เลเซอร์เอกซเรย์ที่ปล่อยพัลส์อันทรงพลังที่สุดเท่าที่เคยมีมา!

เมื่อไม่นานนี้ นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการเครื่องเร่งอนุภาคแห่งชาติ SLAC ได้ประสบความสำเร็จในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ครั้งสำคัญ โดยใช้อุปกรณ์ Linear Accelerator Coherent Light Source (LCLS-II) ในแคลิฟอร์เนีย เพื่อส่งพัลส์เอ็กซ์เรย์ที่มีพลังทำลายล้างสูงที่สุดจนถึงปัจจุบัน
ระยะเวลาของพัลส์นี้สั้นมาก ในเวลาเพียง 4.4 ล้านล้านวินาที (attoseconds) พัลส์นี้สามารถผลิตพลังงานได้เกือบ 1 เทราวัตต์ - 1,000 เท่าของการผลิตพลังงานเฉลี่ยต่อปีของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์
LCLS-II เป็นรุ่นอัปเกรดของแหล่งกำเนิดแสงเชิงเส้นแบบโคฮีเรนต์ ซึ่งอยู่ที่ห้องปฏิบัติการเครื่องเร่งอนุภาคแห่งชาติ SLAC ของกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา ซึ่งอยู่ติดกับมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดในเมืองเมนโลพาร์ก รัฐแคลิฟอร์เนีย อุปกรณ์นี้ใช้เทคโนโลยีเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระเพื่อเร่งลำแสงอิเล็กตรอนให้ใกล้ความเร็วแสง และแกว่งลำแสงผ่านชุดสนามแม่เหล็กเพื่อปล่อยรังสีเอกซ์ที่มีความเข้มข้นสูง รังสีเอกซ์เหล่านี้สามารถใช้สร้างภาพวัตถุขนาดเล็ก เช่น โมเลกุล เพื่อสังเกตปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมภายในวัตถุเหล่านั้น
LCLS-II สามารถปล่อยพัลส์เอกซ์เรย์ได้มากถึงล้านพัลส์ต่อวินาที เร็วกว่าเลเซอร์ LCLS รุ่นก่อนหน้าถึง 8,000 เท่า เมื่อรวมอัตราพัลส์ที่เพิ่มขึ้นเข้ากับจำนวนอิเล็กตรอนที่เพิ่มขึ้นต่อพัลส์ อุปกรณ์ใหม่นี้จะสว่างกว่ารุ่นก่อนหน้าถึง 10,000 เท่า
ที่น่าสังเกตคือ LCLS-II สามารถปล่อยพัลส์เอ็กซ์เรย์ได้มากถึง 1 ล้านพัลส์ต่อวินาที ซึ่งเพิ่มขึ้น 8,000 เท่าจากเลเซอร์ LCLS รุ่นก่อนหน้า เมื่อรวมกับอัตราพัลส์ที่เพิ่มขึ้นและจำนวนอิเล็กตรอนต่อพัลส์ที่มากขึ้น อุปกรณ์ใหม่นี้จึงมีความสว่างมากกว่ารุ่นก่อนหน้าถึง 10,000 เท่า นอกจากนี้ อุปกรณ์ยังสามารถผลิตพัลส์สั้นได้ตั้งแต่ 10-50 เฟมโตวินาที โดยมีระยะเวลาพัลส์ที่ยาวนานถึง 250 เฟมโตวินาทีสำหรับเอ็กซ์เรย์พลังงานต่ำ และยังสามารถสร้างพัลส์สั้นมากที่มีระยะเวลาต่ำกว่า 10 เฟมโตวินาทีได้อีกด้วย
ด้วยความยาวคลื่นสั้น พัลส์สั้น และการใช้เลเซอร์ซ้ำอย่างรวดเร็ว นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้เครื่องมือนี้เพื่อดูปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นได้ โดยพื้นฐานแล้ว พัลส์แต่ละพัลส์สามารถสร้างภาพโครงร่างของอะตอมที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาได้ จากนั้นจึงนำภาพเหล่านี้มาต่อกันเพื่อสร้างเอฟเฟกต์ที่คล้ายกับ "ภาพยนตร์เคลย์แมชัน" ในระดับโมเลกุล ในปี 2018 โรงงาน LCLS สามารถสร้างภาพยนตร์เกี่ยวกับการมองเห็นของมนุษย์และกระบวนการทางเคมีที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์แสงได้สำเร็จภายในเวลาเพียง 1,000 เฟมโตวินาที
อุปกรณ์ LCLS-II ไม่เพียงแต่สามารถถ่ายภาพวัตถุขนาดเล็กได้เท่านั้น แต่ยังมีความแม่นยำสูงถึง 1 อังสตรอม (10^-10 เมตร) ความสามารถนี้จะทำให้ผู้วิจัยสามารถเจาะลึกกระบวนการทางอะตอมในสาขาต่างๆ ตั้งแต่ระบบชีวภาพไปจนถึงโฟโตวอลตาอิกส์และเซลล์เชื้อเพลิง ในเวลาเดียวกัน อุปกรณ์เลเซอร์ยังจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสำรวจปรากฏการณ์ทางกายภาพ เช่น การนำยิ่งยวด ไฟฟ้าแม่เหล็ก และแม่เหล็กได้เพิ่มเติมอีกด้วย
ส่วนประกอบสำคัญอย่างหนึ่งของการอัปเกรดคือการติดตั้งเทคโนโลยีปฏิวัติวงการ ในขณะที่คันเร่งรุ่นก่อนทำงานที่อุณหภูมิห้อง LCLS-II ที่ได้รับการอัปเกรดใช้ชุดคันเร่งแบบซุปเปอร์คอนดักเตอร์ ซึ่งทำให้สามารถทำงานได้ในอุณหภูมิที่ต่ำถึงใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ (-456 องศาฟาเรนไฮต์ หรือ -271 องศา) LCLS-II ยังมีแม่เหล็กที่ดีกว่าในการเหวี่ยงลำแสงอิเล็กตรอนอีกด้วย
แม้ว่า LCLS-II จะเพิ่งเริ่มดำเนินการ แต่ความสำเร็จของคันเร่ง LCLS รุ่นแรกๆ ก็ทำให้บรรดานักวิจัยมีความหวัง นักวิทยาศาสตร์กว่า 3,000 คนได้ใช้อุปกรณ์นี้และตีพิมพ์ผลงานวิจัยไปแล้วกว่า 1,450 ชิ้น การประยุกต์ใช้เครื่องปล่อยพัลส์รังสีเอกซ์อันทรงพลังนี้ในอนาคตนั้นดูมีแนวโน้มดี และคาดว่าจะนำมาซึ่งข้อมูลเชิงลึกและความก้าวหน้าใหม่ๆ ให้กับสาขาการวิจัยทางวิทยาศาสตร์