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同步加速器光源–科學研究的神燈

大家或許不知道許多看似簡單的生活用品,事實上是尖端科技的產物。尖端科技的成果與我們的生活息息相關,「同步加速器光源」就是其中一個例子。
 
 
 
「同步加速器光源」產生「同步輻射」。對許多人而言,聽到「同步輻射」這個詞,大概會認為那是某種像核輻射的東西。事實上,它是一種由同步加速器光源產生的光,可用於學術研究和技術開發。確實,很多利用同步加速器光源的研究屬於學術性質,但是也有不少跟我們生活息息相關的產品和技術,在開發的過程中需要用到它。甚至可以說,沒有同步加速器光源的加持,這些產品或技術很可能會晚幾年才出現;更甚者,可能至今都無法發展出來。

同步輻射的發現

同步輻射是如何發現的?讓我們回到1929年,當時物理界最夯的課題之一是粒子加速器的發展和應用。當年勞倫斯(Ernest Lawrence)發明迴旋加速器,可以把粒子加速到很高的速度。但是這個速度還遠遠低於光速,因此稱為「非相對論的加速」。隨著科技的進步,後來的加速器讓粒子可以加速到接近光速,因而稱為「相對論的加速」。後者是高能物理實驗非常重要的工具,可以利用高速粒子的碰撞了解組成物質結構的最小單元–基本粒子。

1945年,布魯伊特(John Blewett)利用美國奇異公司的電子感應加速器發現輻射會引起電子動能的衰減。也在這一年,柏克萊輻射實驗室的麥克米蘭(Edwin McMillan)建造了第一座電子同步加速器。

1946年,奇異公司新建一座7千萬電子伏特的同步加速器供高能物理實驗用。次年波拉克(Herb Pollock)、藍慕爾(Robert Langmuir)、艾爾德(Frank Elder)、辜爾維奇(Anatole Gurewitsch)等人在操作同步加速器的過程中,意外看到在加速器的透明真空管中出現一縷藍白的光,因而發現電子加速會產生輻射,「同步輻射」的名稱因此而來。

在這發現的過程中,同步加速器優異的加速能力至關重要。因為當加速的帶電荷粒子的速度遠小於光速時,放出的電磁波分布和大哥大手機發出的輻射類似,較無方向性,也較難發現。當粒子的速度接近光速時,放出的電磁波會集中在沿粒子運動軌跡的切線方向,張角的大小則和粒子的動能成反比。

如此,帶電粒子的速度越接近光速,輻射就越集中,這時發出的電磁波就涵蓋了紅外光、可見光、紫外光、低能量的軟X光、高能量的硬X光和伽瑪射線,並具有高準直度、高亮度(低發射度)、具脈衝式時間結構、偏振選擇性,以及輻射強度和功率都可由電磁學的計算預測等特性。

同步加速器

要產生同步輻射,同步加速器是不可或缺的。同步加速器的基本原理是:由粒子產生器如電子槍產生帶電荷的粒子,然後先利用直線加速器加速到數千萬電子伏特,再利用高頻電磁鐵對運動中的粒子施加一個向心力,使粒子作圓周運動;同時加速粒子使它接近光速,帶電荷的粒子的能量可達10億電子伏特。

為了保持這粒子的運動半徑不變,高頻電磁鐵的頻率和粒子運轉頻率成倍數關係,即兩者保持「同步互動」,因此稱為「同步加速器」。粒子在加速中放出電磁波時會喪失部分的動能,為了使它的運動軌跡不變,必須利用一高頻共振腔來補充耗損的能量。

因此,以電子為例,一個同步加速器至少需包含電子槍、直線加速器、磁鐵和高頻共振腔。其中磁鐵的部分必須包括偏轉用的二極磁鐵,以及修正電子色散的聚焦或散焦的四極和六極磁鐵。另外,還必須有超高真空的環境使電子可順利加速。產生的同步輻射則由二極磁鐵的切線方向引出,以供實驗研究用。

在實作上,一般會用兩個加速器來達到同步輻射的目的。第一個加速器把粒子加速到一定的速度,也就是讓粒子達到特定的動能,因此稱為「增能環」。這些特定動能的粒子會被送進第二個加速器,它的目的是維持粒子的動能,不再另外加速,相當於把這些粒子「儲存」起來,因此稱為「儲存環」,它是主要的同步輻射來源。

為了提供更高品質的同步加速器光源,同步加速器的改進自上個世紀的40年代起就沒有停止過。同步加速器的發展,依年代和特質可分為5個世代。自1945年開始是初始代,是電子的同步加速器,主要是為高能物理實驗而設計的,當時認為同步輻射是「討厭的」廢物,因為會使能量損失。20年後,一些物理和化學科學家想到為什麼不利用這些高能實驗不用的電磁波做為光源進行實驗?這是第一代的同步輻射,當時的實驗僅能寄生在高能實驗之下。

後來,科學家逐漸體認到同步輻射有它的優異性,於是在1980年代發展出專門為產生同步輻射光的第二代同步加速器,它的儲存環包含直線段,並可放置增頻和聚頻插件磁鐵。粒子在增頻和聚頻磁鐵中行進時,軌跡是以左右振盪的方式呈現。粒子在增頻磁鐵的振盪周期長,發出的電磁波能量高,但無相干性;在聚頻磁鐵中的振盪周期短,輻射的電磁波僅在特定的光譜區間,相干性佳,亮度高。這些插件的發明,令同步輻射有了更廣泛和多樣化的應用。

1990年代又發展出多長直段、多插件磁鐵的儲存環,這是第三代同步加速器,電磁波的亮度顯著提高。2000年代發展的第四代,是以直線加速器為主的「自由電子雷射」和能量回復的直線加速器。電磁波的脈衝寬度可小至1~10飛秒(1飛秒是千萬億分之一秒),可用來研究物質的動態結構。

臺灣光源

我國目前現有的「臺灣光源」(Taiwan Light Source, TLS),是亞洲第一部第三代同步加速器光源,於1986年開始興建,1993年完工啟用。它的電子能量是15億電子伏特,周長120公尺;運作方式是由電子槍產生電子,經直線加速器加速後進入增能環,再經傳輸線以全能量注入儲存環。電子在環中經過偏轉磁鐵或插件磁鐵時會產生同步輻射,經過光束線導引到實驗站,研究人員便可使用光源進行實驗。

儲存環呈正6邊形,有6個長直段,其中傳輸線和高頻共振腔用去了2個長直段,其餘4個則用來安置插件磁鐵。後來因為高能量X光的用戶需求增大,所以在高頻共振腔的長直段和其他長直段的交接處另裝設了5具插件磁鐵,因此是插件磁鐵密度相當高的第三代同步加速器光源。

目前臺灣光源共有27條光束線,其中2條在日本的同步輻射設施SPring-8內,大家可依需求在不同的光束線實驗站進行實驗和研究。

同步加速器的應用

由於同步加速器提供的電磁波具有優異的特性,可以應用在物理、化學、材料、化工、機械、生醫等領域。舉例來說,利用同步加速器光源決定核醣體的原子結構,就是一項有名的科學研究。核醣體是蛋白質的製造工廠,拉馬克里希南(Venkatraman Ramakrishnan)、 湯馬斯施泰茨(Thomas A. Steitz)和艾達尤納斯(Ada E. Yonath)3個研究團隊歷經多年努力,利用同步輻射X光進行繞射實驗,終於把這一和生命相關的重要結構決定出來,他們3位也因而獲頒2009年諾貝爾化學獎。

其他利用同步加速器光源的實驗技術,包括散射/繞射、光譜、影像、微機電製作等。如以電磁波的波長細分,則包含:利用X光繞射及結晶學探究物質的原子結構;利用X光共振繞射、X光非彈性共振散射、光電子能譜和紫外光吸收光譜研究物質的電子結構;利用紅外光電子和X光顯微術研究物質塊材、薄膜、表面的奈米結構;利用超短真空紫外光、軟X光製造微結構等。

另外,加速器光源的時間結構則有助於在秒、毫秒、微秒、奈秒、皮秒的時間尺度內,觀察物質結構的動態變化、相變化、化學反應和暫態結構的形成機制。

利用同步加速器光源所得到的研究成果有很多的應用,其中一個例子是流行性感冒藥「瑞樂沙」的發明。澳洲科學家用同步加速器光源決定出流感病毒的表面蛋白結構,發現這個蛋白利用一個凹槽跟宿主細胞對接。以這為基礎,他們成功設計出一個可以「塞住」這個凹槽的小分子,也就是現在廣泛使用的「瑞樂沙」感冒藥。除了流行性感冒藥的研發外,同步加速器光源在癌症、愛滋病、肝病等疾病的研究上也扮演著重要的角色。

我們的日常生活也受惠於同步加速器光源,最有趣的應用大概是利用同步加速器光源尋找巧克力的最佳口感配方。巧克力在冷卻成型的過程中可以形成多種微結構,這些微結構能互相轉換,而有些結構會讓巧克力變苦或變脆。巧克力的口感不能太苦或太脆,因此成型過程中溫度的控管非常重要。英國和荷蘭的科學家利用同步加速器光源觀察溫度對巧克力微結構的影響,從而尋求最佳的控溫過程。

同步加速器光源也應用在紡織業中,澳洲科學家利用同步加速器光源研究羊毛纖維的結構,並開發出Optim系列的拉伸羊毛纖維。這種利用物理方式拉長的羊毛纖維有絲絨的質感,大大提升了羊毛的附加價值。

現代人不可或缺的眾多3C產品,也得益於同步加速器光源。在液晶螢幕的生產過程中,如何決定液晶的排列至關重要。但是液晶在特定材料上的排列機制一直是一個謎,直到2001年IBM和史丹佛大學合作,利用同步加速器光源才解開液晶排列的謎底。這項發現導致了新的液晶排列材料的開發,使得更大和更高解析度的液晶螢幕得以問世。

同步加速器的發展

由於同步加速器光源在基礎科學、尖端科技、產業應用上有非常廣泛而無法取代的特性,又可供非常多的用戶同時使用,興建同步加速器以提升國家的競爭力變成時代的潮流。自1970年代起至今,全世界已有66座同步加速器,另外還有11座正在興建或規劃設計中。

自2000年起,由於加速器技術的進步,約30億電子伏特的中能量同步加速器所提供的光源的優異特性,已不下於以往七、八十億電子伏特的高能量加速器,加以造價較便宜,是非常經濟實惠的投資。世界各國,包括發展中國家,因而紛紛投入經費進行設計規畫或積極興建。

目前已完成的中能量同步加速器,有瑞士光源(SLS)、英國Diamond光源、法國Soleil光源、西班牙ALBA光源、中國大陸上海光源(SSRF)和韓國浦項光源Ⅱ(PLS-II)。美國、瑞典、中東等地也在興建中。

我國也於2010年開始在新竹科學園區興建能量30億電子伏特,周長518公尺的「臺灣光子源」(Taiwan Photon Source, TPS),預計2014年完工啟用,將是我國規模最大的跨領域共用研究平臺。它所提供的先進高亮度光源,可開創嶄新的實驗技術,拓展科學研究領域,並帶動我國在科學研究上的蓬勃發展。

「光」是人類用來觀察宇宙萬物的工具,可大至銀河星系,小至分子、原子的細微結構。加速器光源特殊的波長範圍、脈衝結構和亮度,是研究細微結構和現象的最佳利器。它開闊了我們的視野,照亮了奈微尺度或更小的微觀世界,因而促進了人類的科技發展和民生福祉。隨著更強、更亮、更穩定的同步加速器光源的出現,我們對物質的特性可以有更深入的了解,進而帶給我們更多的科技創新和生活便利。
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