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台灣之光「台灣光子源」能幹嘛?

南宮簫笛哥
・2015/06/02 ・3542字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

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source:國家同步輻射中心
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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!

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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?

source:國家同步輻射中心
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南宮簫笛哥
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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,兼任科學月刊/科技報導副總編輯。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)。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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國輻中心拍電影,把台灣之光變有趣好懂──《阿卡的冒險》觀後感
旻諭_96
・2018/10/29 ・2664字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 489 ・五年級

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「同步輻射就是一台超級顯微鏡,它可以讓你看到恐龍蛋,不只是裡面有沒有小恐龍,還有這整個蛋白質的結構,都比學校的顯微鏡強太多太多倍了!」

國家同步輻射中心(以下簡稱國輻中心)為了讓更多人知道什麼是「同步輻射」,還有這個中心都在幹嘛,跟金鐘獎最佳動畫節目得主 studio2 團隊一起合作,歷經一千多天才完成科普電影《阿卡的冒險:光子秘密》,並於今年 8 月 29 日在科技大樓一樓簡報室舉辦電影試映會。《阿卡的冒險:光子秘密》主打國中以下觀眾群,期待能讓親子一同在時而緊張刺激,時而溫馨感人的氣氛之下,輕鬆了解「同步輻射」和台灣之光「國輻中心」。

想必國輻中心的科學家與 studio2 在完成《阿卡的冒險》這一千天中,一定經過很多討論跟磨合。而今天由我這個來泛科學兩個月的實習編輯,帶大家一起瞧瞧《阿卡的冒險》到底好不好看,還有這部科普電影如何誕生!

《阿卡的冒險:光子秘密》電影試映會當天,大小朋友座無虛席。圖/由國輻中心提供。

返祖病毒解藥失靈與阿卡身世之謎——《阿卡的冒險》劇情簡介

以前我對公家機關製作的科學影片總抱持著刻板印象:教育意義濃厚、像在看影片版本的課本,或是沒有很好的包裝想傳達的知識(如果我只想躺在沙發上放鬆看電視絕對轉台的那種)。

《阿卡的冒險》完全扭轉了這個印象,這部電影的故事性非常強,不會讓人一看就覺得電影要教我生冷的科學知識。故事剛開始先以「返祖症狀」病毒散播為後續故事鋪梗,染上此病不僅身上會長出大量毛髮,攻擊性也增加。企業家、政治家、甚至一般大眾與動物都染上此病,引起社會恐慌。再來是以小雞阿卡的視角出發,小雞阿卡想知道為甚麼自己和其他小雞外表長得如此不同,為了尋找「我是誰」的答案決定離「雞寮」出走。

接下來鏡頭帶到小男孩阿卡身上,染上「返祖症狀」病毒的小男孩阿卡長年為疾病所苦,解藥要價昂貴、支付不起;再加上科學家爸爸無預警地離去,讓小男孩阿卡難過不已。一日小男孩阿卡在河邊遇見小雞阿卡,救了小雞阿卡一命,從此他們形影不離,小男孩阿卡的心情也才逐漸轉好。突然一天,「返祖症狀」病毒的解藥失靈,而正確的解藥關鍵在小雞阿卡身上。當全國通緝小雞阿卡之時,事情的原委漸漸明朗,為何小男孩與小雞有相同名字,答案也都一一解開。

當全國通緝小雞阿卡之時,事情的原委漸漸明朗,為何小男孩與小雞有相同名字,答案也都一一解開。圖/截圖自阿卡的冒險預告片

阿卡嚮往的國輻中心:與電影情節連結緊密不出戲

而在這錯綜複雜又有趣的故事情節底下,國輻中心的身影處處可見,科學知識跟故事情節連結緊密,看到科學知識部分不會有種「出戲」的感覺。像阿卡爸爸是國輻中心的科學家,而阿卡從小就對國輻中心有所嚮往,喜歡聽光子源同步加速中心裡的主任黃博士講解加速器的運作原理,觀眾也能從中阿卡的視角了解到「同步輻射」是甚麼、中心有哪些最新研究成果,及這些研究有哪些應用

除此之外,《阿卡的冒險》電影裡也有許多的小巧思,像是把阿卡設定為「鳥類」,是因為鳥類與恐龍的親緣關係極為相近,呼應國輻中心恐龍牙齒結構的最新研究;另一方面,在電影最後治療疾病的關鍵解藥,就設定在「加速器光源」中,不僅讓大家了解到光子源同步加速器還可以應用在生醫製藥領域,也讓大家對於「同步輻射」的認識不再單一。

阿卡從小就對國輻中心有所嚮往,喜歡聽黃博士講解加速器的運作原理,觀眾也能從中阿卡的視角了解到「同步輻射」是甚麼,以及最新研究成果與應用。圖/截圖自阿卡的冒險預告片

整體而言,電影《阿卡的冒險》裡科學知識的難易度適中,也很符合當初國輻中心主打「親子同樂」的設定。試映會當天不管是大朋友、小朋友,都非常投入在電影情節當中,在時而緊張刺激,時而溫馨感人的氣氛之下,輕鬆了解「同步輻射」。

看完電影當下的我,只有兩個字可以形容我的心情:過癮!


【後記】在五歲女兒心中種下科學種子

全體活動結束之後,身為科普人當然是立馬衝到前面死巴著國輻中心的計畫負責人跟導演了解這一切是怎麼開始的中間又發生哪些好玩事,我因為才來泛科兩個月沒有泛科名片我就算拿舊名片出來還是絕對要讓他們看見我的誠意(想必你看到這裡也很能感受到我的熱情(笑)。

國輻中心的羅國輝主任、計畫共同主持人湯茂竹、還有今天擔任活動司儀的潘冠宇博士,以及 studio2 團隊的馮偉倫導演,大家都人超好犧牲午飯時間,坐在會場第一排一一解答我這個菜鳥實習編輯的疑問!

計畫共同主持人湯茂竹及擔任當天活動司儀的潘冠宇博士,一同分享籌備《阿卡的冒險》的心路歷程。圖/Minyu

大家回憶起這一千天到底是怎麼走過來的:剛開始光是定主題就花了半年的時間,甚麼主題都想過,比如新竹米粉要怎麼做才好吃,也想過要連結鄭成功的歷史故事;當確定主題之後,科學家想的是要有哪些科學元素在電影裡,studio2 則要設法把科學知識以故事情節包裝。

「他們(studio2 團隊)會懂得用畫面還有其他感官來思考事情,但科學家不是用這套思考方式,那個衝突跟磨合真的是非常精采!」潘冠宇博士感慨地說著。

雖說科普電影製作的過程中,科學家和動畫製作團隊間勢必會經歷一番又一番的討(ㄔㄠˇ)論(ㄐㄧㄚˋ),但當最終科普電影《阿卡的冒險》真的搬上了大螢幕,學生的熱烈反饋讓國輻中心的科學家們感動不已。計畫共同主持人湯茂竹提到:「小朋友剛開始會問電影劇情的問題,問到後來沒有問題了,會開始問科學的問題!」潘冠宇博士也分享:「我五歲的女兒看完之後,回到國輻中心裡電影出現過的場景,居然跟我說:『把拔這就是電子光!』雖然電影中提到的是電子會產生光,不過這已足以證明,科普電影已經能在五歲孩子的心中種下一個種子!

電影《阿卡的冒險》中的國家同步輻射中心。圖/截圖自阿卡的冒險預告片

「我們科學背景的人,平常頻繁接觸相對論、量子物理的知識,就跟呼吸一樣平常,但開始製作科普影片之後才知道自己跟別人落差很大。「科普」就像是一種「重新認識自己」的過程,當我們把自己歸零,再重新來看國輻中心的時候,這個過程很棒。

期待科普電影《阿卡的冒險》在未來若反應持續這麼熱烈,國輻中心又再找到更多資源,「那我們就把剩下的十三集拍完!一集 22 分鐘,就像在看名偵探柯南一樣。」

旻諭_96
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大學主修生科,研所跳槽科學教育,目前正努力想要聰明又科學的活著。

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作者:中研院物理所林宮玄博士

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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!

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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。

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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?

source:國家同步輻射中心
source:國家同步輻射中心

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南宮簫笛哥
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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,兼任科學月刊/科技報導副總編輯。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)。

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泛知識節紀實:全世界最亮的「台灣光子源」是什麼?要幹嘛?
泛知識節
・2017/01/06 ・3490字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 571 ・九年級

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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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