กล้องโทรทรรศน์ที่ติดตั้ง ณ หอดูดาวเฉลิมพระเกียรติ 7 รอบ พระชนมพรรษา หรือ หอดูดาวแห่งชาติตั้งอยู่บริเวณอุทยานแห่งชาติดอยอินทนนท์ จังหวัดเชียงใหม่ เป็นกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางกระจก 2.4 เมตร ใหญ่ที่สุดในภูมิภาคเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ ผิวกระจกเคลือบด้วยฟิล์มบางอลูมิเนียม มีคุณสมบัติในการสะท้อนแสงได้ดี ทำให้สามารถบันทึกภาพวัตถุท้องฟ้าที่อยู่ในระยะไกลมากๆ และมีความสว่างน้อยได้ดี เมื่อใช้งานไประยะหนึ่งฟิล์มบางอลูมิเนียมที่เคลือบอยู่บริเวณผิวกระจกจะค่อยๆ เสื่อมสภาพลง ทำให้ประสิทธิภาพการสะท้อนแสงของกระจกลดลง ส่งผลให้ภาพที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์มีคุณภาพลดลงไปด้วย จึงจำเป็นต้องมีกระบวนการลอกฟิล์มอลูมิเนียมเก่าออกและทำการเคลือบใหม่ (เรียกกระบวนการนี้ว่า Re-Aluminization) อย่างน้อยทุกๆ 2 ปี เพื่อให้คงประสิทธิภาพในการสะท้อนแสงได้ดี

แต่เนื่องจากในประเทศไทยไม่มีเครื่องเคลือบกระจกที่จะสามารถรองรับกระจกขนาดใหญ่ถึง 2.4 เมตร และหากสั่งซื้อจากต่างประเทศจะมีราคาไม่ต่ำกว่า 35 ล้านบาท ทางสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)  และสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)  จึงร่วมกันออกแบบและพัฒนาระบบเคลือบกระจกกล้องโทรทรรศน์สำหรับหอดูดาวแห่งชาติขึ้น เพื่อผลิตเครื่องเคลือบกระจกขนาดใหญ่ที่มีเทคโนโลยีการเคลือบกระจกที่ทันสมัยและคุณภาพดีทัดเทียมกับการนำเข้าจากต่างประเทศและจะเป็นเครื่องเคลือบกระจกที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในภูมิภาคเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ นอกจะใช้เคลือบกระจกกล้องโทรทรรศน์หอดูดาวแห่งชาติแล้ว ยังสามารถนำมาให้บริการเคลือบกระจกสะท้อนแสงของกล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดเล็กกว่า 2.4 เมตร ที่มีอยู่สถาบันการศึกษาและหน่วยงานต่าง ๆ ได้ด้วย

เครื่องเคลือบกระจกนี้สามารถควบคุมความหนาของฟิล์มบางได้ในระดับนาโนเมตรถึงไมโครเมตรโดยมีความเรียบสม่ำเสมอ เพื่อให้มีสมบัติการสะท้อนแสงที่ดีตามหลักทัศนศาสตร์ (ตามทฤษฏี การสะท้อนแสงของฟิล์มบางอลูมิเนียมเท่ากับ 90 เปอร์เซนต์)

กล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสง ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางกระจก 2.4 เมตร

หอดูดาวเฉลิมพระเกียรติ 7 รอบ พระชนมพรรษา ตั้งอยู่บริเวณ กม.ที่ 44.4 อุทยานแห่งชาติดอยอินทนนท์

กระบวนการล้างและเคลือบฟิล์มบนผิวกระจก

ขั้นตอนที่ 1 :  การลอกฟิล์มเก่าและทำความสะอาดผิวกระจก

กระจกจะถูกยกไปวางบนอ่างล้างกระจกเพื่อทำการลอกฟิล์มอลูมิเนียมที่เสื่อมสภาพออกให้หมดด้วยสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์เข้มข้น (NaOH) ซี่งกระบวนการล้างเป็นดังนี้

ตัวอย่าง กระจกที่สภาพของฟิล์มที่เคลือบผิวกระจกเสื่อมสภาพ

ให้ติดเทปกาวที่ขอบกระจกทั้งขอบนอกและใน ก่อนที่จะใช้สารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์เข้มข้น (NaOH) ค่อยๆเทลงบนผิวกระจก ตั้งทิ้งไว้ประมาณ 1 - 2 นาที จะสังเกตเห็นสารละลายทำปฏิกิริยากับฟิล์มอลูมิเนียม จะเห็นฟิล์มถูกลอกออกอย่างช้าๆ รอจนฟิล์มลอกออกจนหมด

หลังจากฟิล์มอลูมิเนียมลอกออกจนหมด แกะเทปกาวที่ติดขอบกระจกออก และล้างสารเคมีออกด้วยน้ำกลั่นจนหมด ให้เป่าน้ำออกจากผิวกระจกด้วยไนโตรเจนบริสุทธิ์ทันที ไม่ควรตั้งทิ้งไว้จนน้ำแห้งเอง เพราะจะเกิดคราบที่ผิวกระจก

รูปแสดง ตัวอย่างกระจกที่ที่ผ่านการลอกฟิล์มอลูมิเนียมและ ล้างน้ำกลั่นแล้ว ก่อนที่จะเป่าให้แห้งด้วยไนโตรเจนบริสุทธิ์

หลังจากกระจกแห้งแล้วให้ทำความสะอาดผิวกระจก โดยใช้สารขัดผิวกระจกหยดลงบนกระจก จากนั้นให้เกลี่ยสารจนทั่วกระจก ตั้งทิ้งไว้ประมาณ 3 - 4 นาที จะสังเกตเห็นน้ำยาที่เกลี่ยไว้แห้งจนเป็นคราบสีขาว ก่อนที่จะเช็ดออกด้วยผ้าสะอาด

รูปแสดง การใช้สารขัดผิวกระจกและสภาพภายหลังการใช้สารขัดผิวกระจก

ภายหลังจากลอกฟิล์มผิวกระจกและทำความสะอาดเป็นที่เรียบร้อยแล้ว จึงยกกระจกวางบนฝาล่างของห้องเคลือบกระจก ก่อนที่จะนำฝาล่างไปประกบกับฝาบนแล้วทำการยกฝาล่างให้ประกบกับฝาบนด้วยระบบไฮดรอลิก

รูปแสดง ตัวอย่างกระจกติดตั้งบนฝาล่างของห้องเคลือบกระจก ก่อนถูกยกด้วยระบบไฮดรอลิกเพื่อประกบกับฝาบน

ขั้นตอนที่ 2 : การเคลือบกระจก

เริ่มจากการดูดอากาศภายในห้องเคลือบกลายเป็นสุญญากาศ โดยอาศัยปั๊มดูดอากาศ 2 ตัวหลักคือ โรตารี่ปั๊ม และ เทอร์โบปั๊ม โดยปั๊มทั้งสองตัวจะช่วยกันการดูดอากาศจนทำให้ห้องเคลือบมีค่าแรงดันต่ำกว่า 1x10e^-5 torr ซึ่งถือเป็นสภาวะที่สามารถเริ่มทำการเคลือบกระจกได้ จากนั้นจึงทำปรับค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าและความถี่ที่เหมาะสมให้กับหัว magnetron รวมทั้งปรับปริมาณอากาศและแก๊สอาร์กอนให้เหมาะสม เพื่อทำให้เกิดสภาวะที่อลูมิเนียมสามารถแตกตัวเป็นอิออน จากนั้นจึงเริ่มทำการเคลือบกระจกได้ โดยค่าพารามิเตอร์ที่สำคัญที่ใช้ในการเคลือบฟิล์มผิวกระจกเป็นดังนี้

• ความต่างศักย์ที่จ่ายให้กับหัว magnetron หน่วยเป็น โวลท์
• กระแสไฟฟ้าจ่ายให้กับหัว magnetron หน่วยเป็น แอมป์
• พลังงานไฟฟ้าจ่ายให้กับหัว magnetron หน่วยเป็น กิโลวัตต์
• ความถี่การจ่ายไฟฟ้าให้กับหัว magnetron หน่วยเป็น กิโลเฮิร์ท
• ความถี่ที่จ่ายให้กับมอเตอร์ที่หมุนกระจก (เพื่อกำหนดความเร็วในการเคลือบ) หน่วยเป็น เฮิร์ท
• ปริมาณแก๊สอาร์กอนที่ป้อนเข้าสู่ห้องเคลือบ หน่วยเป็น sccm

รูปแสดง ระหว่างการเคลือบฟิล์มบนผิวกระจกภายในห้องเคลือบผ่านกล้องวงจรปิด (ซ้าย) และ ลักษณะผิวกระจกที่อยู่ระหว่างการเคลือบมองผ่านช่อง View port (ขวา)

รูปแสดง เปรียบเทียบลักษณะกระจกก่อนการล้างและเคลือบฟิล์มอลูมิเนียม (ซ้าย) และภายหลังการล้างและเคลือบฟิล์มอลูมิเนียม (ขวา)

ขั้นตอนที่ 3 : การวัดประสิทธิภาพการสะท้อนแสง

            ภายหลังจากเคลือบฟิล์มเสร็จและนำออกมาจากห้องเคลือบแล้ว นำกระจกไปวัดประสิทธิภาพการสะท้อนแสง ซึ่งผลของการวัดค่าการสะท้อนแสงของกระจกตัวอย่าง ได้ค่าเฉลี่ย 88% (ตามทฤษฏี การสะท้อนแสงของฟิล์มบางอลูมิเนียมมีค่าประมาณ 90 เปอร์เซนต์)

รูปแสดง การวัดประสิทธิภาพการสะท้อนแสง

ลักษณะของเครื่องเคลือบกระจก

• เป็นเครื่องเคลือบกระจกระบบสูญญากาศที่ใช้เทคนิค Sputtering ซึ่งเป็นเทคโนโลยีในการเคลือบผิววัตถุ โดยสามารถควบคุมความหนาของฟิล์มบางและมีความเรียบสม่ำเสมอ ความหนาของฟิล์มบางสามารถควบคุมได้ในระดับนาโนเมตร ถึง ระดับไมโครเมตร โดยมีค่าความเรียบดีมาก
• สามารถนำไปประยุกต์ในการเคลือบโลหะอื่นๆ ในงานอุตสาหกรรมได้ เช่น การเคลือบทองคำ ทองแดง สำหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ เป็นต้น
• ความเร็วในการเคลือบครบ 1 กระบวนการ ใช้เวลาเพียง 3 ชั่วโมง ถึงแม้ว่าห้องเคลือบจะมีขนาดใหญ่มากก็ตาม

งบประมาณ

- ผลิตขึ้นเองด้วยงบประมาณ 14 ล้านบาท หากนำเข้าราคาจะมีราคาสูงถึง 35 ล้านบาท

       ปัจจุบันเครื่องมือทางด้านวิทยาศาตร์ดาราศาสตร์การแพทย์ และวิศวกรรม ถูกพัฒนาให้มีความ แม่นยำในการทำงานในระดับสูงมาก โดยปัจจัยสำคัญอย่างหนึ่งที่สนับสนุนให้เครื่องมือเหล่านั้นมีความแม่นยำ สูงก็คือ ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีของการออกแบบและขึ้นรูปชิ้นงานที่มีความละเอียดสูงในระดับไมครอน โดยเป็นเทคโนโลยีที่สำคัญในการผลักดันให้ประเทศที่มีความสามารถในการแข่งขันทางด้านวิทยาศาสตร์ วิศวกรรม การสร้างนวัตกรรมใหม่ และการผลิตทางอุตสาหกรรม สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ มีจุดมุ่งหมายที่สำคัญคือการสร้างผลงานวิจัยทางด้านดาราศาสตร์ให้ เป็นที่ยอมรับในระดับโลก ซึ่งในการที่จะบรรลุจุดมุ่งหมายดังกล่าวได้ ต้องอาศัยปัจจัยที่สำคัญ 2 ด้านคือ ความสามารถของนักวิจัยและความสามารถของเครื่องมือและเทคโนโลยีดังนั้นสถาบันฯ จึงให้ความสำคัญ อย่างมากในการออกแบบและสร้างเครื่องมือและอุปกรณ์ทางดาราศาสตร์ด้วยตัวเอง เพื่อที่จะเป็นการยกระดับ งานวิจัยและวิศวกรรม จากการเป็นผู้ซื้อและพึ่งพาเทคโนโลยีจากต่างประเทศ ให้สามารถเป็นผู้ออกแบบและ สร้างอุปกรณ์ทางดาราศาสตร์ระดับสูงเพื่อผลักดันให้งานวิจัยของสถาบันฯ ได้รับการยอมรับในระดับโลก

ดังนั้น สถาบันฯ จึงได้ก่อตั้งห้องปฏิบัติการออกแบบและขึ้นรูปชิ้นงานความละเอียดสูง เพื่อใช้เป็นแหล่งสร้างนวัตกรรมใหม่ๆ ที่นำมาประดิษฐ์อุปกรณ์ทางดาราศาสตร์ที่มีความซับซ้อนและมีความแม่นยำสูง เพื่อสนับสนุนงานวิจัยให้ได้รับการยอมในระดับโลก และห้องปฏิบัติการดังกล่าวยังมีความสามารถสนับสนุนภาคอุตสาหกรรมของประเทศ ในการออกแบบและผลิต ชิ้นส่วนของผลิตภัณฑ์ รวมถึงการถ่ายทอดเทคโนโลยีที่ทันสมัยไปสู่ภาคอุตสาหกรรมและการศึกษาเพื่อยกระดับให้ประเทศไทยเป็นประเทศผู้ออกแบบผลิตสินค้าทางด้านเทคโนโลยีออกสู่ตลาดโลก

ขีดความสามารถห้องปฏิบัติการดังกล่าวมีดังนี้

• สามารถขึ้นรูปชิ้นงานโดยมีความคลาดเคลื่อนไม่เกิน 35 ไมครอน (ในอีก 2 ปีข้างหน้า จะสามาถลดความคลาดเคลื่อนไม่เกิน 30 ไมครอน)
• สามารถออกแบบและวิเคราะห์ความแข็งแรงทางวิศวกรรมของชิ้นงาน (Part or Assembly) เพื่อช่วยในการประเมินคุณภาพของชิ้นงาน ช่วยปรับปรุงคุณภาพชิ้นงาน ก่อนการผลิตจริง
• มีเครื่อง CMM (Coordinate Measuring Machine) สำหรับใช้วัดชิ้นงานและตรวจสอบคุณภาพของชิ้นงาน
• มีระบบการจัดการเอกสารของชิ้นงาน เช่น part number, drawing number เป็นต้น
• สามารถทำการ finishing ชิ้นงานได้หลายเทคนิค เช่น aluminum anodizing, power coating เป็นต้น
  
  

เครื่องกลึงและเครื่องมิลลิ่ง CNC ความละเอียดสูง

ออกแบบและวิเคราะห์ความแข็งแรงทางวิศวกรรมของชิ้นงาน (Part or Assembly) เพื่อช่วยในการ ประเมินคุณภาพของชิ้นงาน ช่วยปรับปรุงคุณภาพชิ้นงาน ก่อนการผลิตจริง

เครื่องวัด CMM (Coordinate Measuring Machine) สำหรับใช้วัดชิ้นงาน และตรวจสอบคุณภาพของชิ้นงาน ความละเอียดในการวัด 0.5 ไมครอน

Laser marking ใช้สำหรับพิมพ์ serial tracking number บนชิ้นงาน โลหะทุกชนิดเป็นระบบการจัดการเอกสารของชิ้นงาน

เครื่องเชื่อมอลูมิเนียมสำหรับงานเชื่อมคุณภาพสูง

          ปัจจุบันกล้องโทรทรรศน์แห่งชาติขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางขนาด 2.4 เมตร ของประเทศไทย ที่ให้บริการแก่นักวิจัยทั้งในและต่างประเทศแต่ละปีไม่น้อยกว่า 215 คืน มีอายุการใช้งานมาแล้วเกือบ 4 ปี ซึ่งส่งผลให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของระบบควบคุมกล้องโทรทรรศน์บางอย่างหมดอายุจนไม่สามารถทำงานอย่างปกติได้ เช่น บอร์ดควบคุมมอเตอร์ บอร์ดควบคุมการสื่อสารแบบ CAN bus เป็นต้น ซึ่งทางสถาบันฯ ได้แก้ไขปัญหาดังกล่าวโดยการจัดซื้อชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่หมดอายุดังกล่าวเพื่อนำไปทดแทนของเดิมที่เสีย เพื่อให้กล้องโทรทรรศน์สามารถใช้งานได้เป็นปกติ

          แต่เนื่องจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของระบบควบคุมกล้องโทรทรรศน์ เป็นอุปกรณ์ที่ค่อนข้างเฉพาะและมีความซับซ้อน บางอุปกรณ์หาซื้อได้ยากในปัจจุบันเนื่องจากยกเลิกการผลิตไปแล้ว บางอุปกรณ์ถูกผลิตโดยบริษัทผู้ผลิตซึ่งได้เลิกกิจการไปแล้วตั้งแต่ปี พ.ศ.2556 ซึ่งสองสาเหตุที่กล่าวมาเป็นปัญหาและความเสี่ยงที่ส่งผลกระทบโดยตรงต่ออายุการใช้งานกล้องโทรทรรศน์

          ดังนั้นการยกระดับระบบควบคุมกล้องโทรทรรศน์แห่งชาติ จึงเป็นโครงการเร่งด่วนและสำคัญของสถาบันฯ ในการยืดอายุการใช้งานกล้องโทรทรรศน์ให้ใช้งานได้มากกว่า 30 ปี เหมือนกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ทั่วโลก และยังทำให้กล้องโทรทรรศน์มีความทันสมัยยิ่งขึ้นทั้งในด้านฮาร์ดแวร์และซอฟท์แวร์ ซึ่งปัจจุบันกล้องโทรทรรศน์แห่งชาติ ยังคงทำงานระบบปฏิบัติการ Windows XP ที่ปัจจุบันได้ถูกยกเลิกการสนับสนุนจากบริษัท Microsoft แล้ว นอกจากนั้นยังทำให้วิศวกรและช่างเทคนิคของสถาบันฯ ได้ศึกษาเรียนรู้การออกแบบและผลิตระบบควบคุมกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างมากต่อสถาบันฯ และประเทศไทย

          ในโครงการนี้ นอกจากสถาบันฯ ยังได้มีความร่วมมือกับประเทศอังกฤษภายใต้การสนับสนุนจากกองทุน Newton และสถาบันไทย-เยอรมัน มาร่วมกันศึกษา ออกแบบ และพัฒนาระบบฮาร์ดแวร์และซอฟท์แวร์ของกล้องโทรทรรศน์ เพื่อทำให้โครงการประสบผลสำเร็จ

แผนโครงการ

กล้องโทรทรรศน์	โดม

แสดงส่วนประกอบของระบบควบคุมกล้องโทรทรรศน์และโดม ที่ต้องมีการออกแบบและพัฒนาระบบใหม่ตามโครงการ

	แผนภาพแสดงการโมดูลฮาร์ดแวร์ต่างๆของกล้องโทรทรรศน์ในปัจจุบัน
	แผนภาพแสดงการโมดูลฮาร์ดแวร์ต่างๆ ที่ได้จากการออกแบบเพื่อปรับปรุงระบบควบคุมกล้องโทรทรรศน์

แผนภาพแสดงโมดูลซอฟท์แวร์ต่างๆ ที่ได้จากการออกแบบเพื่อปรับปรุงระบบควบคุมกล้องโทรทรรศน์

Thai Robotic Telescope Network

(เครือข่ายกล้องโทรทรรศน์แบบโรโบติกของประเทศไทย)

Thai Robotic Telescope Network คือระบบเครือข่ายของกล้องโทรทรรศน์แบบโรโบติกของประเทศ ที่สถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติได้ออกแบบ พัฒนา และทำการติดตั้งในพื้นที่ต่างๆ ทั่วโลก เพื่อให้บริการแก่นักเรียน นักศึกษา นักวิจัย รวมทั้งประชาชนที่มีความรักในดาราศาสตร์ ได้มีโอกาสได้ใช้กล้องโทรทรรศน์จากโรงเรียน มหาวิทยาลัย หรือแม้กระทั่งที่บ้านของตนเอง สำหรับการศึกษา การวิจัย หรือแม้กระทั่งการใช้สำหรับสร้างแรงบัลดาลใจให้เยาชนรักในวิชาวิทยาศาสตร์

ในการออกแบบและพัฒนา Thai Robotic Telescope Network ต้องใช้ความเชี่ยวชาญในเทคโนโลยีทางด้าน วิศวกรรมแมคคาทรอนิกส์และหุ่นยนต์ วิทยาการคอมพิวเตอร์ ดาราศาตร์์ ทัศนศาสตร์ มาประยุกต์ใช้งานร่วมกันอย่างลงตัว โดยมีรายละเอียดของระบบดังต่อไปนี้

ถึงแม้ระบบ Thai Robotic Telescope Network จะไม่ได้เป็นระบบที่ถูกพัฒนาขึ้นมาเป็นระบบแรกของโลก แต่ก็ถือเป็นระบบที่สร้างก้าวย่างอันสำคัญที่จะเป็นการบูรณาการเอาเทคโนโลยีแขนงต่าง ๆ เข้าด้วยกัน และ ยังจะช่วยเป็นการจุดประกายความรักในการคิดค้นเทคโนโลยีให้กับคนไทยรุ่นใหม่ให้หันมาสนใจในการเป็นนักประดิษฐ์ มากกว่าเป็นเพียงผู้ใช้งานที่คอยตามเทคโนโลยีและตกเป็นทาสของเทคโนโลยีนั้นอยู่แต่ฝ่ายเพียงเดียว

          กล้องโทรทรรศน์ที่ติดตั้ง ณ หอดูดาวเฉลิมพระเกียรติ 7 รอบ พระชนมพรรษา หรือ หอดูดาวแห่งชาติตั้งอยู่บริเวณอุทยานแห่งชาติดอยอินทนนท์ จังหวัดเชียงใหม่ เป็นกล้องโทรทรรศน์แบบสะท้อนแสง ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางกระจก 2.4 เมตร ใหญ่ที่สุดในภูมิภาคเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ ผิวกระจกเคลือบด้วยฟิล์มบางอลูมิเนียม มีคุณสมบัติในการสะท้อนแสงได้ดี ทำให้สามารถบันทึกภาพวัตถุท้องฟ้าที่อยู่ในระยะไกลมากๆ และมีความสว่างน้อยได้ดี เมื่อใช้งานไประยะหนึ่งฟิล์มบางอลูมิเนียมที่เคลือบอยู่บริเวณผิวกระจกจะค่อยๆ เสื่อมสภาพลง ทำให้ประสิทธิภาพการสะท้อนแสงของกระจกลดลง ส่งผลให้ภาพที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์มีคุณภาพลดลงไปด้วย จึงจำเป็นต้องมีกระบวนการลอกฟิล์มอลูมิเนียมเก่าออกและทำการเคลือบใหม่ (เรียกกระบวนการนี้ว่า Re-Aluminization) อย่างน้อยทุกๆ 2 ปี เพื่อให้คงประสิทธิภาพในการสะท้อนแสงได้ดี

          แต่เนื่องจากในประเทศไทยไม่มีเครื่องเคลือบกระจกที่จะสามารถรองรับกระจกขนาดใหญ่ถึง 2.4 เมตร และหากสั่งซื้อจากต่างประเทศจะมีราคาไม่ต่ำกว่า 35 ล้านบาท ทางสถาบันวิจัยดาราศาสตร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)  และสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน)  จึงร่วมกันออกแบบและพัฒนาระบบเคลือบกระจกกล้องโทรทรรศน์สำหรับหอดูดาวแห่งชาติขึ้น เพื่อผลิตเครื่องเคลือบกระจกขนาดใหญ่ที่มีเทคโนโลยีการเคลือบกระจกที่ทันสมัยและคุณภาพดีทัดเทียมกับการนำเข้าจากต่างประเทศและจะเป็นเครื่องเคลือบกระจกที่มีขนาดใหญ่ที่สุดในภูมิภาคเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ นอกจะใช้เคลือบกระจกกล้องโทรทรรศน์หอดูดาวแห่งชาติแล้ว ยังสามารถนำมาให้บริการเคลือบกระจกสะท้อนแสงของกล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดเล็กกว่า 2.4 เมตร ที่มีอยู่สถาบันการศึกษาและหน่วยงานต่าง ๆ ได้ด้วย

          เครื่องเคลือบกระจกนี้สามารถควบคุมความหนาของฟิล์มบางได้ในระดับนาโนเมตรถึงไมโครเมตรโดยมีความเรียบสม่ำเสมอ เพื่อให้มีสมบัติการสะท้อนแสงที่ดีตามหลักทัศนศาสตร์ (ตามทฤษฏี การสะท้อนแสงของฟิล์มบางอลูมิเนียมเท่ากับ 90 เปอร์เซนต์) 

กล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสง ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางกระจก 2.4 เมตร

หอดูดาวเฉลิมพระเกียรติ 7 รอบ พระชนมพรรษา ตั้งอยู่บริเวณ กม.ที่ 44.4 อุทยานแห่งชาติดอยอินทนนท์

กระบวนการล้างและเคลือบฟิล์มบนผิวกระจก

ขั้นตอนที่ 1 :  การลอกฟิล์มเก่าและทำความสะอาดผิวกระจก

กระจกจะถูกยกไปวางบนอ่างล้างกระจกเพื่อทำการลอกฟิล์มอลูมิเนียมที่เสื่อมสภาพออกให้หมดด้วยสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์เข้มข้น (NaOH) ซี่งกระบวนการล้างเป็นดังนี้

ตัวอย่างกระจกที่สภาพของฟิล์มที่เคลือบผิวกระจกเสื่อมสภาพ

ให้ติดเทปกาวที่ขอบกระจกทั้งขอบนอกและใน ก่อนที่จะใช้สารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์เข้มข้น (NaOH) ค่อยๆเทลงบนผิวกระจก ตั้งทิ้งไว้ประมาณ 1 - 2 นาที จะสังเกตเห็นสารละลายทำปฏิกิริยากับฟิล์มอลูมิเนียม จะเห็นฟิล์มถูกลอกออกอย่างช้าๆ รอจนฟิล์มลอกออกจนหมด

หลังจากฟิล์มอลูมิเนียมลอกออกจนหมด แกะเทปกาวที่ติดขอบกระจกออก และล้างสารเคมีออกด้วยน้ำกลั่นจนหมด ให้เป่าน้ำออกจากผิวกระจกด้วยไนโตรเจนบริสุทธิ์ทันที ไม่ควรตั้งทิ้งไว้จนน้ำแห้งเอง เพราะจะเกิดคราบที่ผิวกระจก

รูปแสดง ตัวอย่างกระจกที่ที่ผ่านการลอกฟิล์มอลูมิเนียมและล้างน้ำกลั่นแล้ว ก่อนที่จะเป่าให้แห้งด้วยไนโตรเจนบริสุทธิ์

หลังจากกระจกแห้งแล้วให้ทำความสะอาดผิวกระจก โดยใช้สารขัดผิวกระจกหยดลงบนกระจก จากนั้นให้เกลี่ยสารจนทั่วกระจก ตั้งทิ้งไว้ประมาณ 3 - 4 นาที จะสังเกตเห็นน้ำยาที่เกลี่ยไว้แห้งจนเป็นคราบสีขาว ก่อนที่จะเช็ดออกด้วยผ้าสะอาด

รูปแสดง การใช้สารขัดผิวกระจกและสภาพภายหลังการใช้สารขัดผิวกระจก

ภายหลังจากลอกฟิล์มผิวกระจกและทำความสะอาดเป็นที่เรียบร้อยแล้ว จึงยกกระจกวางบนฝาล่างของห้องเคลือบกระจก ก่อนที่จะนำฝาล่างไปประกบกับฝาบนแล้วทำการยกฝาล่างให้ประกบกับฝาบนด้วยระบบไฮดรอลิก

รูปแสดง ตัวอย่างกระจกติดตั้งบนฝาล่างของห้องเคลือบกระจก ก่อนถูกยกด้วยระบบไฮดรอลิกเพื่อประกบกับฝาบน

ขั้นตอนที่ 2 : การเคลือบกระจก

เริ่มจากการดูดอากาศภายในห้องเคลือบกลายเป็นสุญญากาศ โดยอาศัยปั๊มดูดอากาศ 2 ตัวหลักคือ โรตารี่ปั๊ม และ เทอร์โบปั๊ม โดยปั๊มทั้งสองตัวจะช่วยกันการดูดอากาศจนทำให้ห้องเคลือบมีค่าแรงดันต่ำกว่า 1x10e^-5 torr ซึ่งถือเป็นสภาวะที่สามารถเริ่มทำการเคลือบกระจกได้ จากนั้นจึงทำปรับค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าและความถี่ที่เหมาะสมให้กับหัว magnetron รวมทั้งปรับปริมาณอากาศและแก๊สอาร์กอนให้เหมาะสม เพื่อทำให้เกิดสภาวะที่อลูมิเนียมสามารถแตกตัวเป็นอิออน จากนั้นจึงเริ่มทำการเคลือบกระจกได้ โดยค่าพารามิเตอร์ที่สำคัญที่ใช้ในการเคลือบฟิล์มผิวกระจกเป็นดังนี้

1. ความต่างศักย์ที่จ่ายให้กับหัว magnetron หน่วยเป็น โวลท์
2. กระแสไฟฟ้าจ่ายให้กับหัว magnetron หน่วยเป็น แอมป์
3. พลังงานไฟฟ้าจ่ายให้กับหัว magnetron หน่วยเป็น กิโลวัตต์
4. ความถี่การจ่ายไฟฟ้าให้กับหัว magnetron หน่วยเป็น กิโลเฮิร์ท
5. ความถี่ที่จ่ายให้กับมอเตอร์ที่หมุนกระจก (เพื่อกำหนดความเร็วในการเคลือบ) หน่วยเป็น เฮิร์ท
6. ปริมาณแก๊สอาร์กอนที่ป้อนเข้าสู่ห้องเคลือบ หน่วยเป็น sccm

รูปแสดง ระหว่างการเคลือบฟิล์มบนผิวกระจกภายในห้องเคลือบผ่านกล้องวงจรปิด (ซ้าย) และ ลักษณะผิวกระจกที่อยู่ระหว่างการเคลือบมองผ่านช่อง View port (ขวา)

รูปแสดง เปรียบเทียบลักษณะกระจกก่อนการล้างและเคลือบฟิล์มอลูมิเนียม (ซ้าย) และภายหลังการล้างและเคลือบฟิล์มอลูมิเนียม (ขวา)

ขั้นตอนที่ 3 : การวัดประสิทธิภาพการสะท้อนแสง

  ภายหลังจากเคลือบฟิล์มเสร็จและนำออกมาจากห้องเคลือบแล้ว นำกระจกไปวัดประสิทธิภาพการสะท้อนแสง ซึ่งผลของการวัดค่าการสะท้อนแสงของกระจกตัวอย่าง ได้ค่าเฉลี่ย 88% (ตามทฤษฏี การสะท้อนแสงของฟิล์มบางอลูมิเนียมมีค่าประมาณ 90 เปอร์เซนต์) 

รูปแสดง การวัดประสิทธิภาพการสะท้อนแสง

ลักษณะของเครื่องเคลือบกระจก

• เป็นเครื่องเคลือบกระจกระบบสูญญากาศที่ใช้เทคนิค Sputtering ซึ่งเป็นเทคโนโลยีในการเคลือบผิววัตถุ โดยสามารถควบคุมความหนาของฟิล์มบางและมีความเรียบสม่ำเสมอ ความหนาของฟิล์มบางสามารถควบคุมได้ในระดับนาโนเมตร ถึง ระดับไมโครเมตร โดยมีค่าความเรียบดีมาก
• สามารถนำไปประยุกต์ในการเคลือบโลหะอื่นๆ ในงานอุตสาหกรรมได้ เช่น การเคลือบทองคำ ทองแดง สำหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ เป็นต้น
• ความเร็วในการเคลือบครบ 1 กระบวนการ ใช้เวลาเพียง 3 ชั่วโมง ถึงแม้ว่าห้องเคลือบจะมีขนาดใหญ่มากก็ตาม

งบประมาณ

- ผลิตขึ้นเองด้วยงบประมาณ 14 ล้านบาท หากนำเข้าราคาจะมีราคาสูงถึง 35 ล้านบาท

1. อะแดปทีฟออปติกส์และโคโรนากราฟ (Adaptive Optics and Coronagraph)

        สถาบันวิจัยดาราศาสตร์อยู่ในระหว่างการพัฒนาโคโรนากราฟในรูปแบบใหม่ที่เรียกว่า Evanescent Wave Coronagraph สำหรับการสังเกตการณ์ดาวฤกษ์ในช่วงอินฟราเรดใกล้และช่วงแสงที่ตามองเห็น ใช้สำหรับการสังเกตการณ์ทั้งบนพื้นโลกและในอวกาศ อุปกรณ์นี้มีศักยภาพมากพอสำหรับการศึกษา การค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ ดาวฤกษ์ที่อยู่ติดกัน รวมไปถึงการสังเกตการณ์ของควาซาร์และใจกลางของกาแล็กซี

        โคโรนากราฟนี้ ประกอบด้วยตัวบดบังรูปแบบใหม่สำหรับบดบังแสงของดาวฤกษ์ และระบบทัศนอุปกรณ์อะแดปทีฟออปติกส์สำหรับการแก้ไขผลกระทบจากการแปรปรวนของชั้นบรรยากาศโลก เพื่อให้ได้ภาพที่คมชัด ถูกจำกัดจากการเลี้ยวเบนของแสงเท่านั้น (Diffraction Limit) และข้อดีของระบบนี้คือ จะเกิดความคลาดสีเพียงบางส่วน และการรับแสงของดาวฤกษ์จะใช้อุปกรณ์วัดหน้าคลื่น (Wavefront) เพื่อปรับแก้หน้าคลื่นด้วยกระจกสะท้อนที่เปลี่ยนรูปร่างได้ที่ความถี่สูง

        ปัจจุบันห้องปฏิบัติการทัศนศาสตร์ประสบความสำเร็จในการแยกแสง ที่มีความแตกต่างระหว่างความสว่างของดาวฤกษ์กับวัตถุที่ต้องการสังเกตการณ์อยู่ที่ประมาณ 10-6  เท่า (หนึ่งในล้านเท่า) ในช่วงระยะ 10-20 รัศมีแอรี (Airy radius) สำหรับแสงความยาวคลื่นเดียว ในช่วงอินฟราเรด ที่ไม่โพลาไรซ์ ขั้นต่อไปจะเป็นการติดตั้งอุปกรณ์อะแดปทีฟออปติกส์กับโคโรนากราฟ และทดลองในห้องปฏิบัติการเพื่อวัดประสิทธิภาพในการใช้ศึกษาสิ่งแวดล้อมของดวงดาว คาดการณ์ว่าจะสามารถใช้งานร่วมกับกล้องโทรทรรศน์ของหอดูดาวแห่งชาติได้ภายในระยะเวลา 5 ปีข้างหน้า หลังจากนั้นจะมีการพัฒนาและติดตั้งระบบโคโรนากราฟในรุ่นต่อไปสำหรับกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ (ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 6-8 เมตร) ร่วมกับองค์กรในต่างประเทศ

        การพัฒนาทัศนอุปกรณ์อะแดปทีฟออปติกส์และโคโรนากราฟนั้นเกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีเฉพาะทางบางอย่าง อาทิ กระจกที่สามารถเปลี่ยนการโค้งงอได้ ตัวรับหน้าคลื่น และเครื่องคำนวณแบบเรียลไทม์ นอกจากนี้เทคโนโลยีเหล่านี้ยังสามารถใช้ประยุกต์ในด้านเทคโนโลยีเลเซอร์ เทคโนโลยีทางทหาร วิทยาศาสตร์เกี่ยวกับการมองเห็น และการแยกภาพของกล้องจุลทรรศน์ได้อีกด้วย

รูปภาพที่ 2 : แผนภาพทางเดินแสงสำหรับ Evanescent Wave Coronagraph

รูปภาพที่ 3 : รูปภาพของดาวฤกษ์เมื่อไม่ได้ติดตั้งโคโรนากราฟ (ภาพด้านซ้าย) และหลังจากติดตั้งโคโรนากราฟ (ภาพด้านซ้าย) แสงจากดาวฤกษ์มีความเข้มมากจนตัวรับภาพอิ่มตัวและไม่สามารถตรวจจับวัตถุอื่นที่อยู่ใกล้เคียงได้ (ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะกลุ่มฝุ่นผง และอื่นๆ) หลังจากติดตั้งโคโรนากราฟทำให้ส่วนกลางของดาวฤกษ์และส่วนรัศมีมีความสว่างลดลง เราจึงสามารถสังเกตการณ์วัตถุอื่นๆที่อยู่ใกล้เคียงดาวฤกษ์ได้

3. การพัฒนาอุปกรณ์ลดระยะโฟกัส (Focal Reducer)

        โครงการนี้เป็นการพัฒนาอุปกรณ์ลดระยะโฟกัสสำหรับกล้องโทรทรรศน์ที่หอดูดาวแห่งชาติ เพื่อให้ได้มุมมองภาพอย่างเต็มประสิทธิภาพโดยใช้งานร่วมกับกล้องถ่ายภาพซีซีดีแบบ 4K อุปกรณ์นี้จะสามารถใช้ถ่ายภาพด้วยลำแสงที่ไม่ถูกบดบังที่มุมมองภาพ 15 ลิปดา (จากเดิมใช้ได้เพียง 7 ลิปดา) เมื่อใช้ร่วมกับกล้อง 4K ที่มีขนาด image scale 0.42 ฟิลิปดาต่อพิกเซล ทำให้มีกำลังการแยกภาพละเอียดอยู่ที่ 1.2 ฟิลิปดา ในช่วงความยาวคลื่น 400-800 นาโนเมตร ระบบนี้ประกอบด้วย ชุดเลนส์คู่ที่ติดตั้งบนรางไฟฟ้า อยู่บริเวณส่วนกลางของกล้องโทรทรรศน์ และชุดเลนส์สามชิ้นติดตั้งบริเวณส่วนหน้าของกล้อง 4K ห้องปฏิบัติการทัศนศาสตร์ได้ออกแบบระบบแสง ออกแบบโครงสร้าง รวมถึงการผลิตอุปกรณ์โครงสร้าง ผลิตชิ้นส่วนโครงสร้างของอุปกรณ์ลดระยะโฟกัส ขณะนี้อยู่ในขั้นตอนการทดลองเพื่อทดสอบประสิทธิภาพของอุปกรณ์ และวางแผนการติดตั้งอุปกรณ์เข้ากับกล้องโทรทรรศน์ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.4 เมตร ของหอดูดาวแห่งชาติ และจะทำการทดสอบภายในปี 2560-2561 คาดว่าจะสามารถใช้งานจริงได้ภายในปี 2561-2562

รูปภาพที่ 6 : อุปกรณ์ลดระยะโฟกัส อันประกอบไปด้วย ชุดเลนส์คู่ L1 บริเวณช่องของกล้องดูดาแห่งชาติ และชุดเลนส์สามชิ้น L2 ยึดติดกับกล่องบริเวณด้านหน้าของกล้อง 4K และวงล้อฟิลเตอร์

รูปภาพที่ 7 : ภาพของรางไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์ลดระยะโฟกัสที่ถูกติดตั้งบริเวณกึ่งกลางของกล้องดูดาวแห่งชาติ

รูปภาพที่ 8 : รางไฟฟ้าที่ผลิตจากโรงงานของสถาบันวิจัย

4. การออกแบบและการพัฒนากล้องโทรทรรศน์ขนาดกลาง

        สดร. อยู่ระหว่างการพัฒนากล้องโทรทรรศน์ขนาดกลาง (ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.5-1 เมตร) เพื่อใช้สำหรับการสังเกตการณ์ชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะ ในการประยุกต์ใช้ในทางวิทยาศาสต์ เราต้องการกล้องโทรทรรศน์ที่มีกำลังการแยกภาพเชิงมุมสูง ที่ความยาวคลื่นช่วงปานกลางและต่ำ นักศึกษาในระดับปริญญาตรีและปริญญาโทจากมหาวิทยาลัยเชียงใหม่ร่วมออกแบบกล้องโทรทรรศน์ การออกแบบทางทัศนศาสตร์ เน้นการออกแบบระบบที่มีการบดบังบริเวณกึ่งกลาง (Central Obscuration) ที่เล็กมาก (น้อยกว่า 20%) และออกแบบร่วมกับอุปกรณ์อะแดปทีฟออปติกส์ เพื่อที่จะมั่นใจได้ว่าภาพที่ได้จะไม่มีความคลาดทางทัศนศาสตร์ขณะทำการสังเกตการณ์

        ขั้นตอนการออกแบบ ได้ใช้โปรแกรม ZEMAX ซึ่งมีการจำลองการทดสอบประสิทธิภาพของระบบทัศนศาสตร์ต่อการเปลี่ยนแปลงของตัวแปรต่างๆ โดยคำนึงถึงขั้นตอนการประกอบ การจัดวางชิ้นส่วนต่างๆ ของอุปกรณ์ และความเสถียรของโครงสร้างกล้องโทรทรรศน์ระหว่างการใช้งานซึ่งอาจมีผลต่อความคมชัดของภาพ ขั้นต่อไปเป็นการจัดซื้อชิ้นส่วนต่างๆ สำหรับการประกอบขึ้นเป็นกล้องโทรทรรศน์ และคาดการณ์ว่าจะสามารถใช้งานได้ในปี 2563

        วิธีการ ขั้นตอน และความรู้ที่ได้รับจากการทำงานนี้สามารถนำมาใช้ในการออกแบบกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ติดตั้งบนดาวเทียม หรือประยุกต์ใช้กับอุปกรณ์อื่นๆ สำหรับสังเกตการณ์บนพื้นโลกได้ จากงานวิจัยนี้ ยังต้องคำนึงถึงความปลอดภัย การสังเกตการณ์ระยะไกล รวมทั้งคลื่นในบรรยากาศจากการสำรวจแบบ LIDAR อีกด้วย

รูปภาพที่ 9 : การออกแบบกล้องโทรทรรศน์เพื่อใช้สังเกตการณ์ดาวเคราะห์	รูปภาพที่ 10 : ระบบกระจกที่สามารถปรับเปลี่ยนรูปร่างได้ ถูกติดตั้งไว้ ณ ตำแหน่งระนาบโฟกัสของกล้องโทรทรรศน์เพื่อให้ได้ภาพที่มีคุณภาพสูงสุด

        ในปี 2560 สดร. ได้รับงบประมาณในโครงการพัฒนาเครือข่ายดาราศาสตร์วิทยุและยีออกเดซี่ จึงได้เดินหน้าขยายการศึกษาและพัฒนาโครงสร้างพื้นฐานทั้งงานวิจัย เทคโนโลยีและวิศวกรรมด้านดาราศาสตร์วิทยุ จัดตั้งเป็นศูนย์ปฏิบัติการดาราศาสตร์วิทยุ ปฏิบัติหน้าที่พัฒนาเทคโนโลยี เครื่องมือและอุปกรณ์ต่างๆ เพื่อรองรับการปฏิบัติงานของกล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติ

        กล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติ จะเป็นโครงสร้างพื้นฐานทางดาราศาสตร์หลักที่สำคัญของประเทศ นอกจากกล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.4 เมตร ที่หอดูดาวแห่งชาติ เพื่อขยายขีดความสามารถเชิงสังเกตการณ์ด้านคลื่นวิทยุ ส่งเสริมการใช้ดาราศาสตร์เพื่อพัฒนาความรู้พื้นฐานซึ่งประกอบด้วยวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี วิศวกรรม และคณิตศาสตร์ (STEM)  รวมถึงวิจัยด้านยีออเดซี่และวิทยาศาสตร์บรรยากาศ กล้องโทรทรรศน์วิทยุ จะเป็นเครื่องมือทางดาราศาสตร์ที่สำคัญสำหรับสังเกตการณ์คลื่นวิทยุ ซึ่งมีแหล่งกำเนิดจากเทหวัตถุนอกโลก สัญญาณต่าง ๆ บนชั้นบรรยากาศ หรือ ดาวเทียม เพื่อหาตำแหน่งบนพื้นผิวโลก

        กล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติ ใช้ต้นแบบและพัฒนามาจากกล้องโทรทรรศน์วิทยุเยเบส เป็นกล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดใหญ่ที่สามารถขับเคลื่อนในแนวราบและแนวตั้ง (steerable) เป็นที่นิยมอย่างมากในงานดาราศาสตร์วิทยุและยีออเดซี่ ซึ่งใช้ช่วงความยาวคลื่นไมโครเวฟและมิลลิเมตร สามารถเชื่อมต่อสัญญาณกับเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์วิทยุอื่น ๆ ทั่วโลก ทำงานร่วมกันเป็นเครือข่ายการแทรกสอดระยะไกล (very long baseline interferometry) และปรับปรุงคุณภาพสัญญาณที่ได้รับให้ดียิ่งขึ้น เทคนิคดังกล่าวต้องอาศัยการก่อสร้างจานพาราโบลาที่มีขนาดใหญ่เพื่อรับสัญญาณ รวมถึงระบบขับเคลื่อนที่มีความแม่นยำสูง มีพื้นผิวที่เรียบมาก ตอบสนองต่อสัญญาณได้ดี และการใช้ระบบอิเลคทรอนิกส์ที่มีความซับซ้อนสูงมาก

        การก่อสร้างกล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติ จึงเกี่ยวเนื่องกับศาสตร์หลายแขนง อาทิ วิศวกรรมโยธา ทัศนศาสตร์ วิศวกรรมไฟฟ้า วิศวกรรมเครื่องกล งานด้านคลื่นวิทยุและซอฟต์แวร์ เป็นต้น เพื่อนำเทคโนโลยีดังกล่าวมาใช้ในการออกแบบ พัฒนาและตอบสนองการวิจัยทางดาราศาสตร์ ให้สามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด

กล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 40 เมตร ณ หอดูดาวเยเบส ประเทศสเปน ซึ่งเป็นหอดูดาวต้นแบบ ของกล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติ

1. การออกแบบเพื่อตอบสนองการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์วิทยุ

        กล้องโทรรรศน์วิทยุที่ใช้รับสัญญาณจากแหล่งกำเนิดเทหวัตถุนอกโลก ซึ่งมีพลังงานน้อยมาก (น้อยกว่าสัญญาณโทรศัพท์ ประมาณล้านล้านเท่า) ต้องใช้เทคโนโลยีขั้นสูงในการออกแบบและผลิตส่วนประกอบต่าง ๆ  ดังนี้

• จานรับสัญญาณสำหรับสังเกตการณ์ความยาวคลื่นวิทยุในหน่วยมิลลิเมตร ต้องมีความราบเรียบของผิวการสะท้อนสูง ประมาณหนึ่งล้านเท่าของขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพในการรับสัญญาณไม่น้อยกว่า 50% ของสัญญาณที่ส่งมา

• ระบบทางกลสำหรับขับเคลื่อนกล้องโทรทรรศน์วิทยุที่มีน้ำหนักกว่า 500 ตัน ต้องแม่นยำในระดับ 0.0003 องศา

• ต้องการบุคลากรที่มีทักษะและประสบการณ์ทางด้านแม่เหล็กไฟฟ้า (ทัศนศาสตร์และความถี่วิทยุ) ความเย็นยวดยิ่ง (cryogenics) ในระดับลบ 260 องศาเซลเซียส เพื่อออกแบบตัวรับสัญญาณที่มีประสิทธิภาพสูง

• การเขียนโปรแกรมคำสั่งที่มีความซับซ้อน เพื่อสื่อสารกับระบบควบคุมการทำงานของกล้องโทรทรรศน์วิทยุ ระบบการประมวลผลในความถี่ต่ำ (Backend) ฯลฯ

• ระบบเวลาและความถี่อ้างอิงที่มีความแม่นยำสูงเพื่อให้ทุกระบบทำงานได้อย่างพร้อมเพรียง มีค่าประมาณ 3 X 10-15 ใน 1 ส่วนโดยประมาณ

• การควบคุมอุณหภูมิของตัวอาคาร ฐานรับกล้องโทรทรรศน์วิทยุ ห้องรับสัญญาณ ห้องควบคุมระบบเวลา ห้องประมวลผล โครงสร้างเหล็กรองรับจานรับสัญญาณ เพื่อป้องกันการบิดตัวของจานรับสัญญาณและการประมวลผลข้อมูลผิดพลาด ซึ่งต้องควบคุมการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิให้อยู่ระหว่าง 0.2-2 องศาเซลเซียส 

• เทคโนโลยีการออกแบบขั้นสูง (FEM) โดยการวิเคราะห์ความสามารถในการรับแรง การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ เพื่อนำมาประเมินผลกระทบต่อตัวอาคารและกล้องโทรทรรศน์วิทยุ เช่น การบิดตัวของอาคารยอมรับได้ที่ 0.001 องศา

• การออกแบบระบบไฟฟ้าเพื่อป้องกันการรบกวนสัญญาณในความถี่ต่าง ๆ 

ภาพแสดงตัวอย่างผลการใช้เทคโนโลยีโฮโลกราฟฟี (Holography) วัดความราบเรียบของจานรับสัญญาณ ซึ่งมีความละเอียดในหน่วยไมโครเมตร ใช้หลักการทดลองสแกนรับสัญญาณจากดาวเทียมที่ตำแหน่ง 45 องศา จากนั้นนำข้อมูลที่ได้มาเปรียบเทียบกับเครื่องรับสัญญาณอ้างอิง จะได้ค่าข้อมูลเปรียบเทียบความราบเรียบของผิวจานรับสัญญาณ 

        นอกจากนี้ การออกแบบตัวอาคารและตัวกล้องโทรทรรศน์วิทยุนั้นจะต้องวิเคราะห์แบบและจำลองภาระสมมติต่างๆ โดยใช้เทคนิค Finite Element Analysis (FEM) เพื่อวิเคราะห์หาจุดที่รับภาระสูงสุดหรือความสามารถในการทนทานภาระในสภาวะต่างๆ เช่น น้ำหนัก แรงลมหรือแรงโน้มถ่วง เป็นต้น

ภาพแสดงผลการวิเคราะห์แบบโดยการจำลองภาระต่างๆ

2. การออกแบบทางทัศนศาสตร์ (Optic design)

        กล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติ มีจานรับสัญญาณขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 40 เมตร ออกแบบให้รับสัญญาณทั้งแบบปฐมภูมิและทุติยภูมิ  แผ่นสะท้อนรูปร่างไฮเปอร์โบลอยด์จะรวมสัญญาณจากจานรับสัญญาณหลักไปยังห้องอุปกรณ์รับสัญญาณ ซึ่งการวิเคราะห์ทางทัศนศาสตร์ต้องใช้เทคนิคพิเศษในการออกแบบโดยใช้โปรแกรมแกรสพ์ (Grasp) ช่วยในการจำลองตำแหน่ง  ส่วนห้องรับสัญญาณ เป็นระบบการสะท้อนสัญญาณแบบนาสมิทธ์ (Nasmyth) ใช้หลักการสะท้อนสัญญาณผ่านกระจกด้านซ้ายหรือขวา เพื่อให้สะดวกในการวางตำแหน่งเครื่องรับสัญญาณ

   การออกแบบระบบทัศนศาสตร์โดยโปรแกรม Grasp              ระบบสะท้อนสัญญาณแบบนาสมิทธ์ 

           เพื่อให้ได้มาซึ่งตำแหน่งอ้างอิงต่างๆ                              หอดูดาวเยเบส ประเทศสเปน

3. การก่อสร้างและการประกอบ

        ฐานรากและโครงสร้างอาคารต้องรองรับการเคลื่อนที่ของกล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 40 เมตร หนักประมาณ 500 ตัน ที่ความเร่งสูงสุดในแนวนอน 1 องศา/วินาที2  จึงต้องอาศัยทั้งเทคโนโลยีในการเคลื่อนย้ายวัตถุขนาดใหญ่ โดยใช้รถเครนที่สามารถยกน้ำหนักได้ 800 ตันและเคลื่อนที่ได้ในขณะยก1  ดังนั้นการวางแผนการประกอบโครงสร้างต้องจำลองเหตุการณ์ต่างๆ ก่อนดำเนินการติดตั้งจริง ซึ่งทางวิศวกรรมศาสตร์ ถือว่าเป็นงานพิเศษต้องอาศัยการคำนวณอย่างถูกต้องและแม่นยำสูง

ภาพการก่อสร้างและประกอบกล้องโทรทรรศน์เยเบส ณ หอดูดาวเยเบส ประเทศสเปน เมื่อปี พ.ศ. 2549

4. เทคโนโลยีและนวัตกรรมที่เกิดจากการพัฒนาและติดตั้งกล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติ

1. ได้หอสังเกตการณ์ดาราศาสตร์ในช่วงคลื่นวิทยุสำหรับการวิจัยขั้นสูงแห่งแรกในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้

2. สามารถนำมาพัฒนาเพื่อออกแบบและผลิตกล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 10-20 เมตรได้เองหรือใหญ่กว่าในอนาคต โดยเฉพาะในย่านความถี่สูง 10-115 กิกะเฮิรตซ์ (GHz.) ซึ่งจะเป็นย่านความถี่สำหรับโทรคมนาคมในอนาคต

3. มีผู้เชี่ยวชาญสาขาต่าง ๆ เพิ่มขึ้นในประเทศไทย โดยเฉพาะผู้เชี่ยวชาญด้านการออกแบบและสร้างระบบรับสัญญาณแบบเย็นยวดยิ่ง ผู้เชี่ยวชาญระบบวัดสัญญาณรบกวน ผู้เชี่ยวชาญด้านการออกแบบเสาอากาศและจานรับสัญญาณความถี่สูง เป็นต้น

4. เกิดห้องปฏิบัติการเทคโนโลยีขั้นสูงที่สามารถออกแบบ สร้าง วิจัยและถ่ายทอดความรู้ทางด้านอุปกรณ์ดาราศาสตร์วิทยุที่ทันสมัยที่สุดในภูมิภาคเอเชียตะวันออกเฉียงใต้

5. การพัฒนาเครื่องรับสัญญาณในช่วงคลื่นวิทยุสำหรับกล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติ

5.1 การพัฒนาเครื่องรับสัญญาณวิทยุไมโครเวฟโฮโลกราฟฟี่ย่านเคยู

        กล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 40 เมตร ที่ใช้ติดตามค้นหาสัญญาณคลื่นความถี่วิทยุจากนอกโลก จำเป็นต้องตรวจสอบประสิทธิภาพหลังการติดตั้ง ซึ่งปัจจัยหนึ่งที่เป็นตัวแปรสำคัญอันดับแรกคือความสามารถในการรวมสัญญาณความถี่วิทยุของจานสะท้อนสัญญาณพาราโบลาตัวแรก โดยทั่วไปความสามารถในการรวมสัญญาณความถี่วิทยุจะสัมพันธ์โดยตรงกับความเที่ยงตรงของพื้นผิวพาราโบลาของตัวจานที่ถูกสร้างขึ้นเพื่อใช้งานจริง แนวโน้มประสิทธิภาพของการรวมสัญญาณที่ได้จะแปรผกผันกับความถี่ของคลื่นวิทยุ ดังนั้นความเที่ยงตรงของพื้นผิวรูปทรงพาราโบลาของจานสะท้อนสัญญาณจึงเป็นปัจจัยหลักที่บ่งบอกถึงประสิทธิภาพการใช้งานของกล้องโทรทรรศน์วิทยุโดยรวม

        ด้วยเหตุนี้ หลังการติดตั้งจึงจำเป็นต้องตรวจสอบโดยใช้เทคนิคไมโครเวฟโฮโลกราฟฟี่ ติดตั้งเครื่องรับสัญญาณนำร่องจากดาวเทียมสองตัวดังรูปที่ 1. เป็นตัวอ้างอิงและทดสอบ ซึ่งข้อมูลสัญญาณความถี่วิทยุที่รับได้จากดาวเทียมดวงเดียวกันสามารถนำมาคำนวณเปรียบเทียบแอมพลิจูดและเฟสของสัญญาณที่ต่างกัน จากนั้นนำข้อมูลที่ได้มาวิเคราะห์เพื่อแสดงออกมาเป็นภาพสองมิติที่มีเฉดสี ซึ่งเฉดสีจะแสดงผลความเที่ยงตรงของพื้นผิวรูปทรงพาราโบลาของจานสะท้อนสัญญาณตัวแรกดังรูปที่ 2.  โครงการนี้จะเลือกรับสัญญาณความถี่นำร่องจากดาวเทียมที่ใช้งานอยู่ในย่านความถี่ Ku ที่มีความถี่คลื่นวิทยุอยู่ในช่วง 10.7-12.75GHz

รูปที่ 1. ไดอะแกรมการติดตั้งฟีดและเครื่องรับสัญญาณความถี่วิทยุบนจานรับสัญญาณ

รูปที่ 2. ตัวอย่างที่ได้จากการวัดความเที่ยงตรงของพื้นผิวพาราโบลา

รูปที่ 3. ไดอะแกรมของระบบโดยรวม

กรอบแนวคิดในการพัฒนาจะเป็นไปตามไดอะแกรมในรูปที่ 3. โดยแบ่งออกเป็น

        1) การออกแบบสายอากาศฟีดฮอร์นของเครื่องรับสัญญาณอ้างอิงและการออกแบบสายอากาศฟีดฮอร์นของเครื่องรับสัญญาณทดสอบ 

        โดยทางทฤษฎีนั้นสายอากาศฟีดฮอร์นทั้งสองแบบจะรับสัญญาณความถี่วิทยุย่านเคยูซึ่งเป็นสัญญาณนำร่องมาจากดาวเทียม จากนั้นส่งผ่านสัญญาณไปยังเครื่องรับสัญญาณชุดแรกคือ RF module สำหรับสายอากาศฟีดฮอร์นที่ไช้รับสัญญาณอ้างอิงนั้น ต้องออกออกแบบให้มีอัตราขยายสัญญาณของสายอากาศอยู่ที่ประมาณ 25dBi ถึง 36dBi โดยมี side lobe ที่ต่ำ ซึ่ง HPBW หรือ องศาความกว้างการแผ่กำลังงานครึ่งนึงต้องสัมพันธ์กับระยะห่างระหว่างตำแหน่งจุดที่ใช้เก็บข้อมูลสองจุดที่อยู่ไกล้กัน (N และ N+1) ซึ่งเป็นตำแหน่งที่กล้องวิทยุจะชี้ไปเพื่อทำการเก็บข้อมูลดังรูปที่ 4. โดย HPBW ของสายอากาศฟีดฮอร์นที่ใช้รับสัญญาณอ้างอิงจะอยู่ที่ประมาณ 4 องศา 

รูปที่ 4. แสดงตำแหน่งการเคลื่อนที่ของกล้องที่จะชี้ไปเพื่อทำการเก็บข้อมูลสำหรับการทำโฮโลกราฟฟี

        ในส่วนของสายอากาศฟีดฮอร์นที่ใช้รับสัญญาณในการทดสอบจะถูกออกแบบให้มี HPBW ที่กว้างกว่าเนื่องจากต้องทำหน้าที่รวมสัญญาณทั้งหมดที่สะท้อนมาจากจานสะท้อนสัญญาณตัวแรก ณ ตำแหน่งโฟกัสแรก สัญญาณคลื่นวิทยุที่ส่งมาจากดาวเทียมเป็นโพราไรซ์เซชั่นแบบวงกลม ดังนั้นสายอากาศฟีดฮอร์นที่ใช้รับสัญญาณจะต้องมีโพราไรซ์เซชั่นของสายอากาศที่ตรงกันกับโพราไรซ์เซชั่นที่ส่งมาจากดาวเทียม ซึ่งสัญญาณที่รับได้มานั้นจะถูกแปลงกลับให้มีโพราไรซ์เซชั่นเป็นแบบเชิงเส้นไปสู่วงจรภาคขยายสัญญาณรบกวนต่ำภาคแรกเนื่องจากทรานซิชั่นทางด้านอินพุทของวงจรภาคขยายเป็นแบบท่อนำคลื่นแปลงไปแบบไมโครสตริปหรือสตริปไลน์ 

        2) ภาค RF ภาค IF ภาคปรับเทียบโฮโลกราฟฟี่ ภาคตรวจสอบ ภาคจ่ายไฟ ภาคควบคุม ภาคประมวลและแสดงผล

        สัญญาณคลื่นความถี่วิทยุที่ได้รับมาจากสายอากาศฟีดฮอร์นจะถูกส่งผ่านไปยังโพราไรเซอร์เพื่อทำการแปลงโพราไรซ์เซชั่นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากโพราไรซ์เซชั่นแบบวงกลมไปเป็นโพราไรซ์เซชั่นแบบเชิงเส้นจากนั้นจะส่งผ่านอุปกรณ์คัปเปอร์แบบมีทิศทางไปยังวงจรขยายสัญญาณวิทยุสัญญาณรบกวนต่ำภาคแรกเพื่อทำการขยายสัญญาณให้ใหญ่ขึ้นจากนั้นจะถูกส่งผ่านไปยังวงจรกรองความถี่เพื่อกำจัดความถี่ที่ไม่ต้องออกและส่งไปยังวงจรแปรผันความถี่ลงไปที่ความถี่ IF โดย วงจรแปรผันความถี่ลงจะทำการผสมสัญญาณความถี่วิทยุย่านเคยูที่ได้รับมาจากดาวเทียมเข้ากับสัญญาณความถี่วิทยุพื้นฐาน (Local : LO) ที่ถูกสร้างขึ้นมาจากวงจรสังเคราะห์ความถี่ ผลการแปลงความถี่ IF แรกที่ได้จะนำไปผ่านวงจจรกรองความถี่ IF ถัดไปเพื่อกำจัดความถี่แปลกปลอมที่ไม่ต้องการออก จากนั้นสัญญาณที่ถูกกรองความถี่แปลกปลอมออกไปแล้วจะถูกส่งผ่านไปยังวงจรแปรผันความถี่ IF ภาคที่สองและภาค IF ที่สาม ซึ่งมีหลักการทำงานคล้ายคลึงกันโดยจุดประสงค์เพื่อทำการแปลผันความถี่ย่านเคยูที่รับมาลงไปที่ความถี่ต่ำที่อยู่ในช่วงความสามารถของวงจรแปลงอานาลอกไปเป็นดิจิตอล ADC สามารถทำการสุ่มสัญญาณได้ ซึ่งความถี่สัญญาณ IF ที่ได้จากภาค IF สุดท้ายจะอยู่ในช่วงระดับกิโลเฮิรตซ์ (kHz) ถึงระดับ เมกกะเฮิรตซ์ MHz หลังจากกระบวนการสุ่มสัญญาณจะได้ข้อมูลดิจิตอลที่สามารถนำไปผ่านกระบวนการวิเคราะห์ข้อมูลความต่างของแอมพลิจูดและเฟสของสัญญาณทดสอบและสัญญาณอ้างอิงโดยคอมพิวเตอร์เพื่อทำการประมวลผลวิเคราะห์โดยกระบวนการแปลงฟูเรียร์แบบเร็ว (FFT) แล้วทำการแสดงผลให้อยู่ในรูปภาพสองมิติโดยมีเฉดสีบ่งบอกถึงปริมาณความเที่ยงตรงหรือความผิดพลาดของพื้นผิวจานสะท้อนสัญญาณพาราโบลาตัวแรก

5.2) การพัฒนาเครื่องรับสัญญาณวิทยุย่านแอล

รูปที่ 5. กล้องโทรทรรศน์วิทยุขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 40 เมตร

รูปที่ 6. ไดอะแกรมเครื่องรับสัญญาณความถี่วิทยุย่านแอลที่จะทำการพัฒนาร่วมกับสถาบันวิจัยแมกซ์แพลงค์

        คุณสมบัติของกล้องโทรทรรศน์วิทยุแห่งชาติสามารถใช้งานได้ตั้งแต่ความถี่ต่ำขึ้นไปถึง 100    กิกะเฮิรตซ์ ภายในประกอบด้วยเครื่องรับสัญญาณความถี่วิทยุหลายย่าน ในปี พ.ศ. 2561 สดร. จะพัฒนาเครื่องรับสัญญาณความถี่วิทยุย่านแอลเป็นย่านแรกร่วมกับสถาบันวิจัยแมกซ์แพลงค์ ณ เมืองบอนด์ ประเทศเยอรมนี โดยแสดงไดอะแกรมเครื่องรับวิทยุอย่างง่ายดังรูปที่ 6-7 เครื่องรับสัญญาณความถี่วิทยุย่านแอลดัง  กล่าวจะถูกติดตั้งที่จุดโฟกัสแรกบนจานรับสัญญาณ ซึ่งระบบที่ร่วมกันพัฒนาจะประกอบด้วย สายอากาศฟีดฮอร์น ภาครับภาคแรก โพราไรเซอร์แบบท่อนำคลื่น วงจรขยายสัญญาณรบกวนต่ำแช่แข็ง แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน เครื่องทำความเย็น กล่องแช่แข็งแบบสุญญากาศ ระบบควบคุม แหล่งจ่ายไฟ ภาคประมวลผลความถี่วิทยุ ตัวสุ่มและประมวลสัญญาณดิจิตอล ตัวจัดการกลุ่มข้อมูลดิจิตอล ระบบส่งสัญญาณผ่านไฟเบอร์ออปติก ซึ่งหลักการทำงานทางไฟฟ้าจะคล้ายคลึงกับเครื่องรับสัญญาณความถี่วิทยุไมโครเวฟ   โฮโลกราฟฟี่ย่านเคยู โดยมีฟังก์ชันการใช้งานที่แตกต่างออกไปและมีระบบประมวลผลดิจิตอลที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าซึ่งเหมาะสำหรับสำหรับงานดาราศาสตร์วิทยุ

รูปที่ 7. ไดอะแกรมเครื่องรับสัญญาณความถี่วิทยุย่านแอลที่จะทำการพัฒนาร่วมกับสถาบันวิจัยแมกซ์แพลงค์