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同步輻射:臺灣加速器光源的發展歷程

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知識經濟時代,進步的科技是國家經濟發展的關鍵。面對國際間日益激烈的高科技競賽以及全球化浪潮的挑戰,國家科技發展有不進則退的壓力。

我國的先進光源科技擁有傑出的團隊與優異的研發能力,讓臺灣光源的運轉效益及光源品質已臻世界一流水準。然而新興科技的突飛猛進,尤其是奈米科技、生物醫學等領域,促使各國更加速發展高亮度X光光源同步加速器。而已運轉二十餘年的臺灣光源卻因受限於早期的技術,再加上可利用的出光口已用罄,在X光波段的亮度已不足以因應與日俱增的需求,面臨大幅落後國際的窘境。

為了繼續保有我國在高科技領域的優勢,以及因應我國跨領域尖端研究對高亮度 X光光源的需求,新建一座更高能量的同步加速器已是刻不容緩的事。

三十多年前,我國仍處於戒嚴時期,雖然財力、人才、技術都很匱乏,但若政府決定推動大型計畫,如能獲得學術權威者的背書與官員的支持,就可以很有效率地執行。如今時空背景已經不同於當初建造臺灣光源的時期,雖然我國在加速器光源領域的人才與技術已經有了相當的基礎,但要建造一座規格更先進的同步加速器光源仍是一個十分嚴峻的挑戰。

經費方面就是一個難關,因為每筆預算都得歷經層層關卡的審核,另外因投入這一龐大的預算而排擠到其他的研究計畫,造成其他單位的反彈與制肘。然而,在國家同步輻射研究中心團隊、國內外專家學者和政府部門的通力合作之下,終於突破重重難關,執行了「臺灣光子源(Taiwan Photon Source, TPS)同步加速器興建計畫」,啟動新建一座能量30億電子伏特、周長518公尺、超低束散度的同步加速器光源設施。

雙環奇謀

基於以下因素,國家同步輻射研究中心除了運轉並維護臺灣光源外,從民國90年初就開始規劃推動臺灣光子源的興建計畫:
  1. 過去幾年國內學術界使用臺灣光源所做的研究成果在質與量上都呈現大幅成長,並足以在各研究領域進行世界一流的實驗。
  2. 國家同步輻射研究中心已累積二十多年同步加速器光源設施領域的深厚經驗與專業技術,包括規劃設計、主導建造、系統整合、運轉維護等。
  3. 國家同步輻射研究中心擁有專業的高科技人才,已成功建造備受國際肯定的加速器超導高頻共振腔、超導磁鐵等,這也是建造先進加速器的關鍵性技術。
  4. 國家同步輻射研究中心已發展多項先進的實驗設備,可把臺灣光源既有的實驗設施轉移到臺灣光子源使用並節省經費。
  5. 世界上高亮度同步加速器光源技術已進入成熟期,是科技發展更上一層樓的最佳時機。

於是在民國94年1月把「臺灣光子源跨領域實驗設施興建計畫」提送第七次全國科學技術會議討論,會議的總結報告中把「研究臺灣光子源籌建之可行性」列為重要結論之一。

臺灣光子源興建計畫的團隊除積極進行加速器概念設計及赴國內外諮詢考察外,並舉行了多場討論會與「低束散中能量同步加速器光源論壇」,邀請國內外學者專家參與討論。同時在臺灣北中南舉辦多場說明會,廣納各界的寶貴意見做為臺灣光子源興建的參考。在彙整各方的意見後,完成了「臺灣光子源同步加速器籌建可行性研究報告」。

在獲得學術界與科技界的支持後,又經過國家科學委員會與國家同步輻射研究中心的共同努力,行政院於民國96年3月終於核准「臺灣光子源同步加速器興建計畫」,並於民國97年6月正式核定修正案,同意在原址興建臺灣光子源。

民國99年2月7日舉行「臺灣光子源興建工程」動土典禮,由當時的行政院吳敦義院長、國科會李羅權主任委員、中央研究院前院長李遠哲院士等多位首長共同主持,並邀請眾多學術科技界菁英共襄盛舉,參與這一國內科技界的一大盛事。

臺灣光子源興建計畫開始全面啟動,自民國97年起歷經7年4任中心主任(分別是梁耕三、陳建德(代理主任)、張石麟和果尚志)的領導,終於在民國103年底完成土木建築、機電工程與加速器工程,並進行加速器的試車。

同步輻射研究中心除中心主任外,另一位帶領大家攻頂的靈魂人物就是臺灣光子源計畫的總主持人,以「天龍八部」笑傲江湖的陳建德院士。這裡先介紹「天龍八部」的由來:陳建德院士在民國74年取得賓州大學博士學位後,進入美國貝爾實驗室工作,只花了一年多就建好全世界第一座高分辨率、高束流的同步輻射軟X光光束線,他為這套長達二十幾公尺的設備取名為「龍」。

「龍」光束線的命名有個小故事。世界上各知名的光束線都有專屬暱稱,由於陳院士的整座光束線很像一隻巨大的蛇,因此他屬意一些與蛇有關的名字,但都被同夥的意大利籍同事否決了。最後有人說中國皇帝穿的衣服不是都有一條五爪的龍嗎?不如就用「龍」來命名好了。第二年他就駕馭這條「龍」勇破世界紀錄,成為全球第一個看到液態氮振動能階的科學家。

而「天龍八部」後來也用以命名鎮守臺灣光源的八座光束線,分為元龍、金龍、飛龍、巨龍、顯龍、閃龍、幻龍和旋龍,提供不同形式的光給科學家進行實驗。若想了解陳院士更多有趣的傳奇,可查詢臺大校史館網站的「臺大怪才」。

在歷屆主任與臺灣光子源計畫總主持人的領軍之下,參與計畫的人員一一克服了人力、經費、工程等難題。例如在全中心都投入臺灣光子源興建計畫的同時,還必須維持現有加速器、光束線及周邊實驗設施的運轉,對用戶的服務也不能間斷,工作量因而大幅增加。然而人員的增聘受到員額限制而無法立即進行,因此人力非常吃緊,每個人都忙得不可開交。

除了兵馬短缺的窘境外,糧草也十分拮据。與情況雷同的各國際光源設施相較,如美國布魯克海汶國家實驗室的NSLS-II(30億電子伏特、周長792公尺)或瑞典光源的MAX IV(30億電子伏特、周長528公尺)的興建工程,它們的造價動輒新臺幣200億元,而臺灣光子源建造的總經費僅新臺幣70億元,不僅每筆錢都要用在刀口上,還必須藉由自行研發製作以減低經費的支出。

工程上遇到的波折也不遑多讓。例如土建工程初期,就先經歷了一場地表震動規格的震撼。部分專家引用了歐美的規格要求臺灣光子源的建造須比照辦理,殊不知歐美地處穩固的岩盤區域可以輕易達到的震動規格,對臺灣卻是困難重重,因臺灣屬海島地形又位於太平洋地震帶,尤其是在經費極為有限的情況下。經過激烈的論戰後,地表震動規格總算務實地訂為不得高於素地量測結果,避免了因規格的超高標準而無法驗收的窘境。

除此之外,軟弱的土層也是個困擾。臺灣光子源的土木工程在展開前雖然已進行地質探勘工作,但是開挖時還是意外發現了一道深寬各約10公尺、長約100公尺的軟弱土層。屋漏偏逢連夜雨,其時又逢颱風季節,頻繁的風雨使得軟弱土層無法即時進行挖除與回填的作業,在緊急徵詢專家的意見後,決定採用混凝土替代。經先行試做一區,並進行壓力測試,以確定混凝土替換區的強度比一般正常土方還高後,軟弱土層的問題總算獲得有效解決,後續再發現的軟弱土層就決定依這方式處理。

然而因處理軟弱土層使經費增加了一千多萬元,工期也增加7個月左右,這些衝擊都影響到計畫的執行。計畫主管機關國科會(現為「科技部」)不免要求檢討,但或許是溝通不足,對這個原屬土木技術範疇的問題,卻衍生成要求追究相關責任的議題,從召開這議題的學者專家審查會議、釐清地質鑽探的法律責任、追究相關人員疏失等,延燒出不少的風風雨雨。

在加速器建造方面,難題也不少。由於加速器工程須與土木工程平行進行,但中心因進行土木施工而無足夠空間可以使用,只好暫租竹東的土地做為廠房,進行加速器各子系統的組裝與測試,然後配合土木工程的進度把已完成的加速器子系統組件運回中心,進行安裝測試作業。此外,承包商工程進度的時程控管、工程材料與規格品質的把關、工程介面的協調、施工環境的監控等,大大小小的問題都考驗著臺灣光子源的計畫執行者。

臺灣光子源工作團隊終於在民國103年8月進行加速器試車作業,卻發現電子束經由線型加速器注入增能環後,一直無法順利儲存,面對這一重大挫折,試車團隊的士氣大受打擊。

但經過不斷地進行系統微調與修正,終於在12月初有了突破性的進展。12月16日下午4點傳來令人振奮的好消息,增能環電子束能量已達成30億電子伏特(3 GeV)的設計目標,且於12月29日下午電子束已順利在儲存環內繞行多圈,這象徵臺灣光子源計畫已達成重要的里程碑,即將大步繼續往前邁進。在這歷史性的時刻,大家興奮地共同舉杯慶祝,所有的挫折與委屈都在慶賀聲中淡去。

回顧這大型計畫執行期間,中心不但維持著成果產出的績效,還為計畫完成後的發展預做了安排。有鑑於臺灣光子源啟動後需要新一代的優秀研究人才,中心與國內大學合作開設了博碩士生學程,如民國93年與清華大學、中央研究院共同開設「結構生物學程」、民國96年與清華大學合作開設「先進光源學程」、民國97年與交通大學合作開設「加速器光源學程」等,藉著與教育體系結合,有計劃地訓練下一代的科研人才。

此外,為了充分發揮臺灣光子源的優異性,中心不時向國內外學者專家蒐集科學建議,積極規劃臺灣光子源周邊實驗設施。自民國100年起開始執行「臺灣光子源第一期周邊實驗設施興建計畫」,建置蛋白質微結晶學、共振軟X光散射、次微米軟X光能譜、同調X光散射、次微米X光繞射、X光奈米探測、時間同調X光繞射等7座光束線∕實驗站設施,以提供國內外用戶先進而完整的實驗平臺。

王者再臨

在先進光源的科技領域,我國憑藉自主掌握的加速器技術完成了臺灣光子源的建置,以王者之姿再次締造傲視全球的成就。臺灣光子源在設計上著重超低的電子束束散度,在系統的建造上也具有高亮度、高穩定度、高可靠度等性能,未來將成為亞洲亮度最高的同步加速器光源。

雖然我國推動興建30億電子伏特中能量同步加速器光源的時間略晚,但具備更優異的功能,得以領先全球的競爭。而且在加速器規畫時,就已考量到未來的發展、科學研究與應用需求、經濟效益等議題,並預留適當的空間及相容性以供性能提升及改進用。更希望藉這大型跨領域共用設施的完成,能開創前瞻性科學研究新契機,促使我國學術研究更臻國際頂尖水準。

在即將邁向科技新里程之際,未來仍會面臨各種不同的挑戰。臺灣光子源同步加速器完成後,預計建置三十餘座光束線及相關周邊實驗設施,預期伴隨而來的挑戰仍不會間斷,如何在執行過程中維持科學產出與中心營運績效,以及掌握臺灣光子源領先全球的競爭優勢,是所有工作團隊與光源用戶一致努力的目標。

全世界大型設備的興建大都只著重硬體建置,對後續的研究人力、設備維護未必挹注足夠的經費,往往須藉著科研社群對設備的強力需求才有機會獲得解決。然而在目前國內科研資源分配有限的大環境下,如何利用同步加速器光源設施拓展具前瞻性的科學研究領域,吸引最優秀的科學家投入,是目前必須積極規劃的工作。此外,吸引更多產業界及國際團隊前來進行實驗或建造其專屬光束線,也是有效擴大使用社群並獲得支撐的方法。

從臺灣加速器光源發展的故事,看到這塊土地上有一群勇於面對挑戰的優秀人才,他們的努力讓臺灣的加速器科技在國際間占有一席之地。利用這一頂尖的光源設施應可做出世界一流的科學成果,帶動我國科學研究的蓬勃發展,引導年輕學子投入尖端科學研究,並且協助高科技產業進行產品研發與製程優化,讓臺灣的加速器科技持續在世界發光,成為名符其實的「臺灣之光」。
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