光，是文明的起始，不同光源依其特性在人類生活中扮演不同角色。同步加速器光源自1946年被意外發現後，因其亮度高、截面積小，且波長涵蓋範圍適中，便成為尖端研究的利器。2014年底，耗費十年興建的台灣光子源成功出光，是目前環型加速器中最亮光源，全程不假他人之手，並有多項技術突破，台灣之光，當之無愧。
文／陳昊安
圖片、資料提供／國家同步輻射研究中心
光，是文明的起始，沒有光，便無法閱讀眼前這本雜誌，看不見周遭的人事物，資訊的獲取和交流將加倍困難，可想而知，光的研究與應用對人類來說是何等重要。2015年，聯合國教科文組織訂定的「國際光之年」，以提高民眾對如何運用光科學、光學和光基技術解決能源、農業等全球性挑戰的認識。
值此盛事之年，台灣竟獲得國際頂尖期刊《科學》（Science）和《自然》（Nature）專文報導，甚至登上歐洲核子研究組織（CERN）發行刊物的封面！究竟是什麼樣厲害的研究發現，可獲得世界頂尖期刊的青睞？
它是名副其實的「台灣之光」──台灣光子源（Taiwan Photon Source，TPS），又稱同步加速器光源。正確的說，它不是一項研究，反而較接近發明，其中牽涉許多複雜的構件和硬梆梆的技術，但總體概念很簡單：愈強、愈集中的光，能看到愈小的東西。
可見細微結構 應用廣泛
光是電磁波家族中的一員，不同光源依其特性在人類生活中扮演不同角色。「同步加速器光源」的波長範圍涵蓋紅外光、可見光、紫外光及X光等，因波長連續、亮度極高、截面積小等特性，尤其波長範圍數十微米至數0.01奈米的光，可透過繞射，幫助人類觀察細胞、病毒及原子等肉眼看不到的世界。
舉例來說，掌控人體眾多功能的蛋白質，其分子和細微結構均會導致功能上的差異，因此了解它的形成過程和形狀對疾病研究有相當大的助益。去（2014）年疾管署宣導推廣的流感吸入劑型藥物瑞樂沙（Renelza），便是澳洲科學家用同步加速器光源，解開了流感病毒表面蛋白的結構，發現其上的蛋白凹槽可與宿主細胞連接，以此為基礎，設計出可以阻塞此凹槽的小分子，阻止流感病毒的複製繁衍。同步加速器光源亦使阿茲海默症的研究獲得進展，在肝病、癌症、愛滋等疾病研究上均扮演重要角色。
科技應用方面，比如液晶的研究。液晶在特定材料上的排列機制一直不明，直到2001年，IBM與史丹佛大學合作，利用同步加速器光源揭開液晶排列的謎底，開啟液晶排列材料的新頁，更大、更高解析度的液晶螢幕得以問世。又好比現在設計得愈來愈精巧的積體電路，台積電也曾找上國家同步輻射研究中心，解開結構上的不明，進一步克服技術困難，避免製程上的錯誤，省下上千萬的投資成本和時間。
除了尖端科學和科技的貢獻外，也有相當有趣的應用，如：尋找巧克力最佳的口感配方、研究羊毛纖維結構並透過物理拉伸方式使其具備絲絨質感，或解析1億9,500萬年前侏儸紀各階段恐龍胚胎化石等，用途相當廣泛。
「同步加速器光源」的波長範圍涵蓋紅外光、可見光、紫外光及X光等，因波長連續、亮度極高、截面積小等特性，可幫助人類觀察細胞、病毒及原子等微觀世界。
全程台灣打造 領先國際水準
在TPS建成之前，台灣首座同步加速器光源「台灣光源」（Taiwan Light Source，TLS）已運轉22年，國內外尖端科學研究利用此設施獲致的研究成果質量大幅成長，但此光源的光波段已落後國際，中研院院士陳建德等人便向政府爭取，興建更先進、亮度更高的同步加速器光源。
陳建德將台灣光子源的興建稱為「懷胎10年的夢想」，從2005世界物理年，也是有史以來科普推廣活動最盛大的年度，計畫通過，中間歷經金融海嘯經費短缺、地層軟弱工期延宕等困難，直到2015國際光之年前夕，TPS成功出光，保住7位分項計畫負責人的性命。
在狹小的基地上，緊捱著TLS和辦公大樓，周長518.4公尺的大型甜甜圈「台灣光子源」誕生了！耗資台幣70億元，是國際標準的7成經費，人力更是不到5成，有了先前建造TLS累積的技術和經驗，加上「省錢」這項因素，這次使用的器材幾乎都是MIT（Made in Taiwan） 。陳建德院士高度肯定台灣的加工技術，也表示整個加工鏈很完整，相當有潛力，應多整合開發與技術合作，還是有些廠商願意放下近利，挑戰技術極限。
高度技術結晶 眾志成城
同步加速器光源放光的原理，是將電子加速到接近光速之後，加上磁場讓電子偏轉，沿著切線方向會發出片狀的光。電子束經過直線加速器初步加速後，進入增能環，繼續加速到接近光速，由傳輸線進入儲存環，當儲存環累積足夠的電子束後，經由各個磁鐵的導引與聚焦，電子束在偏轉磁鐵及插件磁鐵處放出光芒，經由光束線將光源引導至實驗站。
要讓放出的光愈強，除了加強電子本身攜帶的能量之外，另一個方式是增加電子偏轉的次數，把光「累積」起來，插件磁鐵中的增頻磁鐵，透過交錯的正負極排列，讓電子蛇行放光，有幾個周期，光就增強幾倍；另一種聚頻磁鐵，透過計算，能讓光波產生建設性干涉，磁鐵南北極交錯100次，光波放大10,000倍。
電子束在電子槍內產生，經直線加速器進入增能環，繼續加速到接近光速，由傳輸線導入儲存環。當儲存環累積足夠的電子束後，在各個磁鐵的導引與聚焦之下，電子束於偏轉磁鐵及插件磁鐵處放出光芒，經由光束線將光源引導至實驗站。
光的亮度也關乎集中度， 透過磁鐵導引，TPS的電子迴轉路徑誤差不超過1毫米，光束偏移不超過1 奈米。因為光束集中，所以接觸點的溫度非常高，一有不慎，物質瞬間融化，給銜接儲存環與光束線的前端區設計帶來相當大的考驗，必須製造出可承受極大熱量的各種光吸收器，並偵測光束的變化，力求穩定。
台灣光子源的每個部分都是高度技術的結晶，磁鐵的強度和磁力線都要無比精準，更重要的是如何將其整合，尤其台灣位於地震帶，穩定度和可調控性也很重要。TPS 設計了6 點支撐的高穩定性支架，並建構類神經系統的自動調校系統，龐大的磁鐵系統在半小時內可完成校準，效率之高，是非常驚人的成就。
電子在儲存環中高速運行，一旦放光便會降低能量，需由高頻系統來補充，因此高頻系統相當於加速器光源的心臟。目前TPS 正在「換心」，新的超導高頻腔以過渡金屬鈮製作，腔體浸泡在接近絕對零度（-273.15℃）的液態氦中，液態氦在閉路系統中不斷循環使用。超導高頻腔將提高系統功率，而穩定度尚待觀察。
基礎科學研究應獲重視
在眾人殷切期盼下，費時10年建成的台灣光子源，日前卻傳出因預算短缺，2016下半年將無法運轉的消息。TPS運轉1年所需電費約7千萬，不論後端的光束線和實驗室多寡皆同，目前電費已有著落，但後續建置光束線的需求卻不被當作一回事。陳建德形容：「這就像有航空母艦，卻沒有戰鬥機，無法在作戰上發揮實效。」
科學研究的競爭關乎設備，有了TPS頂多提供10年優勢；台灣產業需要升級，研發或提升效能均可借重專業，避免走冤枉路；TPS使用的各項技術也需新生代傳承。可惜台灣政府向來不重視科學基礎研究，廠商與研究中心的合作習慣也尚在養成，台灣究竟能不能把握這個光耀世界的
機會，利用此最亮光源產出最尖端的科研成果，讓我們繼續看下去。
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