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台灣於1993 年第一部同步輻射開光以來已有18 年頭，目前已有29 條光束線50 餘個實驗站，使用用戶約2600 人，來自112 個研究單位，涵蓋60個國家，國外用戶也有214 人，每年約發表300~400 篇國際期刊之科學文獻。多年來用戶仍不斷增加，同步加速器可以建造光束線之空間，已經用盡。於是，目前正在新建3 GeV（十億電子伏特）更強大的同步輻射設施，預計於2013年底將可建造完成，並提供建造50 條新型光束線之空間，以合乎國內供廣大用戶之需求。

何謂同步輻射？

同步輻射是同步加速器輻射之簡稱。當帶電粒子於同步速器經磁場偏轉後將產生輻射，此一輻射稱之為同步輻射，如圖一。同步輻射原為核子物理學家在建造產生基本粒子之加速器中所發現之副產品，原本核子物理學家為了輻射安全起見，築了一道屏蔽以維護人員之輻射安全；然而原子分子物理學家卻發現此一波長之高強度輻射，可以用來從事光譜學及繞射學之實驗，於是將原本看似無益之同步輻射加以運用，在屏蔽牆上挖了一個小孔，引出同步輻射，並利用核子物理學家做實驗之際，順便從事凝態或分子原子之實驗。這種同步輻射實驗為第一代之同步輻射運用，以美國史丹佛大學之加速器輻射最為有名。

圖一：當帶電粒子於同步速器經磁場偏轉後將產生同步輻射。

1970 年代，科學家們逐漸體認到同步加速器光源的優異性，於是紛紛開始興建專門為產生同步輻射光的加速器，這就是所謂的第二代同步加速器光源，以美國Brookhaven 國家實驗室所專門建造的國家同步光源最為有名。1980年代，科學家們提出一個構想，在儲存環中裝入特別的插件磁鐵，例如增頻磁鐵或聚頻磁鐵，如圖二。藉此使電子由偏轉一次變成多次偏轉，同步加速器光源的亮度則可提高一千倍以上，這便是第三代同步加速器光源。目前全世界約有70 座實驗用的同步加速器，其中第三代加速器於1990年後陸續建造完成， 而我國同步加速器是在1993年完工啟用，成為少數最先完成的第三代同步加速器光源設施之一。

圖二：儲存環中裝入特別的插件磁鐵，例如增頻磁鐵或聚頻磁鐵，提升同步加速器光源的亮度10~10000 倍以上。

2010年4月，美國史丹佛大學利用加速器所建造的自由電子雷射發出強大的硬X光，首度為人類展示比第三代同步加速器光源更強之光源，所花費之預算，當然不亞於第三代同步加速器光源，隨後德國、日本以及瑞士等國亦建造完成產生硬X光自由電子雷射，臨近的韓國政府也批準了建造硬X光自由電子雷射的計劃。

同步輻射之特性

同步輻射是本世紀所發現極為重要的光源，科學家可以藉由它進行前瞻性的實驗，領域涵蓋物理、化學、生物、材料、環工、電子等基礎與應用科學。

若以X光為例，同步加速器光源在這個波段的亮度，比傳統X光機還要強幾個數量級以上！過去需要幾個月才能完成的實驗，現在則只需幾分鐘便能得到其結果。

以往因實驗光源亮度不夠而無法探測的結構，現在藉由同步加速器光源，都可分析得一清二楚，也因此於近年內許多新的研究領域得以開發。實驗上，我們經常要求一個理想的光子束，理想的光子束有很小的尺寸，而且光子束完全平行（極小之發散角或稱之為極佳的準直度）、高強度、高穩定度等。同步加速器內之電子簇經由偏轉磁鐵，沿著軌道切線方向發射出之同步輻射光，若欲合乎這些理想的光子束之條件，則必須有高電流及長時間儲存之條件，電子之軌道必須要小而且準直。所產生同步輻射光源與一般之實驗室之光源比較，具有下列之特色：高強度、高空間解析度、能量為連續光譜、具有高度之偏振性、為脈衝式光源。茲分別敘述如下。

（一）高強度
同步輻射之高強度可以以X光之發展為例，圖三為國際上X光亮度進步之情形，一百多年前， X光管發明，經60年之進步成為轉靶式X光機，亮度僅提高約十倍。同步輻射發現之後，各國相繼推出能量更高、光源更亮之同步加速器，而同步加速器插件（增頻磁鐵，以及聚頻磁鐵）之運用更將亮度往上推高數個數量級。近年來，又利用加速器及類似插件之運用，發展為自由電子雷射，其亮度更可再向上推上數個數量級。

（二）高空間解析度
高空間解析度之條件為小發散度，亦即光子具有良好之準直性或平行度。同步輻射光自偏轉磁鐵，沿著軌道切線方向，發射出同步輻射光，所發出之光在順著軌道面如刀片一般（圖一）。能量越高之同步加速器，所產生的輻射發散角越小。同步輻射光源自然與傳統光源不同，一般實驗室之傳統光源，其光譜多由原子或分子激發態降激而發出，光源多為各向均勻的，其光子束必須以面鏡或透鏡再聚焦，以降低其發散角並改善其平行度， 但是， 根據光學之Liouville's 原理，此時光束之大小隨之變寬了。

當然，我們亦可以用相距很遠之兩個狹縫來定義小發散角，但是其光強度也因此而損失了。

（三）能量為連續光譜
同步輻射光所發出之能量為連續光譜。其臨界能量Ec(keV)，（連續光譜Ec 以上與Ec以下之輸出功率相同）與偏轉磁場強度B(T)以及電子簇能量E_e(GeV)，有下列之關係：
E_c＝0.66BE_e²

因此，能量越高之同步輻射加速器所產生之光子能量越高。此一連續光譜與一般光源由原子或分子降激而發出擁有固定波長之光譜線不同。由於能量為連續光譜，對於光譜學之研究特別有用。傳統的X光機乃由電子撞擊靶材而放射出靶材之特性光譜，其能譜視靶材而定，為固定能量之光譜。

圖三：世界上硬X光源發展之趨勢。

（四）具有高度之偏振性
同步輻射光具有高度之偏振性，以二極偏轉磁鐵而言，光子沿電子軌道面發射者，具有線性偏振性，而在軌道面上下發出之光子則具有左旋或右旋之橢圓偏振光。這種具有方向性之極性光，與具偶極性之材料作用，在吸收光譜或散射花樣上將與一般無偏振性之光源實驗所得的結果不同，因此藉著同步輻射光之偏振性，可以研究材料中之偶極之變化，或研究分子之左旋或右旋構造，或是磁性材料各元素磁矩之測量。

（五）為脈衝式光源
同步輻射光由電子簇受磁場之加速度發射而出，因儲存環中每一電子簇之間有相當間隔，因此同步輻射光呈脈衝式，每一個脈衝代表著一團電子簇恰好經過偏轉磁鐵而發光。一般同步輻射之脈衝長度約為數十皮秒（ps），而間隔可為數百奈秒（ns）。此一脈衝式光如同脈衝雷射一般，可以用來激發某些分子，並測量其降激半衰期僅為數十ns之分子螢光。

同步加速器

為了說明何謂同步加速器，我們先從加速器談起。加速器之種類有許多種，各有不同之目的，所加速之粒子有電子、質子及重離子等。能量最小的加速器為離子佈植機，為半導體產業所用，能量在500keV（千電子伏特）以下，我國約有300 部左右，散佈在科學園區。其次，能量再高之離子加速器，為范氏加速器，以靜電荷累積高電場加速質子或重離子，能量在6MeV（百萬電子伏特）以下，台灣目前仍有三部在運轉，兩部在清華大學，一部在中央研究院，皆為從事材料分析及原子物理之用，例如拉塞福散射實驗、活化分析、離子散射以及質子激發X光實驗等。

能量再往上走，為線性加速器以及迴旋加速器，線性加速器以射頻波加速帶電粒子，能量越高之粒子所需之加速管也越長，佔地越廣，而迴旋加速器利用大型磁鐵，讓帶電粒子迴旋旋轉以節約空間。國內線性加速器約有140部，散佈於各大醫院，多為加速電子以產生高能量X光，以做為癌症治療之用。另外，也做為非破壞檢驗之用，如海關貨櫃檢查等，多數此類電子線性加速器能量在10MeV以下。清華大學擁有另一部25MeV之電子加速器，做為光動力學之研究，也可以產生THz之自由電子雷射；國家同步輻射研究中心之電子線性加速器，能量則為50MeV，做為同步加速器注射器之用。清華大學另外還有13MeV質子線性加速器之建造計劃，將利用高能質子與鈹靶核反應做為中子源，以供硼中子捕獲治療及材料中子散射研究之用。國內迴旋加速器以加速質子為主，約有十餘部，做為生產短半衰期醫用同位素之用，及正子全像攝影術所需之核種，能量都在30MeV以下。

更高能量之離子迴旋加速器，則可用於癌症相關的醫療服務，其能量約為200MeV，國內的長庚醫院以及台大醫院，均有此一相關建造計劃，長庚醫院興建之質子腫瘤治療設施，將於近日完成。迴旋加速器之能量若再提高，高能的帶電粒子由於其迴旋半徑太大，單一磁鐵，甚至使用超導磁鐵，已無法將電子侷限於其中，此時，磁鐵必需分散成數個偏轉磁鐵，隨著帶電粒子能量提高，同步提高其磁場強度，以保持固定之帶電粒子迴旋之軌道。另外，也由於帶電粒子之能量提升，使其軌道旋轉週期變短，加速其能量之加速腔射頻頻率也需要同步提升，因此，稱之為「同步加速器」。

同步加速器之能量一般約在500MeV以上，加速電子之同步加速器以產生同步輻射，做為材料分析、化學生物分析、物理光學研究為主。大型之離子同步加速器（1GeV），則用於產生高強度中子或產生介子等，做為材料科學繞射散射之用，或是研究核子廢料嬗變。超大型之同步加速器（＞20GeV）以高能粒子對撞方式，產生基本粒子以研究宇宙奧秘。台灣只有國家同步輻射研究中心擁有 1.5GeV之電子同步加速器以產生同步輻射以供學術研究之用。圖四則為台灣1.5GeV之電子同步加速器之簡圖。電子產生後，先由直線加速器加速至50MeV，再經增能器加速至1.5GeV，然後，經由傳輸線進入儲存環累積電子簇。產生之同步輻射光子，則由偏轉磁鐵或插件磁鐵發射，經由光束線聚焦與分光，送入實驗站提供用戶實驗之用。

圖四：台灣1.5GeV電子同步加速器之簡圖。

根據電磁學的理論，帶電粒子的運動速度或方向改變時會放射出電磁波。當電子以接近光速飛行，受到磁場的作用而發生偏轉時，便會因相對論效應沿著偏轉的切線方向，放射出薄片狀的電磁波，這就是「同步加速器光源」。台灣新建之同步加速器，其電子能量為老機器之兩倍，所產生之光子能量增為四倍，更適合從事X光繞射及散射之研究，所產生之X 光能量，穿透力更強，更適合X光影相學之研究尤其是生物醫學影相；較高之能量也涵蓋更多元素之吸收邊緣，更有利於各種材料能譜學之研究。
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