科學神燈──同步輻射研究中心

童話故事阿拉丁神燈，是一盞裡面藏有精靈的寶物，他可以為主人達成任何神奇的要求，主人翁阿拉丁便因此從窮小子，搖身變為富可敵國。

有「神燈」之稱的同步輻射研究中心，位於新竹科學園區內，並與以理工科系見長的清華大學、交通大學相鄰，成。（同步輻射研究中心提供）（同步輻射研究中心提供）

在以科技產業聞名的新竹科學園區內，也有一盞「神燈」，它的光芒可望為台灣的科技發展再造奇蹟……。

這盞「神燈」還是一盞「巨燈」──它的直徑約四十公尺、圓周長達一百二十公尺。置放這盞神燈的建築物，遠望起來，有點像一座圓形的巨蛋體育館，坐落在新竹科學園區的西北角──「同步輻射研究中心」內，神燈的名字就叫做「同步輻射加速器」。

當然，它並沒有阿拉丁神燈裡的魔幻精靈。與園區內其他高獲利的半導體產業或電子公司相比，它只出帳，沒入帳，更別期望它是一隻會下金雞蛋的母雞。正經說來，同步輻射加速器是一座科學實驗器材，它的主要功用為：作為光源，提供光束，以供實驗者使用。

「在大學及研究機構裡進行的科學研究，常常會因實驗光源亮度不夠，或解析度差而無法得到明確的結果，」同步輻射研究中心主任陳建德指出，此時研究人員就可以申請使用同步輻射光源來完成決定性的實驗，沒有這項設備的國家就難以享有這樣的優勢。

同步輻射加速器輻射出的超級亮光，是人類漫長追尋「光」史上，目前找到的最強光源。

透視宇宙奧祕的強光

「光，是人類觀察及研究大自然最重要的工具，」陳建德解釋。

從生活中來看，透過太陽提供的光亮，才使我們得以看見萬物；當遠古的祖先發現火光，懂得製造燭火後，人類又得到克服黑暗的利器。

十九世紀末，拜科學進展之賜，人類對於光源的開發突飛猛進。電燈為我們提供了光度強又穩定的照明設備。

在科學研究上，對光源的開發，最大的貢獻莫過於一八九五年，德國科學家侖琴發現的Ｘ光，它讓人類得以透視肉眼看不到的、萬物的內在世界。

接著，本世紀初發現更純淨、亮度更高的雷射光，可被應用來研究、觀察更細微的氣體分子，以了解物質的微觀電子結構。

「每當有更新或更強的光源出現，就能開拓出嶄新的科學研究領域，從而導致重大的新發現，」陳建德說，同步輻射光，便被發現具有這樣的能力。

高能物理的副產品

同步輻射光的發現，其實相當偶然，它是從在物理研究領域運用廣泛的粒子加速器演化而來的。

「粒子加速器是高能物理學家專門用來尋找基本粒子的實驗器材，」當年建議政府興建同步輻射加速器的中央研究院院士袁家騮表示。他與同為物理學家的夫人吳健雄博士，早期即曾利用它來從事高能物理研究的實驗。

基本粒子，指的是物質的最基本單位。自古，科學家即不斷探究物質的組成與構造，如眾所周知，早年，自然界的物體曾被認為由分子構成；後來發現分子又由原子構成；之後更進一步解析出原子內還包含了質子、中子及電子。

至今，科學家相信物質仍可以不斷的分析下去。高能物理學家就是利用粒子加速器，用高能量、高速度的運行或撞擊之類的方式，解析或呈現出粒子的基本成份、構造、性質及其交互作用等。華裔諾貝爾獎得主丁肇中，即因此發現了Ｊ粒子，而獲得諾貝爾獎。

一九四七年，在美國通用電器公司的同步加速器上，意外發現它能輻射出如薄片般的光，這種光含有非常豐富的紅外線、可見光、紫外線以及Ｘ光；而且，輻射光的亮度比傳統的Ｘ光管或放電管所產生的光，要亮上一萬倍，任何物質、再細微的結構，在它的照射下，都能看得一清二楚。這種輻射光就被命名為「同步輻射」。

同步輻射研究中心主任陳建德，原在美國貝爾實驗室任職，曾設計出全球第一條高解析度X光同步輻射光束線「龍」，他身後就是這條從美國搬回來的「龍」。（張良綱）

它引起了好奇的科學家們的興趣。有些人開始利用高能物理實驗空檔，研究如何將加速器所發出的輻射光牽引出來，以便應用在其他科學實驗上。實驗室的小太陽

「一九七○年代，科學家們逐漸體認到，同步輻射是人類有史以來最優異的研究光源，於是紛紛開始興建專為產生同步輻射光的加速器，」同步輻射研究中心副主任梁耕三指出，因此發展出第二代同步輻射加速器。

曾在美國數個同步輻射加速器實驗室工作過的他，舉史丹福大學的實驗室為例，當時他們除了發現同步輻射光在物理研究上的價值之外，其他學科的研究人員，如化學、生物、材料、醫學等，也同時發現同步輻射對他們的幫助，而紛紛前來借用。也因此，如今同步輻射的研究範圍，幾乎涵蓋了各種學科，從基礎科學到工業應用。

譬如，最近的例子是，醫學界發現一種名為紅豆杉的植物內，含有可以殺死癌細胞的物質，但是並不清楚其機制。結果，研究者利用同步輻射光來照射、觀察，很快就找到答案：原來是該植物特有的紫杉醇成份，可以破壞癌細胞的分裂。

諾貝爾化學獎得主、中央研究院院長李遠哲，也曾在美國柏克萊大學的先進光源實驗室主持一項研究，利用同步輻射光束線，探尋氣體分子的反應過程，以期能尋找到改善空氣品質和能源使用效率的方法。

有趣的是，這個實驗設施因此改變了研究氣氛和環境。「以往的實驗室大多獨立分科，不同類別的研究員就關在自己的實驗室裡埋頭苦幹，」梁耕三說，同步輻射加速器的出現像一個小太陽般，把各類科學家都吸引過來，聚在周圍共同研究。

同步輻射光涵蓋了紅外線、 可見光、紫外線和X光，而且亮度強，是目前所能找到應用範圍最廣的光源。（同步輻射研究中心提供）（同步輻射研究中心提供）

亞洲的第一部

我國海內外的一些科學家和學者，便於此時意識到同步輻射加速器對科技發展的重要性，而開始向政府建議出資興建。

「當時是一九八二年，中央研究院院長錢思亮來到美國東岸，召集我們這些在海外的院士聚會，他提到台灣當時的科技在應用方面，如工業和企業發展得還不錯，可是，在基礎研究上還是很弱，尤其是實驗方面，就問我們有什麼意見和提議，」袁家騮回憶道，當時在座的科學家幾乎一致提議興建同步輻射加速器。

經過各方研議，及進行可行性評估之後，一九八四年一月，「同步輻射研究中心興建計畫書」正式獲得行政院通過，核准經費為十二億元，包含建造和人才培育，加速器的主要規格為十億電子伏特、環周長為九十六公尺。

科技發展一日千里，籌建的過程中，國外的加速器技術又迅速的邁進了第三代。「科學家們發現，在加速器的儲存環中加入一些設備，如插件磁鐵，並且把加速器的精密度規格提高十倍，便能將產出的同步輻射光的亮度，提高一千倍以上。」袁家騮指出，於是，歐美國家開始設計建造最新型的第三代同步輻射加速器。

這促使我們決定更改計畫，於八八年七月，提出「同步輻射研究中心興建計畫修正案」，將加速器改為第三代的規格，能量增為十三億電子伏特，經費也追加到二十五億元。

目前全世界已有七十幾座同步輻射加速器，最先進的第三代同步輻射加速器中，已興建完成、可使用的有八座。

第一座第三代同步輻射加速器於一九九二年完工啟用，它是由歐洲各國合資興建的，位於法國，能量為六十億電子伏特；次年完成的第二座，則是由美國政府出資，在加州柏克萊建造的「先進光源」，能量為十九億電子伏特。

我國的同步輻射加速器與美國的幾乎同時完成，雖然能量只有十三億電子伏特，卻是目前亞洲國家中第一座第三代的同步輻射加速器。

同步輻射光涵蓋了紅外線、 可見光、紫外線和X光，而且亮度強，是目前所能找到應用範圍最廣的光源。（同步輻射研究中心提供）（同步輻射研究中心提供）

已有超過十座同步輻射加速器的日本，剛完工啟用一座能量為世界最高、達八十億電子伏特的同步輻射加速器；韓國一座二十億電子伏特的同步輻射加速器，也已於九六年完工啟用。比Ｘ光管強一萬倍

走進同步輻射研究中心內部看，「同步輻射加速器的主要設備可分為：增能器、儲存環和光束線三大部分，」陳建德主任解釋。

它的原理是根據電磁學理論：當電子以接近光的速度飛行時，若受到磁場的作用而發生偏轉，便會在其切線方向放出極強的輻射光，這就是同步輻射光。

因此，它的運作方式，是將鎢絲加熱，產生電子，然後用增能器將電子加速到接近光速，再透過傳輸線注入儲存環中。

儲存環的功用是，將電子收集累積起來，使電子能在固定的環型軌道中運行，持續地放出穩定的同步輻射光。

在儲存環軌道裡，每一個電子偏轉的地方，可以打開一個窗口，利用導管和光學元件將同步輻射光導引出來，形成一條光束線。在光束線末端就可以建立實驗站，利用光束從事各種研究工作。

加速器的規格或功能，就是以儲存環的圓周大小、維持運行的電子能量多寡，以及提供光束線的數目等來衡量。所以，這盞圓周長達一百二十公尺的巨燈就是儲存環，從它四周拉出來的光束線，就像從燈裡散射出來的光芒一樣，只是，所有的光源都被包裹在真空管道裡，肉眼不易看到。

工業應用小組的微機械實驗室研究人員，得意地展示他們的成果：不到三年時間就研發出來的鍍金光罩。這是一種將來要運用在紡織工業上的技術，它可以抽出比蠶絲還細的人造纖維。（張良綱）

聚「光」燈

袁家騮表示，我國同步輻射加速器的儲存環，與其他國家同級的第三代同步輻射加速器比較起來，規模雖小，卻仍令國際科學界刮目相看。當時幾乎動員了國內外所有這方面的科學菁英。

譬如，當時在國內外各聘請了六位專家學者，組成指導委員會，主導計畫的評估與決策。國外的委員為：袁家騮、鄧昌黎及丁肇中、李遠哲兩位諾貝爾獎得主，以及在科學界享有盛名的吳健雄和浦大邦博士。國內委員則為李國鼎、蔣彥士、吳大猷、閻振興、錢思亮、張明哲。他們大多是理工背景出身，又在政治、經濟、學術等領域擔任高職，具有決策能力。

除此之外，還另外延聘國外專家，組成「技術評審委員會」，專門提供加速器技術方面的意見。

這兩個委員會運作至今，只是委員稍有更迭。浦大邦博士於一九八四年十二月的籌建會議上，當場心臟病發去世。有「中國居里夫人」之稱的吳健雄博士也於去年二月過世。如今年逾八旬的袁家騮博士仍常不辭辛勞，從美國來台督導同步輻射研究中心工作，以及為中心四處延攬人才。

這些專家固然是有力的「護盤」，可以直達層峰，贏得政府支持，「但他們確實也發揮了精確的評估與監督力量，」曾任東海大學教務長、現任同步輻射研究中心副主任的鄭士昶認為，這是同步輻射研究中心計畫發展順利的主因。吸引人才的磁鐵

雖然如此，實際的興建工作展開時，還是遭遇到缺乏實務人才的困境。「當時國內根本沒有同步輻射相關科系，我們在學校從來沒聽說過這種儀器，更別說興建或使用的經驗了，」同步輻射研究中心副研究員江素玉表示。

為此，除了從國外延聘，其餘便盡量就地取「才」，加以訓練。工業技術研究院、中山科學研究院、台灣大學、師範大學和清華大學的理工科人才，是投入的主力。

像江素玉當時正在清大物理系從事博士後研究，看到中心招考研究人員的消息，前去報考時，還不知道同步輻射加速器是什麼「東西」。錄取後，才被派送到美國，學習在同步輻射加速器上作研究。目前中心約有一半的研究人員是透過這種方式訓練而成。

所幸，在興建的過程中，中心已發揮了磁鐵般的功效，陸續吸引了許多海外人才回流。

研究組組長皮敦文，五年前在美國愛荷華大學物理系攻讀博士，看到國內興建同步輻射研究中心的消息，認為將來有發展的機會，就選擇學習同步輻射技術，一年後拿到學位回國，直接進入中心工作。

他還記得加速器組裝完成，啟動試車時，這群年輕的同事幾乎日夜不休的工作，解決問題，以致只花了四個月就達到水準，不少國外實驗室都來電致賀。

皮敦文解釋，一團電子要以接近光速的速度，在儲存環寬僅五微米（相當一根頭髮的五分之一）的軌道內穩定運行，真空狀況、溫度、電源供應的穩定與否……，都會影響到成果。

「國外的實驗室大多要半年以上時間，才能達到穩定度的要求，」當時還在國外工作的梁耕三，對這項成果也相當驚訝。

把「龍」搬回來

「研究人員年輕，而且很努力、很有潛力，」現任同步輻射研究中心助理主任、負責加速器運作與維修管理的薩支平，在美國勞倫斯柏克萊國家實驗室工作十八年，曾參與興建數個同步輻射加速器，兩年前他應邀來中心演講，對這群年齡層在三十到四十五歲左右的工作人員留下深刻印象。因此二年多前中心禮聘他回國工作，希望他將豐富經驗傳承時，薩支平毅然答應。

中心主任陳建德的回國，也是為人津津樂道的例子，而且，他不但人回來，還搬回來一條「龍」。

原在美國的貝爾實驗室擔任研究員的陳建德，曾設計出全球第一條高解析度Ｘ光同步輻射光束線，因為他的中國人背景，美國同事就建議將這條光束線命名為「龍」，這條「龍」的設計和技術曾被十多個國家學習、引用，因而聲名大噪。一九九六年經過協商，貝爾實驗室決定讓這條「龍」隨主人回歸本土，半買半送給台灣同步輻射研究中心。

「早年台灣的科研經費有限，只能從事理論研究，缺乏實驗設備來驗證我們的理論，所以，有需要從事實驗工作的人，大多會選擇留在美國發展，」中正大學物理系主任李文新指出，隨著國內經濟發展，政府經費比較充裕後，能夠興建大型的實驗設施，對國外人才的確能形成相當大的回流誘因。科學界的「公設」

同步輻射加速器的興建完成，固然為國人平添一項研究利器，「實驗與研究成果還是要靠人來做，國際間比的，畢竟還是研究成績，而不是加速器有多先進，」陳建德指出，這方面，國人的基礎比較薄弱。

其實，同步輻射加速器只是一項實驗工具，國際上大多的同步輻射中心只定位在提供實驗設施的角色，本身不背負科學研究的責任，可是鑑於國內目前對使用同步輻射做研究的風氣還未普及，中心便自設研究組，進行研究工作。

去年才從美國延聘回來、負責帶領研究工作的副主任梁耕三表示，同步輻射加速器就如一項科學界的共用設施，它的績效應該建立在使用的效率上，越多人使用它做研究，就越有績效。

「台灣目前使用它做研究的風氣還未普及，我們就必須多背負起帶領研究的責任，」他說。為了推廣，中心的研究人員常被派到大學院校開課，以招徠生意──吸引師生們來申請使用同步輻射做研究。

如今風氣已開，用戶往往不請自來。皮敦文指出，同步輻射明年度的申請使用時間表都排滿了。

站上世界的舞台

同步輻射加速器的實驗承載量其實還有擴展的空間。

「光束線興建的速度慢了一點，」東海大學物理系主任楊安邦認為。中心的加速器應可興建四十餘條光束線，可是目前只完成八條。「這樣的規模，國外在三年內就可以全部興建起來。」

此外，「限於能量規模比較小，只能發出真空紫外光和軟Ｘ光光束線，缺乏比較強的硬Ｘ光，」利用同步輻射做過研究的副研究員黃迪靖也指出，這對他從事的固態物理研究，有點不足。

針對此點，陳建德表示，以台灣同步輻射中心的經費與人力來看，其實光束線的興建進度並不慢；但為了配合研究者的需求，除了全力擴充、開發中心的光束線外，他已和日本洽談，共同出資興建三條台灣專屬的硬Ｘ光的光束線。

「他們的加速器能量有八十億電子伏特，全世界周長最大，能量最高的第三代同步輻射設施，可提供極強的硬Ｘ光，」他說，同步輻射加速器目前也被視為國際科學交流合作的工具，擁有國都很願意開放給其他國家的研究人員使用，以分享科學研究成果。

當然，其中也不無藉此相互觀摩、較勁的意味，就像國際間的體育競技活動，在切磋琢磨之間，互相刺激成長。而科技競賽，更關乎國力。

台灣在光鮮亮麗的科技產業後面，是否有足夠的能量持續前進，就看命脈所繫的研發能否支撐，這盞「神燈」便被這樣期許著。