ตัวนำยิ่งยวด ตอนที่ 3 ตัวนำยิ่งยวดกับการประยุกต์ใช้บางส่วน

ในตอนที่แล้ว (วารสารฟิสิกส์ไทย ก.ย.-พ.ย. 2550) เราได้รู้จักกลไกการเกิดสภาพนำยิ่งยวดในระดับจุลภาคไปบ้างแล้ว  สำหรับในตอนนี้เราจะมาดูกันในเรื่องที่เบาขึ้นหน่อย คือ เกี่ยวกับการนำเอาตัวนำยิ่งยวดมาใช้งานในบางส่วน

เนื่องจากการทำให้สารกลายสภาพเป็นตัวนำยิ่งยวดนั้น ต้องทำให้อุณหภูมิลดลงต่ำกว่าค่าอุณหภูมิวิกฤติ ซึ่งมีค่าต่ำมาก  และการทำให้อุณหภูมิต่ำขนาดนั้น ยังมีราคาแพงมาก ดังนั้นการประยุกต์ใช้ตัวนำยิ่งยวด จึงยังไม่มาอยู่ในระดับครัวเรือนให้เราเห็นกันเป็นประจำ ตัวนำยิ่งยวดมักถูกนำไปใช้ในระดับการทำงานวิจัยใหญ่ๆ หรือในระดับเครื่องมือใหญ่ ๆ ตัวอย่างเช่น ในเครื่องเร่งอนุภาค หรือในทางการแพทย์ อย่างเช่น ในเครื่องถ่ายภาพด้วย
เรโซแนนซ์แม่เหล็กหรือที่เรียกกันว่าเครื่องเอ็มอาร์ไอ (MRI = Magnetic resonance imaging) และรวมถึงการขนส่งมวลชน คือ รถไฟที่ลอยเหนือรางได้ด้วยแรงแม่เหล็ก  สำหรับในเครื่องมือระดับเล็ก ๆ  ตัวนำยิ่งยวดถูกนำมาใช้ในการวัดสัญญาณแม่เหล็กขนาดเล็กมาก ๆ เช่น ในสิ่งมีชีวิต หรือ การศึกษาการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กโลก (สนามแม่เหล็กของโลกที่บริเวณผิวมีค่าประมาณ 5?10-5 เทสลา; 1 เทสลามีค่าเท่ากับ 1?104 เกาส์) หรือแม้แต่การตรวจจับความผิดปกติหรือบกพร่องของชิพขนาดเล็กที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ ที่เป็นส่วนประกอบของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ ได้ เป็นต้น

ในเครื่องเร่งอนุภาค สิ่งหนึ่งที่มีความจำเป็นคือ สนามแม่เหล็กความเข้มสูง (ประมาณ 10 – 20 เทสลา) ซึ่งทำมาจากการใส่กระแสไฟฟ้าให้วิ่งผ่านลวดตัวนำยิ่งยวด สนามแม่เหล็กที่เกิดจากลวดตัวนำธรรมดาเช่น ทองแดงจะมีค่าไม่สูงนัก คือ ประมาณ 1 เทสลา เท่านั้น เนื่องจากกระแสในตัวนำธรรมดามีการสูญเสียพลังงานไปในรูปความร้อน ความร้อนที่เกิดขึ้นทำให้ไม่สามารถทนกระแสสูง ๆ เกินไปได้  ต่างจากตัวนำยิ่งยวดซึ่งสามารถออกแบบให้นำกระแสได้ถึง 10,000 แอมแปร์โดยแทบไม่มีการสูญเสียพลังงานเลย ตัวนำยิ่งยวดที่มักนำมาใช้งานในการสร้างสนามแม่เหล็กความเข้มระดับนี้ ก็ได้แก่ อัลลอยด์ไนโอเบียมกับไททาเนียม (Nb3Ti อุณหภูมิวิกฤตประมาณเท่ากับ 9.5 เคลวิน) เครื่องเร่งอนุภาคเครื่องแรกที่นำเอาตัวนำยิ่งยวดมาใช้ คือ Tevatron ที่
Fermi National Accelerator Laboratory สหรัฐอเมริกา (รูปที่ 1) ในปี ค.ศ. 1984 เครื่องนี้มีความสามารถเร่งอนุภาคให้มีพลังงาน 1 TeV (= 106 MeV)ได้ และมีแม่เหล็กที่ทำมาจากตัวนำยิ่งยวดทั้งหมด 1,000 ตัว ตัวอย่างของเครื่องเร่งอนุภาคอื่นที่ใช้แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด ก็ได้แก่ Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) ที่ Brookhaven National Laboratory สหรัฐอเมริกา, HERA ที่ Deutsches Elektronen Synchrotron (DESY) เยอรมนี, Large Hadron Collider (LHC) ที่ CERN สวิสเซอร์แลนด์ (ที่นี่ใช้แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดถึง 8,000 ตัวเพื่อให้ได้พลังงานการชน 14 TeV)

สำหรับเครื่อง MRI (รูปที่ 2) เป็นเครื่องตรวจร่างกายโดยการสร้างภาพเหมือนจริงของส่วนต่างๆของร่างกาย โดยใช้สนามแม่เหล็กความเข้มสูง และคลื่นความถี่ในย่านความถี่วิทยุ (Radio Frequency) ด้วยการส่งคลื่นความถี่เข้าสู่ร่างกาย เหนี่ยวนำโปรตอน ซึ่งอยู่ในอะตอมไฮโดรเจนในเนื้อเยื่อร่ายกายคนไข้ (คนเรามีน้ำและไขมันเป็นส่วนประกอบส่วนใหญ่ มีอะตอมของไฮโดรเจนกว่า 60%) ให้หมุนรอบทิศทางของสนามแม่เหล็กคงตัว และก็มีการรับคลื่นสะท้อนกลับ นำมาประมวลผลและสร้างเป็นภาพของอวัยวะต่าง ๆ ในร่างกาย เช่น หัวใจ ปอด สมอง ลำไส้ ได้ด้วยคอมพิวเตอร์ ซึ่งสามารถให้รายละเอียดและความคมชัดเสมือนการตัดร่างกายตามแนวขวางออกเป็นแผ่นๆ ทำให้สามารถนำมาใช้ในการตรวจหาเนื้อเยื่อที่มีความผิดปกติ เช่น มะเร็ง ซึ่งมีลักษณะภาพจาก MRI ที่ต่างไปจากเนื้อเยื่อปกติ เนื่องจากมีส่วนประกอบที่แตกต่างกัน โดยไม่ทำให้คนไข้ต้องเจ็บตัว สนามแม่เหล็กความเข้มสูงนี้ เกิดมาจากขดลวดโซลินอยด์ที่ทำจากตัวนำยิ่งยวด ซึ่งมีความยาวเป็นสิบ ๆ กิโลเมตร และสามารถให้ความเข้มสนามแม่เหล็กได้ถึง 2 เทสลา สนามแม่เหล็กในเครื่อง MRI ในสมัยแรก ๆ มีความแรงน้อยคือ 0.2 – 0.6 เทสลา และทำจากแม่เหล็กถาวร ซึ่งเทอะทะและมีมวลมากถึง 100 ตัน

 

รูปที่ 1  ด้านบนซ้าย คือ Tevatron ที่ Fermi Lab มีท่อสุญญากาศซึ่งเป็นที่วิ่งของลำอนุภาคยาว 4 ไมล์ แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดที่ประกบอยู่กับท่อลำเลียงอนุภาคนี้มีประมาณ 1000 แท่ง  ด้านบนขวาเป็นแท่งแม่เหล็กที่นำมาวางกองไว้ก่อนนำไปติดตั้ง  ด้านล่างเป็นภาคตัดขวางของแม่เหล็ก ตรงกลางเป็นท่อสุญญากาศซึ่งเป็นช่องทางวิ่งสำหรับลำอนุภาค  (นำมาจาก http://www.fnal.gov และ http://www-bd.fnal.gov/public/tevatron.html)

รูปที่ 2  ภาพบนแสดงเครื่อง MRI ที่มีสนามแม่เหล็กขนาด 1.5 เทสลาที่ Standford University ภายในมีขดลวดโซลินอยด์ที่ทำจากตัวนำยิ่งยวด  ภาพล่างแสดงตัวอย่างของภาพที่ถ่ายจากเครื่อง MRI  (ภาพบนนำมาจากบทความ Superconductivity: A macroscopic quantum phenomena โดย John Clarke ในวารสาร Beam Line ปี ค.ศ. 2000 ฉบับที่ 30 ลำดับที่ 2  ภาพล่างนำมาจาก http://www.mrithailand.com/mri9/)

ในการขนส่งมวลชนความเร็วสูง รถไฟ MAGLEV (Magnetic Levitation) สามารถเคลื่อนที่ได้เร็วถึง 580 กิโลเมตรต่อชั่วโมง เป็นรถไฟที่วิ่งโดยไม่แตะราง อาศัยการที่ตัวนำยิ่งยวดสามารถผลักสนามแม่เหล็กให้ออกจากตัวได้ มาทำให้เกิดแรงแม่เหล็กผลักให้ตัวรถอยู่เหนือราง การขับเคลื่อนเกิดจากการที่ตัวรางมีความเป็นแม่เหล็กที่มีขั้วตรงข้ามกับสนามแม่เหล็กของตัวรถและทำให้เกิดแรงผลักตัวรถไปข้าง หน้า (ดูรูปที่ 3) รถไฟในลักษณะนี้ นำมาใช้งานแล้วในประเทศจีน และญี่ปุ่น

รูปที่ 3  ด้านบนซ้ายเป็นภาพรถไฟ MAGLEV รุ่น MLX01 ของญี่ปุ่น  ด้านบนขวาเป็นภาพการ์ตูนแสดงหลักการที่ทำให้รางกับรถผลักกัน  
ด้านล่างเป็นแท่งแม่เหล็กที่ทำจากตัวนำยิ่งยวดซึ่งติดอยู่กับตัวรถ (ซ้ายเป็นรูปจริง ขวาเป็นแผนภาพ)  (นำมาจาก http://www.rtri.or.jp/rd/maglev/html/english/maglev_frame_E.html)

ที่กล่าวมาข้างต้นนี้เป็นการนำตัวนำยิ่งยวดมาประยุกต์ใช้ในเครื่องมือระดับใหญ่  ส่วนในเครื่องมือระดับเล็ก ๆ (เล็กกว่า 1 มิลลิเมตร) นั้น ก็มีการนำมาประยุกต์ใช้เช่นกัน นั่นคือ เป็นอุปกรณ์ที่นำเอารอยต่อโจเซฟสัน (คือรอยต่อของตัวนำยิ่งยวดสองตัว ดูในวารสารฟิสิกส์ไทย มิ.ย.-ส.ค. 2550) มาประยุกต์ใช้ เรียกว่า SQUID—Superconducting QUantum Interference Devices ซึ่งเป็นอุปกรณ์ตรวจจับที่มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กมาก  SQUID สามารถเปลี่ยนสัญญาณการเปลี่ยนแปลงสนามแม่เหล็ก ซึ่งวัดได้ยากมาก ให้กลายเป็นสัญญาณไฟฟ้าซึ่งวัดง่ายได้  รูปที่ 4 แสดงแผนภาพและหลักการทำงานอย่างคร่าว ๆ ของ SQUID

SQUID ประกอบด้วยรอยต่อโจเซฟสัน 2 อันที่ต่อกันแบบขนานมีลักษณะเป็นวง เมื่อมีกระแสที่เหมาะสมไหลผ่าน จะมีค่าความต่างศักย์ตกคร่อมวงดังกล่าว ถ้าฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านวงนี้มีการเปลี่ยนแปลง ความต่างศักย์ที่ตกคร่อมก็จะมีการแปรเปลี่ยนค่าไปด้วย โดยการแปรเปลี่ยนดังกล่าวมีลักษณะเป็นแบบกวัดแกว่ง โดยมีค่าคาบเท่ากับค่าฟลักซ์แม่เหล็ก 1 ควอนตัม (เกาส์-เซนติเมตร2)  เราสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กที่ผ่านวงแหวนได้ โดยการวัดการเปลี่ยนแปลงของความต่างศักย์นี้ ตามปกติ SQUID สามารถตรวจวัดการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กที่ผ่านได้ละเอียดถึง 1 ในล้านของค่าฟลักซ์ควอนตัม  ตัวอย่างการนำ SQUID ไปใช้งาน ก็ได้แก่ การวัดสัญญาณแม่เหล็กในสมองที่ขณะต่าง ๆ โดยมักจะมีการใช้ร่วมกับภาพที่ถ่ายได้จาก MRI ด้วย เป็นต้น

 

รูปที่ 4  แผนภาพแสดงหลักการทำงานของ SQUID  (นำมาจาก http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/squid.html)

รูปที่ 5  ด้านซ้ายเป็นรูปของเครื่องมือที่ใช้วัดสัญญาณในสมอง เครื่องนี้มี SQUID อยู่ 306 ตัว  ด้านขวาเป็นตัวอย่างแผนภาพแสดงตำแหน่งของค่าสัญญาณสนามแม่เหล็กที่มีค่าสูงกว่าปกติ (วัดโดย SQUID) ในคนไข้อายุ 5 ปีที่ป่วยเป็นโรคแอลเคเอส (LKS— Landau-Kleffner Syndrome) ตำแหน่งของสัญญาณดังกล่าวถูกนำมาซ้อนใส่ไว้ในภาพของสมองที่ถ่ายโดย MRI  (นำมาจากบทความ Superconductivity: A macroscopic quantum phenomena โดย John Clarke ในวารสาร Beam Line ปี ค. ศ. 2000 ฉบับที่ 30 ลำดับที่ 2)

นอกจากการวัดสัญญาณในสมองแล้ว ก็ยังมีความพยายามที่จะพัฒนา SQUID ให้สามารถวัดสัญญาณแม่เหล็กของหัวใจอีกด้วย เรียกว่า เครื่อง MCG—Magnetocardiography (รูปที่ 6) ซึ่งจะสามารถทำให้แพทย์ระบุตำแหน่งของความผิดปกติของหัวใจได้โดยไม่ต้องมีการผ่าตัดเปิดหน้าอก

 

รูปที่ 6  ตัวอย่างเครื่อง MCG  (นำมาจาก http://www.biomag.hus.fi/mcg.html)

การนำตัวนำยิ่งยวดมาใช้งานที่ได้กล่าวมานี้ เป็นเพียงส่วนหนึ่งเท่านั้น ท่านผู้อ่านสามารถอ่านเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้ตัวนำยิ่งยวดเพิ่มเติมได้ที่  http://superconductor.org