文章專區

（本篇照片皆由黃琳琇拍攝）
 

Take Home Message
•國家同步輻射研究中心同時擁有兩座頂尖的同步加速器光源設施——臺灣光源和臺灣光子源，是國家推動的基礎科學研究的重要設施。
•同步加速器光源是將電子加速至接近光速，並在強磁場作用下偏轉方向時發射出能量集中、頻譜寬廣的亮度電磁輻射光源，可應用於先進材料、生醫、半導體等研究。
•除發展基礎科學研究外，中心也積極投入科普的推廣，幫助社會大眾對同步輻射有正確的認識，對同步加速器光源的重要性有進一步了解。

 
在新竹科學園區內，座落著兩座巨大的環狀建築。雖然高度僅有兩三層樓，不過其中一棟環形建物的圓周長卻長達518.4公尺。這裡是國家級的學術研究中心，設備中蘊含的技術不僅在全球名列前茅，建築本身更曾經登上國際學術期刊封面。
 
為了探索這座神祕的科學研究殿堂，我們在中心研究員陳俊榮的帶領下，步入國家同步輻射研究中心。

 
走入中心大廳，大大的「光」字隨即映入眼簾。光，在科學上即是一種電磁波，包含人眼能見到不同顏色的可見光。科學家可以利用不同波長的光觀察不同大小的物體，以進行各種的研究。
 
不過光和同步輻射有什麼關係？而什麼又是同步輻射？陳俊榮娓娓道來：「同步加速器原本是用來做高能物理探詢基本粒子實驗，但科學家意外發現運轉過程中，電子做變加速運動時會產生電磁輻射光。而『同步』的意思是指隨著電子的能量增加，為了保持電子在環形軌道上的穩定運動，磁場的強度和電場的頻率必須同步增加，並持續補充電子的能量損失，這種同步化確保電子始終以接近光速在預定的軌道上運行。」

 
1947年，當時美國通用電器公司（General Electric Company）的實驗室意外發現，在運轉同步加速器時，當將電子加速至接近光速後，在磁場中運動會發射出電磁輻射，是一種亮度極高、波長連續、截面積極小的光源，就將之稱為同步輻射。它的波長涵蓋紅外光、可見光、紫外光、Ｘ光等各種可利用於科學研究的電磁波。於是在接下來的幾十年裡，科學家發現同步加速器光源在科學研究的重要性，相繼在各國建立自己的光源設施，而且亮度一座比一座更高。
 

國家同步輻射研究中心的台灣光子源內部。

經由科學家的建議，臺灣也開始打造屬於自己的同步加速器光源。1993年首座「台灣光源」（Taiwan Light Source, TLS）順利建設完成；2015年則又完工一座占地範圍更大、亮度更高的「台灣光子源」（Taiwan Photon Source, TPS）。特別的是，這兩座光源的所有設備和組裝過程都由臺灣人自己完成，在當時成為全球最亮的同步加速器光源之一。而這兩座光源往後由國家同步輻射研究中心負責運作，歷年來累積的科學研究量能，也讓臺灣擠身加入國際學術研究的領先國家行列。
 

同步加速器在臺灣的進化

為什麼目前有兩個光源呢？陳俊榮向我們介紹第二座光源的建造原因：「園區裡第一座同步輻射加速器環的光源僅有15億電子伏特，由於能量不足而限制了研究範圍。」為了突破瓶頸，科學家們遂在2004年開始籌劃，興建一座能量更高的加速器。
 
原來周長120公尺、能量15億電子伏特的臺灣光源僅能稱作小型光源，嚴重限制了研究領域的開拓。即使科學家認為必須建立能量高達30億電子伏特的光源，然而興建新加速器並非一蹴而就的簡單工程。光是環形同步加速器光源本體的建造費用就超過70億，而周圍單一個光束線和研究站，基本的建造費用需要2～3億新臺幣。
 
臺灣的眾多科學家歷經十多年的努力，不斷向政府爭取預算補助，也虛心向國內外專家請教。終於成功在2015年，全新的同步加速器⸺台灣光子源正式投入運轉，隨著能量高達30億電子伏特的電子束開始奔跑，臺灣的科學研究也揭開全新篇章。「這就像從小航母升級成大航母了！」陳俊榮自豪地說，新加速器的光源品質在國際學術界名列前茅，成為全球科學家爭相加入使用的重要科研設施。
 
隨著各國相繼使用，加上臺灣學者也不倦怠地利用台灣光子源研究半導體、材料、生醫等領域，並將成果發表於國際期刊，陳俊榮希望這些學者們持續努立，讓成果能被政府看見，得以在未來獲得更充裕的經費，盡快蓋完預定的光束線數量。打造出最完善的同步加速器光源後，不僅將滿足更多前瞻研究的需求，還可能發展全新的學術議題，發揮加速器的最大潛能。

讓更多人認識同步加速器

除了推動學術研究之外，同步加速器設施的科學教育也是目前中心的重點工作之一。陳科榮分享，雖然他們製作過科普動漫、舉辦過多場次的參訪活動，但整體的宣導效果仍有進步空間。這是因為中心名稱中的「輻射」一詞，在一般民眾的印象裡仍帶有負面、忌諱的觀感，「我們也想過要不要換個名字。」陳科榮笑著說。
 
事實上，由於有完善安全防護，同步加速器環境對工作人員和民眾絕對不會有傷害。有幸進入設施的我們，也見識到進入中心、整體實驗流程的層層把關，以及實驗站的各項安全設備和措施，都能保護所有使用者和工作人員不被影響。因此，宣導同步輻射知識，消除大眾心中對「輻射」的恐懼等，都是往後努力的方向。陳俊榮期許未來能加強中心對於科學傳播的投入，讓更多民眾了解同步加速器的運作原理與重要性。
 
同步輻射的應用與我們的生活息息相關，例如探討病毒結構、加速藥物和疫苗開發、解開癌症機制、理解化石的組成、發明新材料、改善半導體製程等。科學家們在同步加速器的這道光上，拓展微觀世界的所有可能性，未來也將在臺灣與世界綻放更多樣的光彩。愛因斯坦曾說：「追求客觀真理和知識，是人類最高和永恆的目標。」正好是國家同步輻射研究中心與這群科學家的最佳註解。

台灣光子源的產生過程與實驗原理
 
1.當電子束從電子槍射出，經由直線加速器中的電極加速電場，將能量加速至1.5億電子伏特（eV），使電子能以接近光速的速度運行。
 
2.電子經傳輸線進入內圈跑道⸺增能環，透過高頻振動腔再獲得能量，達到30億電子伏特。
 
3.進入最外圍的外側跑道⸺儲存環，能量保持30億電子伏特。跑道中有二極、四極、六極、插件四種磁鐵。經過二極磁鐵時電子會受到磁場作用而轉彎，此時在電子束運行的切線方向，就會產生同步加速器光源。
 
4.光源透過光束線上的各種零件聚焦、篩選能量，被引導至實驗站後，便可以照射在實驗的樣品上。
 
5.最後藉由光與物質的作用原理，獲得繞射、散射、光譜等資訊後，研究樣品的物理、化學、生物特性。

陳俊榮解說同步輻射原理。