Blockdit Logo (Mobile)
ตะกอนความคิดและประสบการณ์
•
22 มิ.ย. 2020 เวลา 08:42 • วิทยาศาสตร์ & เทคโนโลยี
ภาชนะใส่ไนโตรเจนเหลวแบบโฮมเมดและแบบสมัยใหม่
การทำวิจัยในมหาวิทยาลัยของเราที่รัสเซียซึ่งเป็นมหาวิทยาลัยทางด้านวิศวกรรมศาสตร์ วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีโดยเฉพาะ ดังนั้นจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่งที่ต้องมีเครื่องมือ อุปกรณ์ ตลอดจนครุภัณฑ์ที่เกี่ยวข้องที่ทันสมัยที่เอื้อต่อการพัฒนา ผลิตงานวิจัยใหม่ๆออกมาอย่างต่อเนื่อง
สำหรับเครื่องมือวิทยาศาสตร์บางอย่างที่ใช้ในงานที่เฉพาะเจาะจงต้องอาศัยเทคโนโลยีที่ได้มาตรฐานจำเป็นต้องนำเข้าจากต่างประเทศเพื่อให้การวิจัยมีความถูกต้องแม่นยำมากที่สุด ยกตัวอย่าง เช่น สเปกโตรมิเตอร์ พัลส์เลเซอร์ห้วงเวลาสั้นในระดับเฟมโตวินาที เป็นต้น
ทางหน่วยวิจัยของภาควิชาฯ จึงจำเป็นต้องตั้งงบประมาณในการสั่งซื้อครุภัณฑ์จำพวกนี้ซึ่งบางทีกินเวลายาวนานหลายเดือน เนื่องจากต้องผ่านขั้นตอนเอกสารนานาประการ (รัสเซียชอบเยอะกับเอกสารยิ่งกว่าเมืองไทยอีก
ค่ะ) บางทีไม่ทันการวิจัยในหัวข้อที่ตั้งใจไว้ สู้มหาวิทยาลัยอื่นที่มีเครื่องมือพร้อมกว่าก็ทดลองแล้วตีพิมพ์ไม่ได้
ดังนั้นในแต่ละหน่วยวิจัยหรือแต่ละภาควิชาฯ จะมีห้องหรือแผนกจัดสร้างอุปกรณ์เฉพาะทางในทุกมหาวิทยาลัย โดยผู้ควบคุมการผลิตหลักก็จะเป็นวิศวกรที่เชี่ยวชาญในด้านการออกแบบและการสร้างเครื่องมือโดยเฉพาะ
ทางผู้ใช้ก็แค่ไปแจ้งวัตถุประสงค์ของงานของเราแก่วิศวกร ทางวิศวกรก็ออกแบบพร้อมทั้งสร้างชิ้นงานนั้นออกมา เป็นต้น
ตัวอย่างงานที่เป็นโฮมเมดของหน่วยวิจัยของภาควิชาฯ ของมหาวิทยาลัยเราก็คือ ตัวถังใส่ไนโตรเจนเหลว (Liquid Nitrogen dewar) ดังรูป
Homemade Liquid Nitrogen dewar ทำมาจากทองเหลือง
จะเห็นได้ว่าสมบุกสมบันดูแล้วเหมือนไม่น่าจะเวริกใช่มั้ยล่ะคะ 555 แต่เจ้า dewar นี่แหละทำให้เราดีเฟนด์
ธีสิสป.เอกมาได้
ทีนี้มาดูส่วนประกอบกันว่ามันทำมาจากอะไร วัสดุภายนอกและภายในของ homemade dewar นี้ dewar นี่บางทีก็เรียกมันว่า cryostat (ไครโอสตัท) เพราะมันใช้ในการควบคุมอุณหภูมิของชิ้นงานที่อยู่ภายใน dewar ให้อยู่ในสภาวะ ไครโอเจนิก (cryogenic) คือ สภาวะที่วัตถุมีอุณหภูมิต่ำมากๆ ส่วนใหญ่แล้วต่ำกว่า -125 องศาเซลเซียส
ภายในของ dewar ทองเหลืองนี้ และตัวถังของdewar ส่วนใหญ่จะมี 2 ชั้นเพื่อกันการรั่วไหลของความร้อน และระหว่างชั้นของตัวถังจะเป็นสุญญากาศ ถามว่า จำเป็นหรือไม่ที่ dewar ต้องทำมาจากทองเหลือง คำตอบคือ ไม่จำ
เป็นค่ะ จะเป็น stainless steel ก็ได้ค่ะ ขอให้เป็นโลหะที่มีสภาพนำความร้อนค่ากลางๆไม่สูงมากนัก และไม่ควรเป็นพลาสติกแต่สามารถเป็น fused silica ได้
stainless steel LN2 dewar และ fused silica dewar ทีแล็บของเราทีเมืองไทย
การควบคุมอุณหภูมิและการแปรเปลี่ยนอุณหภูมิในการทดลอง สำหรับ homemade cryostat ทองเหลืองของเราที่รัสเซียนั้น จะเป็นประเภทไม่สามารถควบคุมอุณหภูมิด้านในตัวถังให้คงที่ได้ตลอดเวลาเนื่องจากว่ามันไม่มีเซนเซอร์วัดอุณหภูมิ (temperature sensor) ที่บริเวณแกนกลาง แต่สำหรับ dewar ในเชิงพาณิชย์จะมีเซนเซอร์วัดอุณหภูมิที่บริเวณแกนกลางของชั้นที่ 2 ของตัว dewar
ตัวเซนเซอร์วัดอุณหภูมิสำคัญอย่างไร เพื่อนๆคงจำได้จากตอนที่แล้วที่เราต้องทำการทดลองโดยปรับแปลี่ยนอุณหภูมิของ dewar ตั้งแต่ 77 K – 300 K เพื่อดูสมบัติทางฟิสิกส์ที่เปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิของวัตถุนาโนบ่อ
ควอนตัมสารกึ่งตัวนำ และเจ้าเซนเซอร์วัดอุณหภูมินี้เอง ทำให้เรารู้ว่าตอนนี้อุณหภูมิของวัตถุเรากี่เคลวินแล้ว เพราะเนื่องจากในตอนแรกที่เราเทไนโตรเจนเหลวลงใน dewar เมื่อเวลาผ่านไปแน่นอนที่สุดว่าวัตถุของเรา
ต้องมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเล็กน้อย แล้วยิ่งถ้าเราฉายแสงเลเซอร์ความเข้มสูงผ่านหน้าต่างของ dewar ไปกระทบกับวัตถุนาโนแล้ว ยิ่งทำให้วัตถุยิ่งมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นอีกนั่นเอง
เซนเซอร์วัดอุณหภูมิมีหลักการทำงานอย่างไร เซนเซอร์วัดอุณหภูมิของ Liquid Nitrogen dewar ที่เรามีที่ห้องวิจัยที่หน่วยวิจัยของเรา (ที่เมืองไทย) เป็นเซนเซอร์ประเภท Pt-100 โดยมีความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิของ
เซนเซอร์กับความต้านทานของเซนเซอร์เป็นไป ดังตาราง
ตารางเทียบอุณหภูมิของเซนเซอร์ Pt-100
แล้วความต้านทานเกี่ยวอะไรด้วย ? ความต้านทานนี้จะได้จากการที่เราจ่ายกระแสผ่านเซนเซอร์ด้วยเครื่องจ่ายกระแสหรือที่เรียกว่า current source
กระแสที่เราจ่ายขณะนั้นๆจะให้ค่าความต่างศักย์ตกคร่อมเซนเซอร์ที่สัมพันธ์กัน หลังจากนั้นนำค่ากระแสที่จ่ายและความต่างศักย์ที่ได้ขณะนั้นไปคำนวณหาค่าความต้านทานตามกฎของโอห์ม (v=I×R, ดังนั้นจะหา R ได้ยังไงเอ่ย ติ๊กต่อกๆ) จากนั้นนำค่าความต้านทานที่ได้ไปเทียบในตารางแล้วจึงจะสามารถทราบว่าขณะนี้อุณหภูมิของวัตถุมีค่าเท่าไรแล้วนั่นเองค่ะ
เครื่อง current source
เราสามารถทราบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของวัตถุภายใน dewar ได้อีกวิธีหนึ่งคือ การใช้เครื่อง temperature control ซึ่งเป็นเครื่องที่สามารถอ่าน
อุณหภูมิได้โดยตรงเลยไม่ต้องใช้การแปลงหาความต้านทานจากการจ่ายกระแสของ current source อีก นับเป็นเทคโนโลยีที่อำนวยความสะดวกให้กับการวิจัยเป็นอย่างมากค่ะ
Temperature control ของเราเองที่ตอนนี้ต่อเข้ากับ cryostat พร้อมกับอ่านอุณหภูมิภายในตัวถังได้ประมาณ 300 K (เพราะว่ายังไม่ได้ใส่ไนโตรเจนเหลวนั่นเอง)
วันนี้ก็เป็นอีกโพสต์เน้นในเรื่องการวิจัยขั้นสูงและเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีใหม่ๆนะคะ ไว้ตอนต่อๆไปเราจะหาเครื่องมือชนิดใหม่ๆมาเล่าให้ฟังอีกค่ะ
โฆษณา