทองแดงออกไซด์ (copper oxide) ส่วนเม็ดโมเลคูลาร์ซีฟทำหน้าที่กำจัดไอน้ำและความชื้น เนื่องจากภายในเม็ดมีโครงสร้างเป็นรูพรุนขนาดใกล้เคียงกับขนาดของโมเลกุลน้ำจำนวนมาก จึงดึงดูดและกักเก็บโมเลกุลน้ำไว้ภายในได้ กระบวนการนี้เรียกว่า การดูดซับ (adsorption) โดยโมเลกุลน้ำจะเกาะอยู่บนพื้นผิวภายในของรูพรุนจะยึดติดเฉพาะที่พื้นผิว ไม่ได้ซึมเข้าไปเป็นส่วนหนึ่งของเนื้อวัสดุเหมือนกระบวนการดูดซึม (absorption) ที่จะซึมเข้าไปในเนื้อสารของตัวดูดซึม เช่น น้ำซึมเข้าไปในฟองน้ำ
เมื่อใช้งานร่วมกัน ทองแดงกัมมันต์จะกำจัดออกซิเจน ส่วนโมเลคูลาร์ซีฟจะกำจัดไอน้ำและความชื้น ทำให้อาร์กอนที่ผ่านระบบมีความบริสุทธิ์สูงขึ้นและเหมาะสำหรับใช้ในเครื่องตรวจจับอนุภาคหรือการทดลองที่ต้องการความไวและความแม่นยำสูง
 กระบวนการทำความสะอาดอาร์กอนเหลว |
การทดลองของเราจำเป็นต้องใช้อาร์กอนเหลวปริมาณมากและต้องทำซ้ำหลายครั้งเพื่อเก็บข้อมูล กระบวนการทำความสะอาดอาร์กอนเหลวจึงเป็นขั้นตอนสำคัญที่ช่วยรักษาความบริสุทธิ์ของอาร์กอนให้เหมาะสมต่อการทดลอง อย่างไรก็ตามเมื่อใช้งานระบบนี้อย่างต่อเนื่อง วัสดุกรองจะค่อย ๆ สะสมสารปนเปื้อนจนถึงจุดอิ่มตัวและมีประสิทธิภาพลดลง จึงจำเป็นต้องฟื้นฟูวัสดุกรอง หรือที่เรียกว่า กระบวนการทำให้คืนสภาพ (regeneration) ซึ่งจะทำทุก 6 เดือนของการใช้งาน เพื่อให้พร้อมใช้งานอยู่ตลอดและเพื่อช่วยยืดอายุการใช้งานของระบบ
 กระบวนการทำให้คืนสภาพเพื่อฟื้นฟูประสิทธิภาพของวัสดุกรอง จะมีไอน้ำไหลออกมาเมื่อเสร็จขั้นตอน |
กระบวนการนี้คล้ายกับการเปลี่ยนหรือทำความสะอาดไส้กรองของเครื่องกรองน้ำ โดยเม็ดโมเลคูลาร์ซีฟที่ดูดซับไอน้ำจนเต็มประสิทธิภาพจะได้รับความร้อนเพื่อทำให้โมเลกุลน้ำที่เกาะอยู่ภายในรูพรุนระเหยและถูกไล่ออกจากระบบ หลังจากนั้นเม็ดโมเลคูลาร์ซีฟจะกลับมามีพื้นที่ว่างภายในรูพรุนและดูดซับความชื้นจากอาร์กอนได้อีกครั้ง จึงนำกลับมาใช้ซ้ำได้หลายรอบ
ส่วนทองแดงกัมมันต์เมื่อใช้งานไปนาน ๆ จะกลายเป็นทองแดงออกไซด์ที่อิ่มตัวด้วยออกซิเจนและไม่สามารถจับออกซิเจนเพิ่มได้อีก การฟื้นฟูจึงทำได้โดยให้ความร้อนพร้อมกับปล่อยแก๊สไฮโดรเจนไหลผ่านระบบ ไฮโดรเจนจะทำปฏิกิริยากับทองแดงออกไซด์ เพื่อเปลี่ยนกลับมาเป็นทองแดงกัมมันต์ที่พร้อมรับออกซิเจนเพิ่มอีกครั้ง พร้อมปลดปล่อยน้ำออกมา (เพราะไฮโดรเจนจับกับออกซิเจนเกิดเป็น H2O หรือน้ำนั่นเอง) จากนั้นจึงไล่น้ำออกด้วยการให้ความร้อนและการไหลของแก๊ส
เอาละ…ฉันร่ายหลักการฟิสิกส์มาซะยาว แต่ทุกคนเชื่อไหมว่าในการทำโครงงานนี้จริง ๆ ฉันใช้เวลาไปกับการตัดแท่งโลหะและขันน็อตมากที่สุด ! เพราะงานหลักที่ฉันต้องทำเลยก็คือ สร้างเจ้าเครื่องกรองนี้ขึ้นมา ใช่แล้ว อุปกรณ์ในแล็บส่วนใหญ่ไม่ได้เป็นของที่หาซื้อได้จากร้านทั่วไป หลายครั้งจึงต้องออกแบบและประกอบขึ้นมาเองให้เหมาะกับการใช้งาน เครื่องกรองอาร์กอนเหลวที่ฉันทำก็เป็นหนึ่งในนั้น โดยตัวเครื่องประกอบด้วยท่อโลหะสองท่อน ท่อนี้เรียกว่า ConFlat® ultra-high vacuum full nipples ซึ่งเป็นท่อสเตนเลสสำหรับระบบสุญญากาศระดับสูง ท่อแรกบรรจุทองแดงกัมมันต์สำหรับกำจัดออกซิเจน ส่วนอีกท่อบรรจุเม็ดโมเลคูลาร์ซีฟสำหรับกำจัดไอน้ำและความชื้น เมื่ออาร์กอนเหลวไหลผ่าน วัสดุกรองทั้งสองชนิดจะทำหน้าที่กำจัดสิ่งปนเปื้อนตามลำดับ ทำให้อาร์กอนมีความบริสุทธิ์มากขึ้นก่อนนำไปใช้งาน
 การประกอบท่อกรองด้วยการบรรจุวัสดุกรองเข้าไปในท่อสเตนเลส |
การออกแบบระบบไม่ได้มีเพียงแค่การบรรจุวัสดุกรองเท่านั้น แต่ยังต้องคำนึงถึงการเชื่อมต่อกับหัวจ่ายอาร์กอนเหลว การติดตั้งวาล์วเพื่อควบคุมทิศทางการไหลในแต่ละขั้นตอน รวมถึงการออกแบบให้ระบบรองรับความดันได้อย่างปลอดภัย เพื่อลดความเสี่ยงจากการรั่วไหลหรือการเกิดความดันสูงเกินไป เราได้ออกแบบให้เครื่องกรองนี้ตั้งอยู่บนรถเข็นเพราะต้องการให้มันเข็นเข้าออกได้ เวลาต้องการเติมอาร์กอนเหลวก็ค่อยเข็นเข้ามา พอกรองเสร็จก็เข็นออกเคลียร์พื้นที่ให้พร้อมทำการทดลองส่วนอื่น ๆ ต่อ
พวกเราออกแบบตัวรถเข็นโดยเลือกใช้วัสดุเป็นแท่งโลหะ 80/20 หรือ T-slot aluminum extrusion ซึ่งมีลักษณะเป็นท่อน ๆ คล้ายตัวต่อเลโก้ ด้วยความที่เจ้าแท่งนี้มีความยืดหยุ่นในการใช้งาน ตัดตามความยาวที่ต้องการเพื่อประกอบและปรับเปลี่ยนหรือขยายโครงสร้างได้เลยโดยไม่จำเป็นต้องเชื่อมหรือเจาะรูเพิ่มเติม จึงเป็นที่นิยมใช้ในการทดลองฟิสิกส์ และมักพบเห็นได้ในทุกแล็บ
 ฉันกับรุ่นน้องและนักวิจัยในแล็บของเราร่วมกันทำชิ้นส่วนในแมชีนช็อปและประกอบรถเข็นสำหรับติดตั้งเครื่องกรอง |
นอกจากนี้ระบบยังต้องรองรับกระบวนการทำให้คืนสภาพซึ่งต้องให้ความร้อนสูงถึงประมาณ 200 องศาเซลเซียส เราจึงต้องหุ้มท่อด้วยแผ่นอะลูมิเนียมและคลุมด้วยฉนวนใยแก้ว (fiberglass) อีกชั้นหนึ่ง จนออกมาเป็นรูปร่างเหมือนมังกรสีฟ้าสุดน่ารักแบบนี้
 ท่อกรองที่ติตดตั้งเข้ากับรถเข็น ห่อหุ้มด้วยแผ่นอะลูมิเนียมและคลุมด้วยฉนวนใยแก้ว |
ตอนแรกที่ฉันได้เห็นม้วนฉนวนใยแก้วที่ฟ้าดูนุ่มฟูก็เกือบจะเดินเข้าไปขยำเล่นซะแล้ว แต่ถ้าใครเคยรู้จักวัสดุนี้มาก่อน คงรู้ว่าถ้าเผลอไปจับเข้าจะร้องจ๊ากแน่นอน เพราะมันประกอบด้วยเส้นใยแก้วขนาดเล็กมาก ๆ คล้ายเข็มจิ๋วจำนวนมหาศาล เส้นใยเหล่านี้สามารถทิ่มแทงผิวของเรา ทำให้คันและระคายเคืองได้ จึงต้องสวมถุงมือป้องกันทุกครั้ง ถึงจะจับไม่สบายมือผิดกับรูปร่างหน้าตา แต่ที่เราใช้มันเพราะเป็นฉนวนกันความร้อนที่ยอดเยี่ยม โครงสร้างของใยแก้วกักเก็บอากาศไว้ตามช่องว่างระหว่างเส้นใยได้เป็นจำนวนมาก ทั้งอากาศและแก้วมีค่าการนำความร้อนต่ำทำให้ความร้อนถ่ายเทออกจากระบบได้ยาก ช่วยลดการสูญเสียความร้อนทั้งจากการนำและการพาความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ การใช้ฉนวนใยแก้วมาหุ้มท่อกรองในงานนี้ก็เพื่ออุ่นเครื่องกรองให้ร้อนได้เร็วและรักษาอุณหภูมิสูงได้คงที่ตลอดกระบวนการทำให้คืนสภาพ
 เครื่องกรองที่เสร็จสมบูรณ์พร้อมใช้งาน |
ที่เล่ามาทั้งหมดนี้ใช้เวลาเกือบครึ่งหนึ่งของปิดเทอมฤดูร้อนในการทำ แต่ไม่จบเพียงแค่นี้ เพราะเรายังต้องสร้างเครื่องตรวจวัดความบริสุทธิ์ (purity monitor) เพื่อประเมินประสิทธิภาพของระบบให้มั่นใจว่าได้ผลตามที่เราต้องการ แล้วพบกันในตอนต่อไป
About Author
