█ 同步輻射加速器簡介
文、圖◎林明泉博士
自從人類發明放大鏡、懂得利用光學元件觀察物體的微細之處後，對物質的微觀世界的了解越多，就想觀察的更仔細。進一步組合各種光學透鏡、發明光學顯微鏡不說，連電子顯微鏡都做了出來。但要說到目前科技所能達到的極致顯微鏡，就是以粒子加速器將帶電粒子加速到極高能量後，利用其物理特性發射出同步輻射光所能提供的亮度最高、解析度最好，成為科學研究的一大利器。目前發展中、更新式的光源是自由電子雷射，同樣也是利用高能量的粒子加速器來產生光子，其雖能提供更好的時間解析度與光學解析度，但基本上同一時間只能提供一位用戶使用，在效益上較差。因此在本文中僅針對同步輻射光源加速器進行特性介紹，夾雜個人的想像與譬喻，讓系友們可以大致了解這科學神燈的基本原理，不是硬梆梆的正式學術文章，有些內容一笑置之即可。如果系友們對同步輻射光源有更高的興趣，也可以進入我們臺灣的國家同步輻射中心網頁(http://www.nsrrc.org.tw/chinese/lightsource.aspx#devices)瀏覽，裡面有更多圖文並茂的專業介紹，並提供國際上其他主要加速器的網站連結。
█ 何謂同步輻射光與同步輻射的發光機制?
同步輻射是如何被發現的呢?就像其他許多偉大的物理定律，都是無意之中被觀測到，然後才有天縱英明的物理學家去推敲出其物理機制；接著有腦筋動得快的學者發現其妙用，一陣推波助瀾後，再由一堆物理學家與工程師共同合作，一步一步推升其效能，吸引更多人來使用；然後這些不知足的用戶們會提出更多功能需求，逼著物理學家與工程師們再進一步推升加速器效能，如此循環不已。
話說1940年代，美國奇異公司的幾位科學家，在利用同步迴旋加速器進行粒子物理研究時，無意中發現有亮光從同步迴旋加速器中發射出來。按理說，同步迴旋加速器中的粒子能量相當地高，同步迴旋加速器應該整個被包得密密麻麻，還放在輻射防護牆內，運轉中人員不得靠近的，怎麼還會有人可以看到這光呢? 不過反正是有人看到那道光了，還發了一篇萬世流芳的學術論文；這個故事似乎暗示我們，要有前途就要夠調皮，不然就是要心思細密、知道要在出口處架個攝影機保密防諜兼偷拍，但這屬於哲理層面，不在此再做討論。言歸正傳，因為這光是由同步迴旋加速器中輻射出來的，發現者就將這種光命名為同步輻射光。
在這篇論文發表後眾多物理學家們一陣譁然，搞實驗的各自衝回自家的加速器老巢挖了些洞，驗證過真的有光從同步迴旋加速器中透出來後，就很習慣成自然地仔細的去量測光子與粒子的物理特性、轉彎半徑等物理量後，推敲出彼此間的相關性，建立一套計算公式；搞理論的埋頭苦思，證明高能粒子在轉彎時就會沿著切線方向發射出同步輻射光，並推敲出這些光應有的特性；這下理論和實驗數據都有了，一個偉大的時代於焉展開。為了易於理解，大家可以將這些高能粒子想像是載滿大大小小包裹的敞篷跑車，在飆速前進時來個急轉彎，就有大小不一的包裹會沿著切線被拋飛出去。不過請務必理解一下，光其實就是電磁波，人眼看的到的就叫可見光，其他紅外線、紫外線、X光等波長太長或太短的電磁波，人眼是看不見的。而同步輻射光的波段，隨著粒子的能量高低與轉彎半徑的不同，這些看的見與看不見的波段都可以產生就是了。
█ 同步輻射在台灣的發展
第一代的同步輻射光源就像是依附在加速器的寄生蟲，那時的加速器都是拿來做對撞機用的，利用同步輻射光作研究的物理學家和化學家們只能插空檔使用，同步輻射光就只是個加速器的附屬產品。但這同步輻射光的特性對科學研究真是好用極了，用它來做研究的學者們嘗到甜頭後就大力鼓吹，促使物理學家與工程師們共同打造出專用的同步輻射加速器。其基本原理很簡單，將電子先用陰極射線管強拉出來，接著用一段好幾公尺長的直線加速器將電子能量提升至數百萬或數千萬電子伏特後，再引入增能環繞圈圈，電子每繞一圈就會由微波系統得到一些能量而加速一些；等電子達到幾十億電子伏特的設定能量後，再引入儲存環繞圈圈，這時就邊繞圈圈邊放出同步輻射光給用戶使用；而因為放出輻射光而損失的能量，同樣由建造在儲存環特定位置的微波系統給予補充，以維持其能量不變。電子持續繞圈圈運轉但不對撞，沿著電子儲存環可以拉出好多條光束線、將同步輻射光導引到各實驗站給許多用戶同時使用，整體科學產出自然大增，同步輻射在學界的位階就此大躍進到另一個層次。
這時要插一下話，電子雖然很小很小顆、靜止質量也很小，但在被加速到很高的能量時會因為質能互換原理而變重很多。即使如此，如果讓它在空氣中高速飛翔，很容易在撞到氣體分子時還是會就稍微彈開而偏離軌道，就好像在狹小的單行道飆車中的敞篷車撞到龜速前進的腳踏車一樣，還是會往旁邊偏一下、然後去撞護欄。因此在整個加速器，從源頭開始，要給高能電子走的軌道都要盡量是超高真空環境，才能降低碰撞機率、提高電子的存活率。可是要達到超高真空很難呀，工程師們就應用一節一節的金屬管串出給電子走的真空腔軌道，再用各式各樣的幫浦拼命抽氣，最好的真空總算可以達到大氣環境的十的13次方分之一! 聽起來很棒棒，但請回想一下國中物理，標準狀態下、一公升的體積內會有多少氣體分子，然後您就會發現殘存的氣體分子還是多到不行! (不會算的人請自行複習國中課本!) 但這已經是到目前工藝極限了，沒轍了，就將就著用吧。
下一個問題是以光速直直往前衝的電子要怎麼讓它轉彎呀? 還是再回到國中物理就行了，給一個上下方向的磁場、電子就會水平轉彎啦。(看不懂的人請查閱國中的自然課本或請問谷大神，複習一下夫萊明左手定則。) 於是工程師們又在真空腔的上下層用線圈繞出N、S極的電磁鐵，再用高精度的直流電源供應器通電產生高精度的高強度磁場，電子通過時就乖乖轉彎、沿著真空腔繞圈圈去了。
既然一切都以國中物理就能理解，臺灣當然也能自己蓋一個同步輻射光源囉。在1980年代，中央政府在被一群國內外的華人物理學家不斷騷擾下，終於一次撥足五年額度的一大筆經費，成立直轄於行政院的同步輻射研究中心籌建處，更請出陳履安先生擔任籌建處主任，卯足了勁開始興建亞洲第一座的第三代的同步輻射光源。第三代喲!不是剛剛講的第二代喲! 第三代是在轉彎段之外，多加了幾個直線段，在這些直線段上安裝了插件磁鐵，給電子束提供了一個在空間上N極、S極快速交變的磁場，電子通過時就被快速的扭過來、轉過去；之前有提過，高能電子轉彎時會放出同步輻射光，所以讓電子在這直線段扭個幾十次，發出的光亮度不就提高幾十倍了嗎! 而且不同的磁場強度還能發出不同波段的光呢。如果這些光可以建設性的干涉方式累加，更可以達到上千倍的亮度提升!
一群還有雄心壯志、埋頭苦幹的前輩們，就克服各種技術困難，在1993年完成了臺灣光源(Taiwan Light Source)的加速器建造，當時可是全亞洲第一座建造完成的第三代同步輻射光源耶! 臺灣光源的電子儲存環周長約120公尺，有六個直線段，運行的電子能量當時是13億電子伏特，幾年後提升到15億電子伏特，儲存電流也從200毫安培提升到360毫安培。雖然有六個直線段，但其中一段是用來從增能環引進電子的注射段、一段則用來安裝高頻微波系統，所以初期只能安裝四座插件磁鐵。可是第三代同步輻射光源的最大賣點就是由插件磁鐵所發出的高亮度同步輻射光，為了發揮最大功效，在1990年代由美返臺的陳建德主任積極主導下，引進超導磁鐵技術，利用其體積小、磁場強的特性，硬是各在注射段和高頻段的下游、及其他三個彎段中間又各塞進了超導插件磁鐵，將插件磁鐵總數增加到9座，成為全球插件磁鐵密度最高的光源! 與此同時也將傳統的水冷式高頻共振腔換成了超導高頻共振腔，開啟了全球後續多個新建同步輻射光源採用超導高頻共振腔的新風氣。
隨著行政院同步輻射研究中心籌建處改制為財團法人國家同步輻射研究中心，臺灣光源的加速器發展也飽和了，幾乎每年度都提供超過5000小時的運轉時數給用戶使用，用戶要24小時排班使用同步輻射光做研究，負責運轉維護加速器的工作人員也要24小時待命、隨時進行緊急維修。但時代在進步，臺灣光源的效能逐漸顯得不足，於是加速器部門的專家們開始進行新的加速器規劃設計。在政府提撥經費支持下，臺灣光子源(Taiwan Photon Source)建造計畫於2010年正式動土，緊鄰著維持正常運轉的臺灣光源，就這麼大肆開挖，半藏於新竹科學園區最高點的地底下的臺灣光子源，逐漸成形。
臺灣光子源被打造成最成熟的第三代同步輻射光源，其電子儲存環周長約518公尺，有24個直線段，運行的電子能量為30億電子伏特，2014年試車成功、發出第一道同步輻射光，2015年達到500毫安培的儲存電流設計目標，2016年正式開放用戶使用。目前依照用戶各種刁鑽的科學實驗需求，仍在陸續建置安裝插件磁鐵、建造光束線之中。
雖然只要用到國中物理的知識就可以大致理解同步輻射加速器的基本原理，但從原理落實到實體加速器，其實是很困難的。以光速前進的電子要轉彎的剛剛好，不容易呀。有碰過單眼相機或天文望遠鏡的系友們，應該也知道這些由一系列透鏡組成的光學設備就貴在要達到低色散的要求。而一堆高能量電子在儲存環中運轉的時候，不可能所有的電子都飛在標準軌道正中心，因此除了轉彎磁鐵外，電子儲存環中還安裝了許多四極磁鐵與六級磁鐵，作用就像光學裡的凸透鏡與凹透鏡，讓電子團持續進行聚焦與散焦的運動，以維持整體射束動力孔徑的最小化，保持電子團能盡量集中在標準軌道中心附近飛行，不至於四散而去。這種各式磁鐵的配置，有個專有名稱叫做磁格，磁格設計要夠好，電子團才會飛行順暢又集中，存活的久又發出高亮度的同步輻射光。
█ 機械工程師在同步輻射光源的貢獻
從物理學家的發想，工程師們是真正實現同步輻射光源的重要推手，而其中機械工程師所佔的比例，可能遠超過一般大眾的認知。舉例來說，電磁鐵要繞線圈，乍聽之下既然是和電有關，應該是電子、電機的工作吧；實務上呢，臺灣光子源用了上千顆、各式各樣的電磁鐵，這是大量製造的事，尤其電磁鐵的支撐結構又要能承受磁力的負載，機械工程師們自然要投入設計、製造與品質管控。形成電子環繞軌道、穿過各式磁鐵中心的真空金屬管，當然也是機械工程師要去設計、製造、清洗、組裝；磁鐵與真空管不會自己懸空浮著，到地面之間的支撐結構，當然也是機械工程師責無旁貸的任務了。
一般廠務所說的水電氣，這些在同步輻射的運作中一樣也少不了，其中冷卻水系統、空調系統、維持各式氣動閥運作的高壓空氣等、也是機械工程師要負責的；尤其在提供高穩定度光源的要求下，為了降低結構物熱變形的影響，冷卻水的溫度飄移要小於0.1度、氣溫飄移要小於0.5度、甚至某些區要小於0.2度，這些高難度的挑戰也是機械工程師的事。超導共振腔和超導磁鐵都要用到液態氦和液態氮，這些低溫設備和低熱損傳輸管路也是機械工程師在負責的。避震設施和微震機構、精密量測和定位、光子屏蔽元件等等許許多多想的到、想不到的任務，都是機械工程師們要負責的。
以我個人而言，研究所唸的是機械所固體力學組，專長是彈塑性結構穩定學；拿到學位後在國家同步輻射研究中心已經工作超過二十年，曾經參與過插件磁鐵的結構設計、傳統室溫共振腔的結構設計、共振腔冷卻水道優化與溫度控制、真空測漏、液態氦系統設計、低溫傳輸管路設計、超導共振腔的微波-結構耦合計算、超導共振腔模組在無塵室內的組裝、新式超導共振腔研發等等各式與機械工程相關的工作，內容早就不限於固體力學。基本上，機械工程師要與物理學家、電機工程師、電子工程師、化學工程師等各式各樣的專業人員和行政人員一起通力合作，才能一步一步推升同步輻射加速器的性能，提供用戶們高穩定度、高亮度的光源，為科學研究與產業應用提供最好的工具。同步輻射加速器要成功運轉其實需要有極高的科學與製造工藝在背後支撐，可說是一個國家成為已開發國家的重要表徵，而很多現今在其他領域大放光彩的科技，最初都是因為加速器有此需求而發展出來的，後續才推廣到其他應用上。在加速器效能不斷提升的過程中，遇到的瓶頸，有許多都是卡在機械相關的問題上，譬如熱量帶不走、低溫元件在降溫後如何避免真空介面漏氣、受力後結構變形量無法控制在一定範圍內等等。所以機械工程一直是同步輻射加速器運作上最大的痛，也有待系友們發揮巧思加以解決。 
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作者介紹:
林明泉博士
現任職於國家同步輻射研究中心 光源組大組長
1989 臺灣大學機械工程學士
1995 清華大學動機所博士
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