- บทความ : ทีมวิจัยเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์
- กลุ่มวิจัยอุปกรณ์สเปกโทรสโกปีและเซนเซอร์ (SSDRG)
- ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และคอมพิวเตอร์แห่งชาติ (เนคเทค-สวทช.)
- วิดีโอ : ตุลลาวัฒน์ หอมสินธ์ ภาพปก : สุตาภัทร กันยง
คลื่นเทระเฮิรตซ์เป็นคลื่นที่ไม่ก่อให้เกิดอันตรายต่อเซลล์สิ่งมีชีวิต เนื่องจากเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีพลังงานในระดับต่ำ (ระดับ µeV) ซึ่งมีค่าน้อยกว่าพลังงานที่ต้องใช้สำหรับการกระตุ้นอิเล็กตรอนในวัสดุทั่วไป (ระดับ eV) จึงไม่ทำให้เกิดกระบวนการสูญเสียอิเล็กตรอน (Ionization) อันจะนำไปสู่ปฏิกิริยาเคมีอื่น ๆ ได้ง่ายนัก จากสาเหตุที่คลื่นเทระเฮิรตซ์มีพลังงานต่ำ (ความยาวคลื่นมาก) จึงถูกลดทอนในวัสดุต่าง ๆ ได้น้อย ทำให้มีคุณสมบัติทะลุทะลวงวัสดุได้มากกว่าคลื่นแสงหรืออินฟราเรด ส่งผลให้คลื่นเทระเฮิรตซ์สามารถทะลุผ่านวัสดุจำพวก พลาสติก เสื้อผ้า ไม้ หรือสารประกอบอินทรีย์ได้
นอกจากนี้คลื่นเทระเฮิรตซ์ยังสามารถเกิดได้จากอันตรกิริยาระหว่างโมเลกุลซึ่งไม่สามารถตรวจวัดได้โดยเทคนิคทางสเปกโทรสโคปีที่พลังงานสูงได้ ทำให้คลื่นเทระเฮิรตซ์เป็นอีกหนึ่งทางเลือกในการใช้ศึกษาสารเคมีที่มีองค์ประกอบทางเคมีเหมือนกัน แต่มีโครงสร้าง การจัดเรียงตัวต่างกัน ซึ่งในทางปฏิบัติสารเหล่านี้จะมีสมบัติเชิงเคมีที่แตกต่างกันได้ จึงมีแนวคิดในการนำคลื่นเทระเฮิรตซ์ไปประยุกต์ใช้ในการตรวจสอบวัสดุบรรจุภัณฑ์แบบไม่ทำลาย เพื่อตรวจหาสารเสพย์ติด อาวุธ หรือสิ่งของผิดกฏหมาย
แม้จะมีความต้องการใช้คลื่นเทระเฮิรตซ์ แต่ขณะเดียวกันเทระเฮิรตซ์เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่พบได้น้อยในธรรมชาติ เนื่องจากพลังงานที่ต่ำและการถูกดูดกลืนได้ง่ายจากสารประกอบที่มีไฮโดรเจนเป็นส่วนประกอบ โดยเฉพาะไอน้ำซึ่งมีอยู่ทั่วไปในชั้นบรรยากาศโลก นอกจากนี้อุปกรณ์ที่ใช้ตรวจวัดยังมีการพัฒนาที่น้อยกว่าอุปกรณ์ตรวจวัดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในย่านอื่น ๆ จึงทำให้มีการนำคลื่นเทระเฮิรตซ์มาใช้ประโยชน์ในชีวิตประจำวันอย่างไม่แพร่หลายมากนัก ทั้งนี้ด้วยข้อจำกัดทางด้านเทคโนโลยีทำให้การผลิตคลื่นเทระเฮิรตซ์กระทำได้ยาก หนึ่งในความท้าทายที่ทีมวิจัยเทคโนโลยีเทระเฮิรตซ์ เนคเทค-สวทช. เลือก คือการสร้างเครื่องกำเนิดสัญญาณคลื่นในย่านเทระเฮิรตซ์ ด้วยหลักการ Smith-Purcell Radiation
การสร้างเครื่องกำเนิดสัญญาณคลื่นในย่านเทระเฮิรตซ์ ด้วยหลักการ Smith-Purcell Radiation
Technical Challenge : การสร้างจากสิ่งที่มีอยู่
แหล่งกำเนิดคลื่นเทระเฮิรตซ์ที่มี Output Power สูง จากเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ จำเป็นต้องอาศัยโครงสร้างที่มีขนาดใหญ่ และต้องเงินลงทุนมหาศาล ทำให้การใช้การประยุกต์ใช้งานคลื่นเทระเฮิรตซ์จากแหล่งกำเนิดดังกล่าว ยังคงถูกจำกัดอยู่ที่สถาบันวิจัยขนาดใหญ่ซึ่งเข้าถึงการใช้งานได้ยาก ทางทีมวิจัยจึงมีแนวคิดในการใช้หลักการ Smith-Purcell Radiation (SPR) มาใช้ในการออกแบบและสร้างแหล่งกำเนิดคลื่นเทระเฮิรตซ์ (แสดงดังรูปที่ 2)
โดยเป็นการใช้ประโยชน์จากลำอิเล็กตรอนพลังงานต่ำ ซึ่งใช้พื้นที่น้อย และสามารถเคลื่อนย้ายได้ง่าย เพื่อจุดประสงค์ในการเข้าถึงความต้องการใช้งานที่หลากหลาย การผลิตคลื่นเทระเฮิรตซ์จากปรากฏการณ์ SPR นี้ ต้องอาศัยองค์ประกอบหลัก 2 ประการคือ
- การผลิตลำอิเล็กตรอนให้มีค่า beam emittance น้อยกว่า 𝜋.mm.mrad โดยมีกระแสลำอิเล็กตรอนในระดับมิลลิแอมป์ เพื่อเหนี่ยวนำให้เกิดสนามไฟฟ้าที่มีความเข้มมากเพียงพอ
- การผลิตเกรตติงโลหะที่มีคาบของแบบรูป (pattern period) ในระดับไมโครเมตร เนื่องจากการผลิตเกรตติงที่มีรูปแบบดังกล่าวจากแผ่นโลหะทั้งหมดไม่สามารถทำได้ด้วยเทคโนโลยีที่มีอยู่ในประเทศไทย ทางทีมวิจัยจึงประยุกต์ใช้เทคนิคการเคลือบโลหะบนผิวของสารกึ่งตัวนำที่มีแบบรูปของคาบที่กำหนดไว้ ผลิตเป็นเกรตติงภายในงานวิจัยนี้
จากการที่ลำอิเล็กตรอนนี้มีพลังงานต่ำทำให้ไม่จำเป็นต้องอาศัยศักย์ไฟฟ้าที่สูงมากนักในการเร่งให้มีพลังงานที่ต้องการ เป็นการลดต้นทุนการจัดการด้านความปลอดภัยและลดผลกระทบที่เกิดจากรังสีเอกซ์ซึ่งเกิดจากประจุไฟฟ้าที่มีความเร็วสูงชนกับโมเลกุลของอากาศภายในห้องสุญญากาศได้ โครงสร้างโดยรวมของระบบจึงมีขนาดกะทัดรัดเหมาะแก่การใช้งานที่อยู่ในระดับอุตสาหกรรมทั่วไป การสร้างระบบ SPR นี้เป็นการผลิตแหล่งกำเนิดคลื่นเทระเฮิรตซ์โดยอาศัยอุปกรณ์ที่มีอยู่หรือที่สามารถผลิตได้เองโดยหน่วยงานในประเทศ เป็นการสร้างระบบนิเวศวิจัยทางเลือกของแหล่งกำเนิดคลื่นเทระเฮิรตซ์ที่สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้ในอนาคต
ปัจจุบันเนคเทค-สวทช.ร่วมมือวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีด้านเทระเฮิรตซ์ร่วมกับ สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอนแห่งชาติ (องค์การมหาชน) หรือ Synchrotron Light Research Institute (SLRI) และศูนย์เทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ หรือ Thai Microelectronics Center (TMEC)