分享本文至 E-mail 信箱

學術引用格式

MLA (點一下全選)

APA (點一下全選)

EndNote(.enw)

台灣之光「台灣光子源」能幹嘛?

作者:中研院物理所林宮玄博士

最近看到新聞報導:「世界最亮台灣光子源 是台灣之光嗎?」。台灣光子源耗資新台幣70億元初步興建完成,在2014年底試車成功首度發出第一道光,迎接2015「國際光之年」的到來。然而目前面臨2016年預算短缺一億多元,付不出後半年的運轉電費。

相信一般人一定有疑問,「台灣光子源」 是什麼?它能做什麼?當我繼續說,它是「國家同步輻射研究中心」的第二個大型設施時,一般人大概又冒出更多問號,「同步輻射」是什麼?跟核能電廠一樣有輻射的問題嗎?

回答這些問題,我們要先了解科學家定義的「輻射」。輻射指的是能量以波或是粒子移動的型態傳送,所以當你在說話的時候,根據科學定義,你所發出的音波也是在放輻射哦!而同步輻射中心的輻射指的是電磁波。聽到電磁波,你可能馬上反應,我知道,手機會有電磁波!不過,我要再提醒一下,科學家所說的「電磁波」定義可能還是比你想像的來的廣很多。光是電磁波的一種,既然2015年是「國際光之年」,我們就先來認識一下光與電磁波吧!

p90i

電磁波,就是電場跟磁場振動所造成的波。上面的圖很重要!本文以下關於光的描述,很多需參照上圖。根據電場振動頻率,不同區段我們有不同俗稱的方式。電場如果一秒鐘振動個一億次 (108 赫茲 = 100,000,000/秒),就是落在俗稱「無線電波」的區域。

後面那麼多零,寫起來很麻煩唉!沒關係,我們平常習慣說月薪22k就是 22,000,年薪2M,就是2,000,000;k代表三個零(乘103),M代表六個零(乘106)。同理,每秒一億次也可以寫成100MHz。警察廣播電台,FM 94.3指的是你的收音機需要調到可接收頻率為 94.3 MHz的電磁波。而雙頻手機用的是 1.8GHz的電磁波傳輸,G就代表九個零(乘109)。

我們眼睛可以看到電場一秒振盪個幾百兆左右的電磁波,這個區域叫可見光。其他大部分振太快或太慢的電磁波我們眼睛看不到。看看上圖,幾百兆可是有14個零要寫,太麻煩了吧!。所以科學家通常會用波長來描述可見光:400奈米是紫色的光,700奈米是紅色的光。電磁波每個頻率都有對應的波長,範圍在1釐米 (0.1公分) 到1微米 (0.0001公分)左右,稱為紅外光。當你用遙控器選台時,其實它是在發射你看不到的紅外線。而對皮膚不好的紫外線,波長比400奈米還短。

波長更短時,科學家就習慣用光的能量「電子伏特 (eV)」來稱呼。光能量100電子伏特到 100k 電子伏特,我們叫X光,對應的波長約 10奈米到0.01奈米。X光大概以10k電子伏特 (波長約0.1奈米) 作分界,能量低的叫軟X光,高的叫硬X光。光子能量超過100k電子伏特後,就是放射性物質會產生的伽馬射線。

國家同步輻射研究中心所建立的「同步輻射加速器」,可將電子加速到接近光速。當電子轉彎時,可發出不同波段的光。雖然會產生「輻射」,但是要有運轉才會產生光,跟核電廠的核廢料自己就會一直放出「輻射」是不一樣的,所以別擔心啦!

source:國家同步輻射中心

source:國家同步輻射中心

可是醫院已經在用X光檢查,雷射秀可發出七彩可見光,為什麼還要同步輻射加速器來產生光呢?因為光亮不亮很重要!舉個例子,在昏暗的室內照相,因為光源不足(不亮),相機曝光時間會拉長,CCD之類的感光元件雜訊變多,照片就容易手震且醜醜的。但是光線充足時,戶外照相很容易可以得到漂亮的相片,這也說明了光源亮不亮的重要性。2014年剛建好的「台灣光子源」,是目前世界上環型加速器中能產生光源最亮的設施,可以在短時間內取到漂亮的實驗資料。

不只是亮度提高,「台灣光子源」比1993年完成的「台灣光源」更具有雷射的特性。同樣是光,燈泡跟雷射發出來的光有什麼不一樣呢?雷射具有好的同調性 (Coherence),即所有光子行為一致。因為雷射發出來的所有光方向一致,直線射來射去的,準直性佳可以當投影筆、雷射槍。同調性好的光,才能用繞射(Diffraction)、干涉 (Interference)等波的性質來研究材料。另外,你平常看到的雷射投影筆是不是只能發綠色或紅色一種顏色而已?同步輻射加速器另一個重要優勢,就是能在紅外線、可見光、紫外線、軟X光、硬X光這麼廣的範圍內,挑你想要的光,而且又亮又直同調性高。

講那麼多好像還沒進入主題,到底同步輻射發出來的光能幹嘛?為什麼美國、日本、德國等科技強國願意花幾百億甚至上兆元台幣蓋同步輻射加速器?

紅外光、可見光、紫外線都有雷射可產生同調性高的光源。那X光呢?除了昂貴的同步輻射加速器以外,目前沒有其他像雷射同調性高的X光源。我們身邊所有東西都是「材料」,一般材料原子間距在0.1到1奈米之間。

X光源對於材料研究非常重要,硬X光的波長比原子間距略小時,可經由繞射效應來研究材料中原子如何排列。譬如六十多年前人類首次發現 DNA是雙股螺旋構造,就是靠 X 光。雖然 DNA、RNA 結構解析出來了,但是目前人類對於很多蛋白質結構一無所知。生命運作的原理是什麼,還有許多未知的謎,蛋白質結構是其中之一。

蛋白質是大分子,結構非常複雜,又很多三度空間摺疊的構造。譬如科學家現在懷疑阿茲海默症 (俗稱老年痴呆症)可能跟腦內蛋白質摺疊錯誤及不正常堆疊有關,若能找出原因,就能有方向研發藥物或治療方法。硬X光可以穿透許多物質,譬如照X光片看骨頭或是機場用X光安檢。由於硬X光的波長小於0.1奈米,根據繞射極限,理論上能取到小於1奈米解析度的X光影像。科學家目前正致力於奈米解析度的材料X光片,這不但需要X光良好的同調性,也需要研發好的X光透鏡來聚焦。

至於軟X光很容易被材料吸收,把能量轉換給材料裡面的電子,因此可用來研究材料的電子特性,包括原子之間電子所形成的鍵結。想想五十幾年前,科學家研究半導體的電子特性,因為了解材料特性進而發明電晶體。之後半導體科技發展快速,電腦的出現乃至於手機、平板電腦,全要歸功於當時對半導體的基礎科學研究。再舉另一個例子顯示材料基礎研究的重要性,現在科學家一直致力於了解高溫超導的原理。超導體指的是電阻為零的材料,目前全球在傳輸電力過程中,約10% 電量因為電線的電阻而損失。如果能從超導體基礎研究,找到超導的原因,進一步研發出在常溫下的超導體當電線來傳輸電力,是不是就能節省全球發電量10%的電力損失,達到節能減碳呢?

幾乎所有工業都跟材料有關係,人類疾病等醫療產業也需要了解生命的運作原理,不只是基礎研究,產業界研發也需要同步輻射光源。台灣光子源是目前世界上環型加速器中能產生最亮光源的設施,日本的環型加速器 Spring-8 能發出的硬X光源能量最高,美國LCLS (Linac Coherent Light Source)利用線型加速器產生更亮的X光,但涵蓋的頻率範圍比環型加速器窄。德國DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron)將在2017年完成另一個線型加速器,屆時將超越LCLS產生世界最亮的X光源。這些大型儀器都是開放世界各國的使用者分享,可以根據研究需求,在不同地點實驗互補優缺點。

行文至此,你聽到台灣光子源,面臨明年預算短缺一億多元, 2016年後半年可能無法運轉的新聞,會不會覺得很可惜?同步輻射中心希望將台灣光源的18條舊光束線設施搬到台灣光子源,這耗時七年共28億元的經費,目前也沒著落。

過去台灣產業界使用同步輻射光源研發的比例跟美日德等科技強國比起來可能沒那麼高,但是台灣產業現在不得不升級,要轉成重視研發、專利的創新產業,研發的設備格外重要,也需要厚實的基礎研究。

估且不談世大運會總預算198億元、2011花卉博覽會耗資136億元……同步輻射中心附近搞不好能吸引財團投資變成科創百貨公司?! 2014年中華民國總預算1兆9,407億新台幣,將舊光束線搬遷到台灣光子源預計七年28億元經費,佔一年國家總預算約萬分之十四。筆者不主張台灣光子源應該完全由國家資助,但筆者認為一個新創公司需要天使資金去協助,讓台灣光子源一開始能正常運作,靠著目前環型加速器中最亮光源的優勢,努力吸引國外研發單位及國內外產業界進駐並付費支持。政府的預算分配可能有大人們的角力,但是,你是否願意犧牲每年看煙火在黑夜中發光的享受,把預算轉給台灣光子源運轉繼續點亮台灣之光?

 

如果你支持台灣光子源,請到臉書「線上請願:要求政府讓台灣之光繼續發光」活動按「參加」,表達支持之意。

source:國家同步輻射中心

source:國家同步輻射中心

延伸閱讀:

ad3

問答是人類最原始的知識互動方式,也是文明火箭推進的燃料,更是茫茫知識大海中的羅盤
為什麼蘋果會落下?為什麼人類不能飛?所有偉大的事物,都萌芽於一個最初的問題。
我們全新推出的問答平台——泛答,讓大家用最輕鬆直接的方式挖掘最有價值的知識。

受夠了虛實難辨的假新聞?懷疑自己困在同溫層?想念那個充滿好奇的內心自我?
來泛答吧,跟我們一起用問答打破現狀,用問答找回專屬於你的知識。

關於作者

南宮簫笛哥

林宮玄

任職於中研院物理所,雷射光譜實驗室負責人,生物影像核心設施管理負責人。擔任過國立臺灣大學、國立臺灣師範大學、美國麻省理工學院博士後研究員,工業技術研究院南分院工程師。曾被戲稱南宮博士,擅長簫及竹笛,故稱南宮簫笛哥 (「人講瘋豬哥」台語諧音)。