Development of mid-infrared free-electron laser at Chiang Mai University

การพัฒนาเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระย่านอินฟราเรดช่วงกลาง ณ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

Name: Kittipong Techakaew

LCSH: Electrons

LCSH: Electron beams

Abstract: Mid-infrared free-electron lasers (MIR-FELs) with their unique properties and high quality, enable effective material characterization and modification by selectively exciting molecular vibrations, making them a crucial tool for advancing materials science and industrial technologies. Due to its advantages and usefulness, the project to develop the MIR FEL beamline is underway at the PBP-CMU Electron Linac Laboratory (PCELL) in Chiang Mai University for scientific research and advanced applications. This study focuses on designing diagnostic systems for electron beam characterization, MIR FEL evaluation, and radiation transport from the accelerator hall to the user experiment area. Precise beam control is essential for producing high-quality MIR FEL radiation. Simulations using ASTRA and GENESIS 1.3 software in previous works determined optimal electron beam parameters, including 25 MeV energy, 0.2 mm·mrad transverse emittance, 220 fs bunch length, and 62.5 pC bunch charge. In this work, diagnostic stations were optimized and developed to measure these properties. Energy and energy spread were determined using an energy spectrometer with systematic errors below 11% and 0.1%, respectively. The transverse emittance is measured using a quadrupole scan station with a systematic error lower than 14%. The electron bunch length is evaluated via terahertz transition radiation (THz-TR) using a Michelson interferometer with a systematic error of about 6% when considering the effect of transverse beam size on bunch length measurement. The MIR FEL beamline generates radiation wavelengths in a range of 9.5–12.9 μm with pulse energies of 0.3–0.4 μJ. Radiation properties are characterized using a pyroelectric detector for radiation power measurement, a two-axis linear stage equipped with a detector for transverse profile measurement, and an in-house developed monochromator with the best resolution of 2.5 nm. A 25-m transport system was designed using analytical calculations and ZEMAX simulations to ensure efficient delivery to the experimental area. The investigation wavelengths were extended to 20 μm to support longer wavelengths at lower electron beam energy. A maximum transmission efficiency of 54% at a radiation wavelength of 15 μm, mitigated by an enclosed nitrogen/dry-air filled beamline, consisting of uPVC tube and acrylic boxes. This work enhances the control and diagnostics of electron beam and MIR FEL as well as the transportation of the radiation, contributing to applications in surface engineering, polymer processing, semiconductor technology, biomaterials, and quantum materials. Future work aims to construct these optimized systems and integrate real-time feedback for beam optimization.

Abstract: เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระย่านอินฟราเรดช่วงกลาง (Mid-infrared free-electron laser ; MIR-FEL) มีสมบัติเฉพาะและมีคุณภาพสูง สามารถนำไปใช้ในการวิเคราะห์และปรับแต่งสมบัติวัสดุได้อย่าง แม่นยำโดยการกระตุ้นการสั????นของโมเลกุลอย่างจำเพาะเจาะจง ซึงเป็นเครื่องมือสำคัญในการพัฒนา ด้านวัสดุศาสตร์และเทคโนโลยีในระดับอุตสาหกรรม ด้วยข้อดีและความสามารถดังกล่าว โครงการ พัฒนาแหล่งกำเนิด MIR-FEL ได้ดำเนินการที่ห้องปฏิบัติการวิจัยเครื่องเร่งอิเล็กตรอนเชิงเส้น ณ ศูนย์- วิจัยฟิสิกส์ของพลาสมาและลำอนุภาค ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัย เชียงใหม่ เพื่อการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และการประยุกต์ใช้งานขั้นสูง การศึกษานี้มุ่งเน้นไปที่การ ออกแบบสถานีสำหรับการวัดวิเคราะห์สมบัติของลำอิเล็กตรอน สมบัติของรังสี MIR-FEL และการส่ง ผ่านรังสีจากห้องเร่งอนุภาคไปยังบริเวณห้องทดลอง โดยระบบการควบคุมลำอนุภาคที่แม่นยำเป็นสิ่ง สำคัญยิ่งสำหรับการผลิต MIR-FEL คุณภาพสูง จากผลการจำลองด้วยซอฟต์แวร์ASTRA และ GENESIS 1.3 ในงานวิจัยก่อนหน้านี้ พบว่า ค่าพารามิเตอร์ของลำอิเล็กตรอนที่เหมาะสมแก่การนำไปผลิต รังสี ได้แก่ ลำอิเล็กตรอนที่มีพลังงาน 25 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์ ค่าอิมิตแตนซ์ 0.2 มิลลิเมตร·มิลลิ เรเดียน ขนาดความยาวห้วง 220 เฟมโตวินาที และประจุ 62.5 พิโคคูลอมบ์ ในงานวิจัยนี้ ได้ทำการ ออกแบบและพัฒนาสถานีตรวจวัดสมบัติเหล่านี้ จากการศึกษาพบว่า สเปกโตรมิเตอร์วัดพลังงานที่ ออกแบบและพัฒนาขึ้น สามารถวัดค่าพลังงานเฉลี่ยและการกระจายพลังงานที่มีความคลาดเคลื่อนต่ำ กว่า 11% และ 0.1% ตามลำดับ การวัดค่าอิมิตแตนซ์ได้ใช้เทคนิกการสแกนด้วยแม่เหล็กสี่ขั้วซึ่ง มีค่าความคลาดเคลื่อนเชิงระบบต่ำกว่า 14% ส่วนความยาวห้วงของอิเล็กตรอนจะถูกวัดผ่านรังสีเทรา เฮิรตซ์ทรานซิชัน (THz-TR) โดยใช้ไมเคิลสันอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ ซึ่งมีค่าความคลาดเคลื่อนประมาณ 6% เมื่อพิจารณาผลของขนาดตามขวางของลำอนุภาคด้วย ระบบการผลิตรังสี MIR-FEL ได้รับการออกแบบให้สามารถผลิตรังสีได้ในช่วงความยาวคลื่น 9.5 ถึง 12.9 ไมโครเมตร และมีพลังงานต่อพัลส์ 0.3 ถึง 0.4 ไมโครจูล โดยการวัดกำลังของรังสีจะใช้ไพโรอิเล็กทริกดีเทคเตอร์ (pyroelectric detector) ส่วนการวัดลักษณะตามขวางของรังสีจะใช้แท่นเลื่อนแบบสองแกนที่ติดตั้งกับไพโรอิเล็กทริกดีเทคเตอร์ สำหรับความยาวคลื่นของรังสีจะถูกวัดโดยใช้โมโนโครมิเตอร์ (monochromator) ที่พัฒนาขึ้นเองในห้องปฏิบัติการด้วยความละเอียดที่ดีที่สุด 2.5 นาโนเมตร ในส่วนของระบบส่งผ่านรังสี MIR-FEL ได้รับการออกแบบให้สามารถส่งผ่านรังสีในระยะ 25 เมตร โดยใช้การคำนวณเชิงวิเคราะห์และการจำลองด้วยโปรแกรม ZEMAX ซึ่งในการศึกษา นี้ได้ขยายขอบเขตพิจารณาช่วงความยาวคลื่นถึง 20 ไมโครเมตร เพื่อรองรับรังสีที่เกิดจากลำอิเล็ตรอนพลังงานต่ำพบว่าประสิทธิภาพสูงสุดของการส่งผ่านรังสีคือ 54%ที่ความยาวคลื่น 15 ไมโครเมตร โดยอุปกรณ์ต่างๆ ของระบบส่งผ่านรังสี ติดตั้งอยู่ในท่อ uPVC และกล่องอะคริลิกที่เติมด้วยก๊าซไนโตรเจน หรืออากาศแห้ง เพื่อป้ องกันการดูดกลืนรังสีโดยไอน้ำในอากาศ ผลจากงานวิจัยนี จะช่วยเพิ่มความสามารถในการควบคุมและตรวจวัดสมบัติของลำอิเล็กตรอนและรังสี MIR-FEL รวมถึงการส่งผ่าน รังสีจากห้องโถงเครื่องเร่งอนุภาคไปยังห้องทดลอง ซึ่งจะถูกนำไปใช้งานในด้านการปรับแต่งพื้นผิว กระบวนการผลิตโพลิเมอร์ การศึกษาเทคโนโลยีสารกึ่งตัวนำ รวมทั้งวัสดุชีวการแพทย์ และวัสดุเชิง ควอนตัม โดยงานวิจัยในอนาคตจะมุ่งเน้นไปที่การสร้างระบบตามที่ได้ออกแบบไว้และเพิ่มระบบ การให้ข้อมูลป้ อนกลับแบบทันท่วงทีเพื่อปรับแต่งสมบัติลำอนุภาคให้เหมาะสมสำหรับการนำไปผลิต รังสี

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Sakhorn Rimjaem

Role: Advisor

Name: Chitrlada Thongbai

Role: Advisor

Name: Jatuporn Saisut

Role: Advisor

Created: 2025

Modified: 2025-09-23

Issued: 2025-09-23

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Doctor of Philosophy

Level: Doctoral Degree

Descipline: Physics

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	630555928.pdf	3.23 MB

ใช้เวลา

0.035898 วินาที