世界最亮台灣光子源

台灣之光

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【摘要2015.5.22.聯合報】想一下，近年會讓你感到熱血沸騰澎湃的台灣之光是誰？你聽過「台灣光子源」（Taiwan Photon Source，TPS）嗎？它是台灣最新建成、完全百分之百MIT的同步輻射加速器！也是今年國際上討論很夯的「新，台灣之光」。

今年是聯合國教科文組織訂定的「國際光之年」，紀念人類一千年來看光、用光、研究光的歷史。1015年，阿拉伯學者伊本海瑟姆發表首篇光學研究文「光學之書」，距離今天，1000年。1815年，法國物理學家菲涅耳提出光的波動性，距離今天，200年。1905年，愛因斯坦提出光電效應理論，距離今天，100年。2015年，台灣光子源同步輻射加速器試車成功出光，將成為世界上最亮的同步輻射光源。

今年初，光子源出光後五天，國際頂尖期刊「科學」（Science）就搶先報導台灣光子源；這個月，另一頂尖期刊「自然」（Nature）旗下的「自然光子學」（Nature Photonics），也以專文介紹台灣光子源。對學術研究有些認識的人知道，研究論文要能上Nature和Science有多困難，若被刊出就該舉國歡騰、買三車鞭炮回家放個三天三夜了，何況是兩本期刊都上！

上個月，歐洲核子研究組織（CERN）四月號，竟用封面故事和專文介紹台灣光子源，標題為「First Light of TPS」，上頭一張大大的空拍照片，裡面有一大一小的甜甜圈建築，灰色的大甜甜圈，就是台灣光子源。雖然台灣不是聯合國會員國，但卻因為台灣光子源而備受國際矚目，搶到了光之年的頭香。

CERN，就是那個擁有地表最大、橫跨瑞士與法國、能量最高的粒子加速器「大強子對撞機」的那個CERN啊！就是搖滾天團五月天，在諾亞方舟演唱會的電影裡面，讓阿信、怪獸、石頭、瑪莎、冠佑進行時光旅行回到過去的那個大強子對撞機嘛…

台灣光子源，就是和大強子對撞機很像的粒子加速器，只不過它加速的是「電子」，讓電子們在灰色甜甜圈裡不斷跑500公尺（精確來說一圈是518公尺），跑個10萬圈，電子們就會被加速到接近光速，這時根據愛因斯坦的光電效應，這群電子只要一轉彎，就會放出亮度極高又集中的光。

因此，它才叫做同步（電子們一起跑跑跑）輻射（放出光）加速器（加速電子），可發出的光，包括紅外線、可見光、紫外線、軟X光、硬X光等不同波段的光。但同步輻射加速器，聽起來實在跟發出亮光沒啥關係，還老被人誤會是核反應器什麼的，所以科學家們喜歡戲稱它為「科學神燈」。

因為光又強又集中，同步輻射加速器可以用來「看平常看不到、量平常量不到」的東西，例如越做越小的晶片、細微的蛋白質結晶等，因此對半導體、生技製藥和材料等研究，都是相當重要的工具。

其也可用來研究遠在天邊的星星怎麼形成，或是古老久遠的恐龍蛋化石，裡面胚胎到底長啥樣，甚至看穿達文西如何用四十層超薄油彩，打造蒙娜麗莎完美的朦朧微笑、看破古埃及商人原來也黑心，在製造木乃伊時塞入雜草石頭造假充數…

1993年的時候，我國已經有個「台灣光源」（TLS），周長120公尺、電子能量15億電子伏特，就是前面照片裡的小甜甜圈，當時是委託國外幫我們蓋的。

新的「台灣光子源」加速器，周長518公尺，如果拉直比101大樓還高出10公尺，電子能量也增為TLS的兩倍，為30億電子伏特。而且，這是台灣第一次自己蓋的同步輻射加速器。決定要挑戰自建同步輻射加速器這個「不可能的任務」的，是光子源總計畫主持人、中研院院士陳建德。

2004年，舊的TLS在光強度上已經不敷科學家研究使用，紛紛提出要求建造更亮、光更集中的硬X光光源。陳建德則提出「那我們自己蓋一個吧！」，因為他有個夢想：「我要這塊土地上的科學家，用這土地創造出來的設施，做出世人景仰、對人類有重大影響的科學發現！」

陳建德說，平均每三年，諾貝爾獎就會頒給用同步輻射做的相關研究，但要做頂尖研究，「你如果去跟其他國家借加速器來用，人家只肯借你用一點，怎麼做研究？如果我們要和世界在平等的地位競爭，台灣怎能沒有自己做的加速器？」

「要填飽肚子，經濟發展當然重要，但要讓世界看見你，從來都是靠科學、教育和文化，我希望，可以再一次把台灣推上國際舞台！」於是2007年，政府通過70億的台灣光子源建造預算，2010年，同步輻射中心動土施工。不知是否與天方夜譚為巧合，科學神燈從開工到完工，正好花了1001個漫漫長夜。

由於沒人蓋過同步輻射加速器，所以一開始很多人都不看好陳建德的狂想，認為台灣絕對做不到自建，且事實上，在一開工沒多久，團隊就碰上大麻煩，光子源預定地竟是軟弱地層。

土木工程負責人王昭平說，光子源的基地在小山坡上，以前是新兵訓練中心，過去有條山溝，後來被填入鬆軟廢土，變成軟弱地層；團隊一開始探勘地形時並無發現，直到一次颱風大雨，工程師才發現此問題，最後靠填入水泥解決。

處理完地質問題，工程師還要面臨震動的挑戰，王昭平表示，加速器很敏感、怕震動，但光子源基地旁就是新竹科學園區，每天大量的車子來來去去，加上台灣又在地震帶上，都是威脅。

若要達到美國標準「震動是環境背景值的１／１０」，王昭平說，唯一的作法是挖一、兩百公尺深的地底隧道，但每下挖一公尺，就要好幾千萬，實在沒有那個預算執行，因此團隊考慮很久，決定稍微妥協，震動只要比背景值低就好。

另一個挑戰是安裝加速環。由於光子源基地狹小，基本上是捱著舊的台灣光源和本來就坐落在上方的行政大樓所蓋的，因此牆邊幾乎都是現有建物，無法透過側邊開大門，讓大型部件如幾噸重的磁鐵進入。

因此團隊將光子源的屋頂作為可開式，再出動天車，將磁鐵部件一個個從空中吊入加速環，然而這些大設備的安裝位置，僅容許幾毫米誤差，足見其困難。而基地狹小也意味著，很多設備如磁鐵（負責讓光再更亮的關鍵角色）、精密儀器無法就地建造，需要在其他地方做好後，再運回基地安裝，但加速器工程負責人陳俊榮說，這些嬌貴的精密儀器哪堪貨車運輸震動，一路顛簸回去，只怕校調好的部分都歪了。

所以，團隊只好避開交通尖峰時間，趁半夜無人慢慢搬，他們要求載運貨車的時速必須低於十公里，平常開十分鐘的路，變成一個小時才走得完，且前方還要有前導車幫忙開路，就這樣一路「龜」著，來回上百趟，才把所有部件安全運抵基地。

講到磁鐵，就非要提一下台灣和美國的搶資源大戰，陳俊榮說，當時除了我們，美國紐約長島也在蓋類似的同步輻射加速器，雙方力拼要成為世界最亮光源。

然而英雄所見略同，台、美皆找上紐西蘭一家磁鐵廠商做磁鐵。不幸地，美國搶到大部分出貨優先權，但我方不甘示弱，竟派駐兩個工作人員，到遠在紐西蘭的磁鐵製造廠「盯梢」整整兩年，確定廠商有如期完成台灣的貨，且做好一個磁鐵，就現場測試確保品質沒問題，才送回台灣。

後來長島的加速器雖仍比台灣早一年建好出光，但台灣設計、製造的磁鐵性能更優，因此仍將拔得世界最亮同步輻射加速器頭籌，讓長島團隊相當扼腕。

至於最驚險的危機，莫過於去年八月試車時，電子無法加速到目標能量的鬼打牆問題。去年八月，光子源完工準備試車，看打出來的電子束是否能加足能量，在增能環中繞行10萬圈以達標放光，測試現場眾人既興奮又緊張地期待著，沒想到電子束卻只跑3萬5千圈就撞牆消散了，屢試不爽。

眾人遍尋不著原因，國外專家來看也看不出來，試車陷入泥淖中，一晃就是兩個多月。那陣子團隊氣氛很差，因為13個子系統個個是嫌犯，大家彼此懷疑是誰出包，作為加速器設計負責人，郭錦城博士更是挫折，他說系統部件安裝都正確，但結果卻完全不符當初理論計算，很多人都質疑他。

距離科技部給的完工期限12月卅31日剩不到兩個月，一晚計畫總主持人陳建德和其他6個子項負責人商討，說「如果光子源真的失敗，不該讓努力十年的同仁們承擔，就我們七人負責吧！每人一條白綾，到新竹東門城上自我了斷」，言下之意已沒有退路，只能成功、不准失敗。

一天奇蹟發生了，郭錦城說，磁鐵小組一位年輕人詹智全突發奇想，拿了顆鈕釦大小的超強磁鐵，試著吸吸看真空腔，沒想到由不銹鋼打造、不該有磁力的真空腔，竟被吸住了，這才找到卡關原因。

團隊立刻將真空腔送去高溫爐去磁性，之後再試車，電子順利加速到標準，並成功趕在元旦前夕出光，眾人終可過好年，中心後來還頒給詹智全特別貢獻獎，感謝他保住7條人命和世界最亮神燈。但團隊大概沒想到，真正的「大魔王」並不是在建造時出現，而是完工、成功出光後…

世界最亮神燈，前途因經費不足，而一片黯淡。這座傲視國際的台灣光子源，因為政府財政困難，面臨預算被刪減、明年運轉預算短缺一億多元，別說建置光束線實驗站，也付不出後半年的運轉電費。

光束線是負責將同步附設加速器產生的光，引導出來到實驗站給科學家使用的設備，光子源一共可以安裝40條光束線，第一期新的7條光束線已經到位，第二期同步輻射中心希望將TLS的18條舊光束線搬遷過來，但這得耗時七年、共28億元的經費，其督導單位科技部並無餘裕支付。

但問題癥結在於，加速器一旦運轉，電費就是固定的支出，不會因為接出來的光束線多寡而有不同，因此加裝越多條光束線使用，電費越划算；就像冰箱，有沒有冰東西都要耗電，因此冰越多、越划算。

沒有電費、沒有光束線，光子源就像有航空母艦，卻沒有戰鬥機一樣打不了仗，同步輻射中心主任果尚志難過地說，同輻加速器是國力象徵，歐美日等先進國家都競逐打造，我國若不把握五到十年的領先期，吸引各國頂尖科學家駐站研究，燈再神再亮，也是枉然。「我們一輩子就等這個機會讓台灣閃耀，你不自己點火，沒人會替你發亮！」果尚志說。

陳建德則感嘆，十年來，歷經政黨輪替、金融海嘯和通膨難關，光子源都挺過而順利完工，現卻因運轉經費不夠恐成「棄嬰」，他不解地問，明年科技預算增長3%，為何無法支持光子源，「我們養得起幾十億的花博、世大運，卻養不起僅需兩、三億的光子源嗎？」

國科會前副主委牟中原、中研院院士王惠鈞、物理學會理事長高甫仁等學者皆憂心，要求政府須有長遠眼光，別讓台灣之光荒廢。

科技部次長林一平說，已盡力奔走替光子源挪出一億元預算，但無法再挪出一億元。請國家好好思考，是否要讓這盞「台灣之光」功敗垂成？