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跨越台灣之光:全世界最亮的「台灣光子源」是什麼?要幹嘛?—《2016泛知識節》

這一系列文章為 2016 泛 · 知識節「翻牆吧!知識」的活動紀實,我們將當下求知求真地感動盡力留下,想與世界某個角落正在努力翻牆的你分享。

知識不只在學校的黑板、不只在安靜的圖書館,當然 更不只在名為「學校」那棟被牆包圍的建築。2016泛 · 知識節「翻牆吧!知識」承襲著泛科學年會的精神與架構,變的是讓更多的知識在這裏碰撞,不變的是那渴求知識的靈魂。如果知識是一道牆,現在就讓我們用求知慾翻牆吧!

關於本場次【 擁有全世界最亮的「台灣之光—台灣光子源」,是什麼?要幹嘛? 】的活動介紹,請參考這裡

  • 講者/陳家祥|國家同步輻射研究中心助工程師
  • 文字紀錄/廖英凱

「光」是人類觀察物體最常利用的方式,除了可見光外,還有許多肉眼不可見的光,統稱為「電磁波」或是「電磁輻射」。在近代科學的發展中,這些光也成為我們觀測自然的利器,例如波長最長的無線電常用來觀測星球尺度的宇宙世界;波長數十公分微波可以觀測大氣尺度的變化;紫外線可以看到分子尺度的結構;X 光則可以研究更小的蛋白質、脂質分子與晶體結構等。

當光線不足時,東西自然看不清楚,讀書還會傷眼睛。不過,如果照來了一道世界最亮的光時…… 難道就會看得更清楚嗎!?這道世界最亮的光,正是位於新竹「國家同步輻射研究中心」內的「台灣光子源(Taiwan Photon Source, TPS)」。它是世界上首屈一指的粒子加速器,在全世界同級機組中,提供了最亮的光源,自 2004 年開始構想、 2010 年開始動工,至 2014 年末發出第一道光。2016 泛.知識節邀請到同步輻射中心的助研究員陳家祥博士,與我們分享這道台灣之光的奧秘與身世。

同步輻射中心的助研究員陳家祥博士。

同步輻射中心的助研究員陳家祥博士。

電影裡的粒子加速器

台灣光子源,是一種透過加速帶電粒子來得到高同調性輻射的加速器。這樣的加速器早已經廣泛應用到生活中,也常常成為影視娛樂的素材。電影《魔鬼終結者 3》中,主角們在一個環型隧道裡躲避機器人的追殺時,啟動了裝置於加速器上的電磁鐵,而電磁鐵擁有的強大磁場,在關鍵時刻將機器人吸住動彈不得,讓主角們得以脫離險境。電影中的這個設定,正是因為粒子被加速到接近光速行進而有很高的能量,需要強大的磁場才能讓粒子轉彎,而加速器中的電磁鐵提供了這樣的強大磁場。在電影《鋼鐵人 2》裡,主角也蓋了一個環形的裝置,在裝置裡兩道強光的相擊下合成了一個新的元素。事實上,這也是粒子加速器可以用作合成人造元素的應用。

在台灣,其實也是有以同步輻射中心、環狀加速器作為背景題材的電影作品。2006 年的一部驚悚電影《詭絲》,劇中就描述了在同步輻射的環狀中心點,正好是磁場匯集之處而能引發靈異現象。不過陳家祥博士笑稱,其實磁場最強的是加速器上的電磁鐵,環狀中心其實是沒有什麼特別磁場的,但也因為這部電影的原因,民眾對於同步輻射中心的詢問度也突然變高了一陣子……

生活中的加速器

雖然影視劇本中偶有出現加速器的蹤跡,但將帶電粒子加速來使用這件事,早就是我們生活中常見的技術。例如早期陰極射線管(CRT)螢幕、電視機,就是利用高電壓的電場將電子加速,再通過聚焦線圈與偏向線圈這兩個電磁鐵,讓電子打到玻璃螢幕上指定的區域。而玻璃螢幕的內側塗佈了磷化物,當磷化物分子吸收足夠能量的電子後,就會釋放出螢光產生畫面。再例如機場中常用來掃描行李裡的 X 光機,也是利用加速後的電子,打到鎢、銀 、鉻等金屬製成的靶材上。當電子受到靶材阻擋而減速時,就會以 X 光的形式放出能量。這種 X 光來自於制止電子運動,因此又被稱做制動輻射( bremsstrahlung)。

然而這些常見裝置所產生的 X 光,強度僅有同步輻射中心的十萬分之一至百萬分之一,僅能透視大型物體,並沒有辦法用來看到物體的細微結構,也因此我們需要亮度更強、光束更細、更不易發散,並如同雷射一樣具極佳同調性 (Coherence)的光來作為觀測的媒介。同步輻射加速器所產生的光源,正具有這些特性。

同步輻射光

同步輻射光源,是將帶電粒子(如電子)加速到接近光速,再利用電磁場偏轉其方向,便會產生一道沿原本運動切線方向發生的電磁輻射。輻射的波長取決於磁鐵的強度和帶電粒子的能量。不過一道光的強度不見得足夠,此時可利用一系列磁場交錯排列的插件磁鐵,讓帶電粒子在磁場中如蛇行般不斷交錯改變方向。這種每次改變方向所產生的同步輻射,如雷射般具有同調性高的特性,就可以再被導引到實驗站使用。

將接近光速的帶電粒子利用電磁場偏轉時,就會沿著原運動切線方向產生同步輻射光。圖/By R. Bartolini - John Adams Institute, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15587607

將接近光速的帶電粒子利用電磁場偏轉時,就會沿著原運動切線方向產生同步輻射光。圖/By R. Bartolini – John Adams Institute, CC BY 3.0, wikimedia commons.

實驗站中的研究人員會再將同步輻射光照射到待測物上。根據待測物的材質、結構、表面特性等,同步輻射光會再經由反射、繞射、散射與穿透等機制而改變特性。同時,待測物也可能會因為吸收了高能量的同步輻射,而激發出電磁波、帶電粒子與中性原子等。研究人員就可藉由測量這些被同步輻射照射後的產物,來回推待測物的結構與成分。

利用插件磁鐵讓同步輻射光在內部蛇行,就會產生如雷射一般同調性高的光。圖/CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=537945

利用插件磁鐵讓同步輻射光在內部蛇行,就會產生如雷射一般同調性高的光。圖/CC BY-SA 3.0, wikimedia commons.

科學神燈:台灣光子源

1980 年代,時任行政院長孫運璿著手推動新竹科學園區設置與半導體產業發展時,同期也開始規劃同步輻射研究中心。同步輻射研究中心於 1986 年開始動工,至 1993 年 10 月完成了亞洲第一座第三代同步輻射設施「台灣光源(Taiwan Light Source, TLS)」,成為我國在原分子領域、奈米技術、表面與薄膜科技、凝態物理、材料科學、分子生物學…… 等眾多領域的研究關鍵。近年使用人次與計畫數均逐年增加,每年可達一萬人以上的使用人次,然而因使用者眾,且相關技術推陳出新,導致了 TLS 光源不敷使用,亮度也不斷落後其他國家的新建設施。

國家同步輻射中心。圖/By Chang.ms - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=41141416

國家同步輻射中心。圖/By Chang.ms – Own work, CC BY-SA 4.0, wikimedia commons.

2001 年起,國家同步輻射研究中心前身「行政院同步輻射研究中心」的指導委員會建議應開始研究新型同步輻射加速器的建造方案。2007 年,行政院同意「台灣光子源同步加速器興建計畫」並在 2009 年正式核定、2010 年開始動土興建、2014 年 12 月 31 日成功發出第一道同步輻射光。

不過,台灣光子源的興建歷程,也讓研究人員們忐忑不安了許久。由於台灣光子源的精準度要求相當高,一圈 518 公尺的軌道,僅能有 25 μm 的誤差。又因腹地不夠寬廣,新舊加速器緊鄰施工導致對工程的要求又更高,陳博士說當時還因此拆了餐廳來取得用地。施工過程中也不安寧,又發現在 14 公尺深處挖到了軟土層,高於法規要求的探測標準10公尺,因而多耗費半年施工,也因此遭監察院糾正。

陳家祥:「在同步輻射領域,台灣可以跟美中歐洲等大國競爭,真的是一個蠻厲害的事情。」

陳家祥:「在同步輻射領域,台灣可以跟美中歐洲等大國競爭,真的是一個蠻厲害的事情。」

到 2014 下半年時,距完工時限還有 3 個月,雖然主要設施都已完成,但研究團隊仍無法把電子有效加速。總主持人陳建德院士曾戲稱:如果計畫失敗,核心團隊只好七條白綾以謝國人…… 還好一名工程主管及時找到不斷失敗的原因,主要是真空腔被磁化而吸引電子,造成電子速度被拖慢。但當他們要將真空腔拆下來退火消磁的時候,又剛好遇到年末的尾牙時節,根本而找不到合作廠商。此時中科院的設備也適逢歲修,另外想送到中國的上海光源處理,又因為電子輻射照射的真空腔是管制品而無法出口。好險最終在一個傳產業者的協助之下,在完工時限截止當天,2014 年的最後一天,成功發出了台灣光子源的第一道光。

歷經十年規劃、四年建設,耗資將近 70 億元的台灣光子源,是我國規模最大的跨領域科學研究設施,更是全世界同等規模、同樣電子能量下目前能提供最亮光源的同步輻射加速器。它能帶動多項科學研究領域的發展,也能提供工業產品的研發優化。世界第一的條件更能成為開拓國際合作的優勢。相信這座落在新竹的科學神燈,帶來的不是天方夜譚的希望,而是越發清晰的微觀結構,更加接近的宇宙真相。

「我們搞科研的就是要跟其他人殺到頭破血流,沒有人會記得第二名的!」

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