เรื่องและภาพโดย ไอซี วริศา ใจดี
ฉบับที่แล้วฉันได้เล่าให้ฟังถึงการสร้างเครื่องกรองอาร์กอนเหลวไปแล้ว ฉบับนี้จะเข้าสู่เนื้อหาวิทยานิพนธ์ที่ฉันทำอย่างจริงจัง ฉันจะย่อยให้ฟังโดยสรุปที่สุดเท่าที่จะทำได้
เอาละ ! เริ่มด้วยการเข้าสู่ขั้นตอนถัดไปก็คือ การสร้างเครื่องตรวจวัดความบริสุทธิ์ของอาร์กอนเหลว หรือ “purity monitor” ที่จะเป็นตัวบ่งชี้คุณภาพของเครื่องกรองว่าทำงานได้ดีแค่ไหนก่อนที่จะนำไปใช้จริงในการทดลองตรวจจับนิวทริโน เจ้า purity monitor ที่พวกเราสร้างและติดตั้งอยู่ภายในถังอาร์กอนเหลวมีลักษณะตามภาพ
 ชุดการทดลองทดสอบเครื่องตรวจวัดความบริสุทธิ์ของอาร์กอนเหลว ประกอบด้วยระบบกรอง (purifier) ที่ได้เล่าให้ฟังไปในฉบับก่อนหน้า, ถังบรรจุอาร์กอนเหลว (LAr chamber), แหล่งจ่ายไฟ (power supplies) จะอยู่ในชั้นวางด้านข้าง รวมไปถึงออสซิลโลสโคปที่เราใช้บันทึกข้อมูล โดยในภาพขยายแสดงโครงสร้างของเครื่องตรวจวัดความบริสุทธิ์ที่จะห้อยลงมาจากด้านบนและจมอยู่ในอาร์กอนเหลว |
หลักการพื้นฐานของ purity monitor เริ่มจากการสร้างอิเล็กตรอนที่ฝั่งแคโทด (cathode) เมื่อแสงอัลตราไวโอเลต (UV) จากหลอดไฟแฟลชซีนอน (xenon flash lamp) ถูกส่งผ่านใยแก้วนำแสง (optical fiber) มาตกกระทบบนแผ่นซิลิคอนเคลือบทอง โฟตอนหรืออนุภาคของแสงจะถ่ายเทพลังงานให้แก่อิเล็กตรอน ทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากผิวโลหะผ่านปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect)
จากนั้นเราจะทำให้อิเล็กตรอนลอยผ่านอาร์กอนเหลวไปจนถึงอีกฝั่งที่เรียกว่า แอโนด (anode) เราจึงต้องสร้างสนามไฟฟ้าระหว่างสองฝั่ง โดยการจ่ายแรงดันไฟฟ้า (voltage) ระหว่างสองขั้ว ในเครื่องนี้ สนามไฟฟ้าจะมีทิศทางชี้ลงจากแอโนดไปหาแคโทด แต่อิเล็กตรอนมีประจุเป็นลบ จึงเคลื่อนที่สวนทางกับสนามไฟฟ้า ทำให้อิเล็กตรอนลอยจากแคโทดด้านล่างขึ้นไปหาแอโนดด้านบน
บริเวณระหว่างแคโทดกับแอโนดจึงมีวงแหวนหลาย ๆ วงเรียกว่า field shaping rings หน้าที่ของมันคือช่วยควบคุมให้สนามไฟฟ้าภายในบริเวณที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่มีทิศทางและขนาดที่สม่ำเสมอ วงแหวนแต่ละวงจะวางห่างกันด้วยระยะที่เราได้คำนวณและกำหนดให้มีแรงดันไฟฟ้าลดหลั่นกันอย่างสม่ำเสมอ จากแอโนดที่มีแรงดันไฟฟ้าเป็นบวกลงไปยังแคโทดที่มีความดันไฟฟ้าเป็นลบสูง นอกจากนี้ในชั้นบนสุดและล่างสุดของวงแหวนเหล่านี้เรามีตะแกรงตัวนำไฟฟ้าที่หน้าตาคล้ายมุ้งลวดที่ละเอียดยิบ (และขาดง่ายมาก ! กว่าจะใส่เข้าไปได้สำเร็จโดยไม่พังก่อนก็ทำเอาเหงื่อแตกกันเลยละ) เรียกว่า cathode grid และ anode grid โดยเรากำหนดความแรงของสนามไฟฟ้าแต่ละบริเวณให้เหมาะสม เพื่อให้อิเล็กตรอนผ่านกริดทั้งสองได้โดยไม่ไปชนหรือติดอยู่ที่ตะแกรง และเดินทางจากแคโทดไปถึงแอโนดได้อย่างมีประสิทธิภาพ
 ภาพถ่ายจริงและไดอะแกรมโครงสร้างของเครื่องตรวจวัดความบริสุทธิ์ โดยแสงจากหลอดไฟแฟลชซีนอนตกกระทบโฟโตแคโทดทองคำเพื่อปลดปล่อยอิเล็กตรอนซึ่งเคลื่อนที่ผ่านสนามไฟฟ้า E1, E2, E3 ไปยังขั้วแอโนด สัญญาณจากขั้วแคโทดและแอโนดจะถูกขยายและบันทึกในรูปของแรงดันไฟฟ้าเทียบกับเวลา |
โดยรวมแล้วตลอดเส้นทาง อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ผ่านสนามไฟฟ้า 3 บริเวณ ได้แก่ E1 จากแคโทดถึงตะแกรงฝั่งแคโทด, E2 จากตะแกรงฝั่งแคโทดถึงตะแกรงฝั่งแอโนด และ E3 จากตะแกรงฝั่งแอโนดถึงแอโนด โดยค่าของสนามไฟฟ้าเหล่านี้กำหนดจากแหล่งแรงดันไฟฟ้าสูง (high voltage supply) ที่จ่ายให้กับแคโทด ตะแกรงฝั่งแอโนด และแอโนด เราคำนวณความแรงของสนามไฟฟ้าในแต่ละบริเวณได้จากผลต่างของแรงดันไฟฟ้า หารด้วยระยะทางที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในบริเวณนั้น
สำหรับบริเวณสนามไฟฟ้าที่ทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ (drift field) หรือ E2 ความสม่ำเสมอของสนามไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับทั้งระยะห่างระหว่างชุดวงแหวนที่สร้างสนามไฟฟ้า (field cage) และแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้วงแหวนแต่ละวง เพื่อให้แน่ใจว่าเป็นไปตามที่เราต้องการ ฉันใช้โปรแกรม FreeFEM มาช่วยในการออกแบบ โปรแกรมนี้จะจำลองว่าสนามไฟฟ้าโดยการแก้สมการลาปลาซ (Laplace’s equation) ซึ่งเป็นสมการเชิงอนุพันธ์ย่อยอันดับสอง (second-order partial differential equation) ด้วยวิธี finite element method (FEM) ทำให้ตรวจสอบและปรับตำแหน่งของวงแหวนและแรงดันไฟฟ้า เพื่อให้ได้สนามไฟฟ้าที่สม่ำเสมอและเหมาะสมกับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนมากที่สุด
 เส้นศักย์ไฟฟ้า (equipotential map) บนภาคตัดขวางของ purity monitor สร้างขึ้นด้วยซอฟต์แวร์ FreeFEM โดยสีของเส้นแสดงระดับศักย์ไฟฟ้าในหน่วยโวลต์ |
อัตราส่วนระหว่างจำนวนอิเล็กตรอนที่สร้างขึ้นที่แคโทดกับจำนวนอิเล็กตรอนที่เหลือรอดและเดินทางไปถึงแอโนด จะนำมาใช้ประเมินปริมาณสิ่งเจือปนในอาร์กอนเหลว เวลาทำการทดลองจริงเราไม่ได้วัดจำนวนอิเล็กตรอนโดยตรง แต่จะวัดสัญญาณไฟฟ้าที่เกิดขึ้นที่ฝั่งแคโทดและแอโนดออกมาในหน่วยโวลต์ อิเล็กตรอนที่เริ่มเคลื่อนที่จากแคโทดจะทำให้เกิดสัญญาณที่แคโทดซึ่งใช้เป็นตัวแทนของปริมาณอิเล็กตรอนเริ่มต้น (QC) และเมื่ออิเล็กตรอนเดินทางไปถึงแอโนดก็จะทำให้เกิดสัญญาณอีกชุดหนึ่งซึ่งใช้แทนปริมาณอิเล็กตรอนที่รอดมาถึง (QA) สัญญาณทั้งสองอ่านผ่าน charge-sensitive preamplifier (CSP) และบันทึกเป็นกราฟแรงดันเทียบกับเวลาในออสซิลโลสโกป (oscilloscope)
CSP เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีหน้าที่รับกระแสไฟฟ้าจากอิเล็กตรอน แล้วรวมกระแสเล็ก ๆเหล่านั้นสะสมตามเวลาให้กลายเป็นปริมาณประจุ จากนั้นจึงแปลงปริมาณประจุเป็นสัญญาณแรงดันไฟฟ้า
 กราฟแสดงลักษณะของสัญญาณแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วแคโทดและขั้วแอโนดเมื่อเทียบกับเวลา |
ข้อมูลที่วัดออกมามีหน้าตาดังแสดงในกราฟด้านล่างนี้ซึ่งมีความสำคัญมาก เพราะแสดงระยะเวลาการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากขั้วแคโทดไปยังกริดแคโทด (t1) จากกริดแคโทดไปยังกริดแอโนด (t2) และจากกริดแอโนดไปยังขั้วแอโนด (t3) ประจุที่เก็บรวบรวมได้ที่ขั้วแคโทดและขั้วแอโนด (QC, QA) คำนวณได้จากความสูงของยอดสัญญาณที่วัดได้ (ΔVC, ΔVA)
เมื่อเก็บข้อมูลมาแล้ว หน้าที่ของฉันคือเขียนโปรแกรมเพื่อวิเคราะห์ข้อมูลแรงดันไฟฟ้า (V) โดยเปรียบเทียบรูปร่างของสัญญาณที่วัดได้กับโมเดลที่คำนวณตามทฤษฎีฟิสิกส์ เพื่อหาทั้งขนาดของสัญญาณ (Q) และเวลาที่อิเล็กตรอนใช้ในการเดินทางระหว่างสองขั้ว (tdrift) จากนั้นจึงแปลงค่าจากแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้กลับเป็นปริมาณประจุในหน่วยคูลอมบ์ ซึ่งทำให้เราเปรียบเทียบปริมาณประจุที่เหลือรอดถึงแอโนดต่อสัญญาณทั้งหมดที่สร้างขึ้นจากแคโทด ถ้าค่าอัตราส่วนนี้ใกล้ 1 แสดงว่าอิเล็กตรอนส่วนใหญ่ที่ผลิตออกมาเดินทางไปถึงแอโนดได้โดยดี แปลว่าอาร์กอนเหลวมีความบริสุทธิ์สูง แต่ถ้าค่านี้ต่ำ แสดงว่ามีอิเล็กตรอนจำนวนมากถูกสิ่งเจือปนจับระหว่างทาง ความสัมพันธ์นี้นำไปคำนวณค่าชั่วชีวิตของอิเล็กตรอน (electron lifetime) ในที่นี้คือ เวลาที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่อยู่ในอาร์กอนเหลวก่อนที่จะถูกสิ่งเจือปนจับไป ได้ตามสมการ
โดย n จะอยู่ในหน่วย ppm หรือ part per million (ส่วนในล้านส่วน 1 ppm มีค่าเท่ากับ 0.0001%) และ ka คือ อัตราการยึดจับอิเล็กตรอน (electron attachment rate) ในหน่วยต่อวินาที ค่านี้จะขึ้นกับชนิดของสิ่งเจือปน
ตามความสัมพันธ์นี้จะเห็นได้ว่า ยิ่งอิเล็กตรอนมีอายุยืนยาวแค่ไหน ค่าความเข้มข้นของสิ่งเจือปนก็จะยิ่งต่ำ นั่นหมายถึงอาร์กอนของเรามีความบริสุทธิ์มาก ดังนั้นเครื่องกรองของเราก็ทำงานได้ดีมาก แต่ในทางกลับกัน ถ้าอิเล็กตรอนมีอายุสั้น เดินทางไปได้นิดเดียวก็โดนสิ่งเจือปนจับยึดเข้า ก็จะได้ผลออกมาว่าอาร์กอนเหลวค่อนข้างสกปรก และเราต้องมาคิดหาวิธีปรับปรุงเครื่องกรองให้ทำงานดีขึ้นกว่าเดิม
และแล้วเราก็มีระบบที่ใช้ประเมินคุณภาพของอาร์กอนเหลวที่เรากรองก่อนนำมาใช้ในการทดลองจริงแล้ว ทีนี้ก็พร้อมเดินหน้าทำวิทยานิพนธ์ต่อแล้ว เรื่องราวจะเป็นอย่างไร ฉบับหน้าฉันจะมาเล่าให้ฟัง
About Author
