บีมไลน์
ในฟิสิกส์เครื่องเร่งอนุภาคลำแสงหมายถึงวิถีการเคลื่อนที่ของลำแสงอนุภาค รวมถึงโครงสร้างโดยรวมของส่วนเส้นทาง (ท่อนำทาง อุปกรณ์วินิจฉัย) ตามเส้นทางเฉพาะของ เครื่อง เร่งอนุภาคส่วนนี้อาจเป็นได้ทั้ง...
- เส้นในเครื่องเร่งอนุภาคเชิงเส้นที่ลำแสงอนุภาคเคลื่อนที่ผ่าน หรือ
- เส้นทางที่เชื่อมจากเครื่องกำเนิดอนุภาค (เช่น เครื่องเร่งอนุภาคแบบวงจร, แหล่งกำเนิดแสงซินโครตรอน , ไซโคลตรอนหรือแหล่งกำเนิดอนุภาคแบบสปัลเลชัน ) ไปยังสถานีปลายทางสำหรับการทดลอง
โดยทั่วไปแล้ว ลำแสงจะสิ้นสุดที่สถานีทดลองซึ่งใช้ลำแสงอนุภาคหรือแสงซินโครตรอนที่ได้จากซินโครตรอนหรือนิวตรอนจากแหล่งกำเนิดแบบสปัลเลชันหรือเครื่องปฏิกรณ์วิจัยลำแสงถูกนำมาใช้ในการทดลองในสาขาฟิสิกส์อนุภาควิทยาศาสตร์วัสดุวิทยาศาสตร์ชีวภาพเคมีและชีววิทยาระดับโมเลกุลแต่ยังสามารถใช้สำหรับการทดสอบการฉายรังสีหรือเพื่อผลิตไอโซโทปได้อีกด้วย
ลำแสงในเครื่องเร่งอนุภาค
ในเครื่องเร่งอนุภาคท่อส่งลำแสงมักจะอยู่ภายในอุโมงค์และ/หรือใต้ดิน โดยหุ้มด้วยโครงสร้างคอนกรีตเพื่อป้องกันรังสี ท่อส่งลำแสงมักจะเป็นท่อโลหะทรงกระบอก ซึ่งโดยทั่วไปเรียกว่าท่อลำแสงและ/หรือท่อดริฟต์ ที่ถูกดูดอากาศออกจนเป็น สุญญากาศสูงเพื่อให้มีโมเลกุลของก๊าซน้อยที่สุดในเส้นทางที่ลำแสงอนุภาคเร่งความเร็วจะชน ซึ่งหากมีโมเลกุลของก๊าซมาก อาจทำให้อนุภาคกระจัดกระจายก่อนที่จะถึงจุดหมายปลายทาง
บนลำแสงอนุภาคจะมีอุปกรณ์และเครื่องมือเฉพาะทางที่ใช้ในการผลิต บำรุงรักษา ตรวจสอบ และเร่งลำแสงอนุภาค อุปกรณ์เหล่านี้อาจอยู่ใกล้เคียงหรือติดอยู่กับลำแสงอนุภาคโดยตรง อุปกรณ์เหล่านี้ได้แก่ทรานสดิวเซอร์ที่ ซับซ้อน อุปกรณ์ วินิจฉัย (เครื่องตรวจสอบตำแหน่งและเครื่องสแกนแบบใช้ลวด ) เลนส์คอลลิเมเตอร์ เทอร์โมคัปเปิลปั๊มไอออนเกจวัดไอออนห้องไอออน (เพื่อวัตถุประสงค์ในการวินิจฉัย มักเรียกว่า "เครื่องตรวจสอบลำแสง") วาล์วสุญญากาศ ("วาล์วแยก") และวาล์วประตูเป็นต้น
จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องจัดแนวส่วนต่างๆ ของลำแสง แม่เหล็ก ฯลฯ ให้ตรงกัน (โดยทั่วไปจะทำโดยการสำรวจและจัดแนวโดยใช้เครื่องติดตามเลเซอร์ ) ลำแสงต้องมีความคลาดเคลื่อนไม่เกิน ระดับ ไมโครเมตรการจัดแนวที่ดีจะช่วยป้องกันการสูญเสียลำแสง และป้องกันไม่ให้ลำแสงชนกับผนังท่อ ซึ่งจะทำให้เกิดการปล่อยรังสีทุติยภูมิและ/หรือรังสี อื่น ๆ
ลำแสงรังสีซินโครตรอน
ในส่วนของ ซิ นโครตรอนนั้น คำว่า "บีมไลน์"อาจหมายถึงอุปกรณ์ที่นำลำแสงรังสีซินโครตรอนไปยังสถานีทดลองปลายทาง ซึ่งใช้รังสีที่ผลิตโดยแม่เหล็กดัดโค้งและอุปกรณ์แทรกในวงแหวนเก็บประจุของสถานีรังสีซินโครตรอนการประยุกต์ใช้บีมไลน์ประเภทนี้โดยทั่วไปคือการศึกษาโครงสร้างผลึก แม้ว่าจะมี เทคนิคอื่นๆ อีกมากมายที่ใช้แสงซินโครตรอนก็ตาม
ในสถานีซินโครตรอนขนาดใหญ่จะมีลำแสงจำนวนมาก โดยแต่ละลำแสงได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับสาขาการวิจัยเฉพาะด้าน ความแตกต่างจะขึ้นอยู่กับชนิดของอุปกรณ์แทรก (ซึ่งจะกำหนดความเข้มและการกระจายสเปกตรัมของรังสี) อุปกรณ์ปรับสภาพลำแสง และสถานีปลายทางสำหรับการทดลอง ลำแสงทั่วไปในสถานีซินโครตรอนที่ทันสมัยจะมีระยะทาง 25 ถึง 100 เมตร จากวงแหวนเก็บประจุไปยังสถานีปลายทาง และอาจมีราคาสูงถึงหลายล้านดอลลาร์สหรัฐ ด้วยเหตุนี้ สถานีซินโครตรอนจึงมักถูกสร้างขึ้นเป็นขั้นตอน โดยลำแสงแรกๆ จะเปิดใช้งานในวันแรกของการดำเนินงาน และจะมีการเพิ่มลำแสงอื่นๆ ในภายหลังเมื่อมีงบประมาณเพียงพอ
ส่วนประกอบของลำแสงตั้งอยู่ในตู้ป้องกันรังสีที่เรียกว่า"ฮัทช์ " ซึ่งมีขนาดเท่าห้องเล็กๆ (ห้องโดยสาร) ลำแสงทั่วไปประกอบด้วยฮัทช์สองหลัง คือ ฮัทช์สำหรับอุปกรณ์ปรับสภาพลำแสง และฮัทช์สำหรับการทดลอง ซึ่งเป็นที่ตั้งของอุปกรณ์ทดลอง ระหว่างฮัทช์ทั้งสอง ลำแสงจะเดินทางในท่อลำเลียง การเข้าไปในฮัทช์เป็นสิ่งต้องห้ามเมื่อชัตเตอร์ลำแสงเปิดอยู่ และรังสีสามารถเข้าไปในฮัทช์ได้ จึงมีการใช้ระบบความปลอดภัยที่ซับซ้อนพร้อมฟังก์ชันการเชื่อมต่อ สำรอง เพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีใครอยู่ภายในฮัทช์เมื่อเปิดใช้งานรังสี ระบบความปลอดภัยจะปิดลำแสงรังสีหากประตูของฮัทช์ถูกเปิดโดยไม่ได้ตั้งใจขณะที่ลำแสงกำลังทำงาน ในกรณีนี้ ลำแสงจะถูกทิ้งหมายความว่าลำแสงที่เก็บไว้จะถูกเบี่ยงเบนไปยังเป้าหมายที่ออกแบบมาเพื่อดูดซับและกักเก็บพลังงานของมัน
องค์ประกอบที่นักทดลองใช้ในลำแสงเพื่อปรับสภาพลำแสงรังสีระหว่างวงแหวนเก็บประจุและสถานีปลายทาง ได้แก่ องค์ประกอบต่อไปนี้:
- หน้าต่าง: หน้าต่างใช้สำหรับแยกส่วนสุญญากาศระดับสูง (UHV) และระดับสูง (HV) และเพื่อสิ้นสุดลำแสง นอกจากนี้ยังใช้ระหว่างส่วนสุญญากาศระดับสูงเพื่อป้องกันอุบัติเหตุทางสุญญากาศ ฟอยล์ที่ใช้สำหรับแผ่นเมมเบรนของหน้าต่างยังช่วยลดทอนสเปกตรัมของรังสีในบริเวณต่ำกว่า 6 กิโลอิเล็กตรอนโวลต์ด้วย
1- หน้าต่างเบริลเลียม: หน้าต่างเบริลเลียมสามารถจัดส่งได้ทั้งแบบระบายความร้อนหรือไม่ระบายความร้อน โดยมีขนาด (และจำนวน) ช่องเปิดหน้าต่างที่หลากหลาย ขนาดของหน้าต่างจะถูกกำหนดตามความต้องการเฉพาะ อย่างไรก็ตาม ขนาดสูงสุดของหน้าต่างจะถูกกำหนดโดยความหนาของฟอยล์และความแตกต่างของความดันที่ต้องทน หน้าต่างสามารถติดตั้งพร้อมกับหน้าแปลนทางเข้า/ออกของลำแสงที่มีขนาดต่างๆ เพื่อให้เหมาะกับความต้องการเฉพาะ 2- หน้าต่างเพชร CVD: เพชรที่ผลิตด้วยกระบวนการตกตะกอนไอสารเคมี (CVD) มีความแข็งสูงมากการนำความร้อน สูง ความเฉื่อยทางเคมี และความโปร่งใสสูงในช่วงสเปกตรัมที่กว้างมาก แข็งแรงและแข็งกว่าเบริลเลียม มีการขยายตัวทางความร้อน ต่ำกว่า และมีความเป็นพิษต่ำกว่า จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับหน้าต่างแยกสุญญากาศสูงพิเศษ (UHV) ในลำแสงเอ็กซ์เรย์ หน้าต่างสามารถจัดส่งแบบฝังในหน้าแปลน UHV และมีการระบายความร้อนด้วยน้ำที่มีประสิทธิภาพ 3- หน้าต่างทางออก: หน้าต่างทางออกสุญญากาศมีให้เลือกหลายวัสดุ รวมถึงเบริลเลียมและเพชร CVD ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น
- ช่องแคบ: ช่องแคบใช้สำหรับกำหนดทิศทางลำแสงทั้งในแนวนอนและแนวตั้ง สามารถใช้เป็นคู่เพื่อกำหนดทิศทางลำแสงได้ทั้งสองทิศทาง ขนาดช่องเปิดสูงสุดจะถูกเลือกให้เหมาะสมกับความต้องการเฉพาะ ตัวเลือกต่างๆ ได้แก่ ช่องแคบแบบระบายความร้อน (สำหรับการทำงานของลำแสงสีขาว) หรือแบบไม่ระบายความร้อน (สำหรับการทำงานของลำแสงสีเดียว) และการเคลือบสารเรืองแสงที่ด้านต้นน้ำของช่องแคบเพื่อช่วยในการกำหนดตำแหน่งของลำแสง ช่องแคบมีสี่ประเภทหลัก ได้แก่ ช่องแคบแบบใบมีด ช่องแคบรับภาระความร้อนสูง ช่องแคบแบบอินไลน์ และช่องแคบความแม่นยำสูง
- ชัตเตอร์: ชัตเตอร์ลำแสงใช้เพื่อขัดขวางการแผ่รังสีจากส่วนหน้าหรือตู้ครอบอุปกรณ์ทางแสงเมื่อไม่จำเป็นต้องใช้งานในส่วนถัดไป มีฟังก์ชันด้านความปลอดภัยของอุปกรณ์และบุคลากร และมีชัตเตอร์อยู่สามประเภท ได้แก่ ชัตเตอร์โฟตอน ชัตเตอร์ลำแสงโมโนโครมาติก และชัตเตอร์แบบกำหนดเอง
- ตัวกรองลำแสง (หรือตัวลดทอน) ทำหน้าที่กำจัดช่วงพลังงานที่ไม่ต้องการออกจากลำแสง โดยการส่งผ่านรังสีซินโครตรอนที่ตกกระทบผ่านแผ่นฟอยล์บางๆ ที่โปร่งแสง มักใช้ในการจัดการภาระความร้อนของลำแสงสีขาว เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของระบบลำแสงให้เหมาะสมกับพลังงานที่ใช้งาน ตัวกรองทั่วไปจะมีสองหรือสามแร็ค โดยแต่ละแร็คจะบรรจุแผ่นฟอยล์แยกกันสามหรือสี่แผ่น ขึ้นอยู่กับขนาดหน้าตัดของลำแสง
- กระจกปรับโฟกัส - กระจกหนึ่งบานหรือมากกว่านั้น ซึ่งอาจเป็นกระจกแบน กระจกโค้ง หรือกระจกทรงวงแหวนทำหน้าที่ช่วยปรับลำแสงให้ขนานกัน (โฟกัส)
- เครื่องแยกแสง (Monochromator) คืออุปกรณ์ที่ใช้หลักการเลี้ยวเบนของแสง โดยผลึก ซึ่งจะเลือกช่วง ความยาวคลื่นเฉพาะและดูดซับความยาวคลื่นอื่นๆ โดยบางครั้งสามารถปรับความยาวคลื่นได้ และบางครั้งก็ถูกกำหนดให้มีความยาวคลื่นคงที่
- ท่อเว้นระยะ - ท่อรักษาสุญญากาศที่ให้ระยะห่างที่เหมาะสมระหว่างชิ้นส่วนทางแสง และป้องกันรังสีที่กระจัดกระจาย
- แท่นวางตัวอย่าง - สำหรับติดตั้งและเคลื่อนย้ายตัวอย่างที่กำลังศึกษา และนำไปทดสอบภายใต้สภาวะภายนอกต่างๆ เช่น อุณหภูมิ ความดัน เป็นต้น
- เครื่องตรวจจับรังสี - สำหรับวัดปริมาณรังสีที่ทำปฏิกิริยากับตัวอย่าง
การทำงานร่วมกันของอุปกรณ์ปรับสภาพลำแสงจะควบคุมภาระความร้อน (ความร้อนที่เกิดจากลำแสง) ที่สถานีปลายทาง สเปกตรัมของรังสีที่ตกกระทบที่สถานีปลายทาง และการโฟกัสหรือการปรับแนวลำแสง อุปกรณ์ตามแนวลำแสงที่ดูดซับพลังงานจากลำแสงจำนวนมากอาจจำเป็นต้องระบายความร้อนด้วยน้ำหรือไนโตรเจนเหลวโดยปกติแล้วตลอดความยาวของลำแสงจะถูกรักษาไว้ภายใต้สภาวะสุญญากาศสูงมาก
ซอฟต์แวร์สำหรับการสร้างแบบจำลองลำแสง
แม้ว่าการออกแบบลำแสงซินโครตรอนอาจถูกมองว่าเป็นการประยุกต์ใช้ทัศนศาสตร์รังสีเอกซ์แต่ก็มีเครื่องมือเฉพาะสำหรับการจำลองการแพร่กระจายของรังสีเอกซ์ไปตามลำแสงและการปฏิสัมพันธ์กับส่วนประกอบต่างๆ มีโปรแกรมติดตามรังสี เช่นShadowและMcXTraceที่ประมวลผลลำแสงรังสีเอกซ์ในขอบเขตของทัศนศาสตร์เชิงเรขาคณิต และยังมีซอฟต์แวร์การแพร่กระจายคลื่นที่คำนึงถึงการเลี้ยวเบนและคุณสมบัติคลื่นโดยธรรมชาติของรังสี เพื่อความเข้าใจถึงความสอดคล้องอย่างสมบูรณ์หรือบางส่วนของรังสีซินโครตรอน จำเป็นต้องคำนึงถึงคุณสมบัติของคลื่น โปรแกรมSRW , Spectraและxrtมีความเป็นไปได้นี้ โดยโปรแกรม xrt รองรับโหมด "ไฮบริด" ที่อนุญาตให้สลับจากวิธีการเชิงเรขาคณิตไปเป็นวิธีการเชิงคลื่นในส่วนของแสงที่กำหนด
สายลำแสงนิวตรอน
โดยผิวเผินแล้ว ลำแสงนิวตรอนแตกต่างจากลำแสงรังสีซินโครตรอนส่วนใหญ่ตรงที่ลำแสงนิวตรอนใช้นิวตรอนจากเครื่องปฏิกรณ์วิจัยหรือแหล่งกำเนิดสปัลเลชันแทนที่จะใช้โฟตอน เนื่องจากนิวตรอนไม่มีประจุและยากต่อการเปลี่ยนทิศทาง ส่วนประกอบจึงแตกต่างกันมาก (เช่น ตัวตัดลำแสงหรือกระจกสะท้อนแสงนิวตรอน) การทดลองมักจะวัดการกระเจิงของนิวตรอนจากหรือการถ่ายโอนพลังงานไปยังตัวอย่างที่กำลังศึกษา
ดูเพิ่มเติม
- ลำแสงไอออน
- หมวดหมู่: สถานีวิจัยนิวตรอน
- ไคลสตรอน
ลิงก์ภายนอก
- ลำแสงซินโครตรอนคืออะไร? ( ข้อมูลถูกเก็บถาวรเมื่อวันที่ 3 กรกฎาคม 2022 ในWayback Machine)
- ค้นหาลำแสงซินโครตรอนที่คุณต้องการ
- การศึกษาโครงสร้างผลึกของโมเลกุลขนาดใหญ่ด้วยเครื่องซินโครตรอน: บทนำทางประวัติศาสตร์