台灣光子源同步加速器之現況與應用

 

一、台灣光子源簡介：

我國首座同步加速器光源座落於國家同步輻射研究中心(National Synchrotron Radiation Research Center, NSRRC)，運轉至今已超過20年的歷史。近年來，國內外利用此設施從事尖端科學研究的實驗團隊與人數均快速增加，且發表之研究成果在質與量上亦大幅成長，各研究領域已陸續做出數量可觀、世界一流的科學實驗與成果。面對國際間激烈的科技競爭，各國在同步加速器的發展上均快速成長，而我國現有光源的X光亮度卻大幅落後國際先進設施，且因早期技術的限制與瓶頸，可資利用的出光口即將用罄，若未能及時設計建造更先進的光源，勢必讓我國長期的科技發展失去競爭之優勢。同時，全國用戶也屢次在用戶會議中積極討論，並強烈表達尖端科學研究需要更高亮度的X光光源之需求，尤其現今正值我國大力推動基因體醫學、生物及奈米科技之際，其急迫性更為殷切。有鑒於此，NSRRC改制前之「行政院同步輻射研究中心指導委員會」於2001年2月第41次會議中，即建議NSRRC應研究建造另一座電子束能量更高之同步加速器的可行性。

經過多方討論與審議，NSRRC董事會於2004年7月決議推動向政府提出「台灣光子源(Taiwan Photon Source, TPS)跨領域實驗設施興建計畫」，且於當年年底致函國內近1,000位學者專家，徵詢各方的寶貴意見。2005年1月又將「台灣光子源跨領域實驗設施興建計畫」提送第七次全國科學技術會議討論，該會議的總結報告中將「研究台灣光子源籌建之可行性」列為重要結論之一。本中心為能建造一座頂尖的光源設施，TPS工作團隊除積極進行加速器概念設計及赴國內外諮詢考察外，並舉行多場科研新契機討論會與「低束散中能量同步加速器光源論壇」，邀請國內外學者專家參與討論，同時也舉辦多場全國說明會，廣納各界的寶貴意見，以作為TPS興建的藍圖。經全面彙整各方的意見後，本中心完成了「台灣光子源同步加速器籌建可行性研究報告」，結果顯示我國已具備必要的技術能力，可在原有基地上主導興建一座能量30億電子伏特、周長518公尺、超低束散度的「台灣光子源」同步加速器光源設施。

經過國家科學委員會(現為「科技部」)與本中心同仁的共同努力，以及全國學術與科技界的支持，行政院於2007年3月同意「台灣光子源同步加速器興建計畫」，並於2009年6月正式核定修正案，同意在原址興建一座「台灣光子源」，以及後續40座先進光束線與實驗站之設計建造。2009年12月本中心分別簽署完成台灣光子源土木建築工程與機電系統工程之施工合約，且於2010年2月7日舉行「台灣光子源興建工程」動土典禮，由行政院吳敦義院長、國科會李羅權主任委員、中央研究院前院長李遠哲院士等多位首長共同主持，並邀請眾多學術科技界精英共襄盛舉，參與這國內科技界的一大盛事。2014年12月31日，台灣光子源首度試車成功並發出第一道同步輻射光，馬英九總統於2015年1月25日親臨主持「台灣光子源落成典禮」，與科技部林一平代理部長、陳力俊董事長和多位貴賓共同進行按鈕啟用的儀式，並於會後參觀這座完全由國人自行設計、建造、組裝，並且成功運轉的世界頂級加速器光源設施。自從台灣光子源成功出光以來，吸引國際科學期刊爭相報導，除了頂尖期刊「科學(Science)」在2015年一月號刊登專文，報導台灣光子源的出光消息，台灣光子源也成為「CERN Courier」和「AAPPS Bulletin」2015年四月號的封面，2015年五月號「Nature Photonics」刊出兩頁的專文報導，文中高度讚揚台灣光子源的成就，這是台灣自主建立大型共用科學設施最受到國際注目的一次。2015年12月12日下午5點是我國科學發展上歷史性的一刻，本中心的台灣光子源加速器儲存電流超越500 mA之設計值，達到520 mA，顯示國家同步輻射研究中心已有能力提供全世界最亮的同步加速器光源給全國科技界使用。

自2010年2月動土典禮以來，國家同步輻射研究中心以不到5年的時間完成台灣光子源的興建、出光，並以不到1年的時間將儲存電流提升百倍、達到最高電流目標，是世界上近期建造完成的三座最先進30億電子伏特光源(台灣的 TPS、美國的NSLS-II和瑞典的MAX-IV)中最快達到500 mA電流目標的同步加速器光源，非常不易，是國人高科技實力的最佳展現。台灣光子源同步加速器光源設施總預算經費為68.8億元，預計於2016年底可提供周長518公尺、能量為30億電子伏特之第一期光源設施予用戶陸續開始申請使用。這座「台灣光子源」完成後將是我國有史以來規模最大的跨領域共用研究平台，提供世界上亮度最高的同步加速器光源，可開創嶄新實驗技術與拓展科學研究領域，帶動我國在科學研究上的蓬勃發展，引導年輕學子投入尖端科學研究，並且協助高科技工業進行產品研發與製程優化。

 

二、台灣光子源第一期七座實驗設施簡介：

國家同步輻射研究中心於2004年向政府提出興建新一代同步輻射光源「台灣光子源」，於2007年獲准並於2010年動土興建。加速器已於2014年完成建造與出光，第一期光束線將於2016年底完成建造、試車與開放予用戶進行實驗研究。台灣光子源是全世界最亮的加速器光源之一，亮度相當於傳統X光機的1兆倍。台灣光子源是我國有史以來規模最大的跨領域共用研究平台，預計將可建成40座以上之先進光束線與實驗站，致力於物理、化學、生醫科技、半導體科技、能源與環境科學及各類材料科學等基礎與應用研究。其中第一期即將完成的設施包含蛋白質微晶學、共振軟X光散射、次微米軟X光光譜、同調X光散射、時間同調X光繞射、X光奈米繞射及X光奈米探測等七座實驗站，能量涵蓋350 eV至30 keV，可針對各式主題進行研究。以下是各實驗設施的扼要功能說明：

• 蛋白質微結晶學(protein microcrystallography)：

自1989年，美國國家衛生研究院成立人類基因體研究中心以來，在一般蛋白質的結構和功能上已經有了相當豐碩的成果，其他重要蛋白質如膜蛋白(與許多嚴重疾病有密切關係)以及病毒的研究，由於對實驗設備要求較為嚴格，因此相關實驗設施目前尚處於剛起步的階段。這類蛋白質由於分子量巨大，故其晶體通常體積較小、散射能力較差、結構堆疊較為散亂，若欲有效取得研究所需之數據，則需要高準直性、高光通量及高光密度的光源。

蛋白質微結晶學實驗站基於其光圍窄、光發散度低及光通量高的特性，將可用以解析膜蛋白、大蛋白質複合體及病毒等晶粒微小、多晶間齊平度低的巨生物分子結構；此外基於其高速與自動化的數據採集系統，此實驗站也適宜對藥物候選分子群進行快速的結構解析與篩選。該實驗設施之特性簡列如下：

1. 能量範圍：5.7 - 20 keV
2. 樣本位置光斑大小：5 - 50 μm
3. 樣本位置光準直度：500 μrad (水平) × 100 μrad (垂直)
4. 樣本位置光通量：> 6 × 10¹² s^-1 at 12.4 keV
5. 能量解析度：< 2.0 × 10^-4

微米X光蛋白質結晶學實驗設施充份運用了台灣光子源高亮度以及高準直之特性，除了可以進行MAD/SAD相位解析實驗以及超高解析度實驗外，也適合進行學術及應用上非常困難的重要實驗研究計畫，未來將可成為東南亞最重要的蛋白質結晶學研究設施之一。適合該實驗設施之科學研究方向包括：結構生物學、結構蛋白質體學、結構基因體學及基因體醫學。

• 共振軟X光散射(resonant soft X-ray scattering)：

原子最外層價帶電子之間的相互作用關鍵性地影響物質的巨觀物理性質，其中價電子的躍遷現象可以提供物質中導電特性與磁性結構之重要資訊，有助於瞭解材料物理特性的微觀機制，亦是凝態物理實驗中很重要的一環。一般而言，物質若因外界環境改變或受到其它粒子影響所造成的電子能態變化，即稱之為激發現象，如果激發前後能量變化在數個電子伏特範圍內，則稱為低能量激發，例如費米能階附近的電子躍遷或各種單粒子、多粒子的集合激發等。藉由測量激發能量、躍遷機率以及激發能量與動量之關係，即可獲得該物質價電子行為的重要資訊。

共振軟X光散射實驗站將能探測強電子關聯物質在電荷、電子自旋、電子軌域及晶格之交互影響下的電子激發、磁激發及電子與音子間的互動，此外，利用X光同調性應用於失序結構所產生的動態散射亮斑，可觀察電子自旋、電荷、電子軌域排序下的區域波動。該實驗設施之特性簡列如下：

1. 能量涵蓋範圍：400 eV 至1200 eV
2. 光源輸出通量：> 10¹² photons/sec/0.01%BW
3. 能量解析力(E/△E)：~ 60000 at 900 eV
4. 在樣品上之光通量：> 10¹³ photons/sec
5. 光束大小：5 μm (水平) × 5 μm (垂直)

運用此先進的光束線光學元件設計概念，結合台灣光子源高亮度與超低束散度之光源設施，未來這座高解析非彈性軟X光散射儀將可大幅減少訊號擷取所需之時間，並使系統達到極高之解析力，成為科學家探測物質的微觀電子與磁性結構上之重要利器。適合該實驗設施之科學研究方向包括：探測物質的微觀電子與磁性結構，探討其低能量激發現象，開發新穎材料。

• 次微米軟X光光譜(submicron soft X-ray spectroscopy)：

在凝態物質中，材料的物理與化學特性受其原子排列與電子結構間相互作用的影響，隨著材料合成技術的進步，科學家可依據各種理論和化學概念，設計合成新穎的單晶樣品及以往難以合成的單晶樣品。但晶體的均勻性通常是一個潛在的問題，為因應這逐漸變小的可探測面積，本中心於台灣光子源第一期周邊實驗設施規劃興建一座次微米光點等級的實驗設施。另外，由於物質在微米等級產生交互作用後所產出可供偵測的粒子相對少且難以探測，故高光通量亦是此實驗設施的必要條件之一。

此實驗設施規劃了兩座實驗站，一座為德國MPI所負責的高解析光電子實驗站，致力於角解析/自旋解析軟X光光電子能譜實驗，一座為淡江大學物理系負責的光發射實驗站，致力於偏振性相關的軟X光吸收光譜和軟X光發射光譜實驗。次微米軟X光光譜實驗站將可探測微粒單晶或大晶體中特選均勻區塊的超細能帶結構及進行能帶中費米邊緣的研究。該實驗設施之特性簡列如下：

1. 能量涵蓋範圍：280 eV 至1500 eV
2. 光源輸出通量：> 10¹⁵ photons/sec/0.1%BW
3. 能量解析力(E/△E)：~ 50000 at 750 eV
4. 在樣品上之光通量：> 5 × 10¹¹ photons/sec
5. 光束大小：1.2 μm (水平) × 0.4 μm (垂直)

該實驗設施的興建動機主要是為了能對逐漸趨小的新穎材料進行光譜測量，並獲得可靠的光譜數據，從而進行分析並說明新的物理現象。高光通量的光束及光點尺寸小於1 μm × 1 μm的優勢，將有利於進行角分辨光電子能譜和偏振性相關的X光吸收實驗。高能量分辨率將可提供樣品能帶結構更詳細的分析，尤其針對新的含3d、4d 和5d 過渡金屬成分的強關聯性研究材料。而光進光出軟X光發射能譜研究則能針對磁性材料、低維度/奈米尺度的材料、可再生能源材料、生物材料，及複雜的氫化系統解析出更清楚地電子結構特性，相信未來此實驗設施將可成為探究新穎微小材料和強關聯材料的研究利器。適合該實驗設施之科學研究方向包括：探討含3d過渡元素及4f稀土元素之新穎材料的電子與磁性結構，並研究其物理特性與應用。

• 同調X光散射(coherent X-ray scattering)：

台灣光子源最重要的特性之一就是高強度且具同調性的X光源，這項獨特的光源性質將有助於開啟我國利用同調X光散射技術探測物質奈米尺度靜態及動態結構的新研究領域。同調X光經物質散射後將形成隱含物質結構信息之同調散射圖譜，藉由量測、分析一序列隨時間變化之同調散射圖譜，即可進一步得到與該物質動力學相關的信息。

同調X光散射實驗站利用動態散射亮斑技術將可研究膠體擴散、複雜液體、混合聚合物、蛋白質與其他生物分子或結構之互動，及高分子聚合物之相變、結晶、玻璃態變等行為；此外其小角度X光散射技術可被用以研究天然失序蛋白質、高分子聚合物、生物系統及奈米粒子之靜態結構。該實驗設施之特性簡列如下：

1. 能量涵蓋範圍：5.56 eV 至20 keV
2. 同調X光通量：5 × 10¹⁰ photons/sec at 6 keV
3. Q解析度：0.0005 ~ 3 Å^-1
4. 時間解析度：~ 1 ms
5. 光束大小：10 μm (水平) × 10 μm (垂直)

同調X光散射實驗設施利用台灣光子源高強度X光及其同調性，可提供台灣科學研究團隊研究材料系統之靜態微觀結構及微秒時間尺度之動態微觀結構變化，探討奈米顆粒懸浮液、溶液、薄膜及塊材系統之靜態奈米結構、結構與相變之動態關連，將成為學研界進行科學研究之一大利器。適合該實驗設施之科學研究方向包括：研究材料系統之靜態微觀結構及微秒時間尺度之動態微觀結構變化，探討奈米顆粒懸浮液、溶液、薄膜及塊材系統之靜態奈米結構、和結構與相變之動態關連。

• 時間同調X光繞射(temporally coherent X-ray diffraction)：

在凝態物理、化學、生物及材料科學等領域中，物質的靜態與動態結構是掌控物質各種特性的關鍵因素。以空間而言，物質的結構由物質內原子的排列來呈現；以時間而言，物質間的交互作用、化學反應及功能變化皆取決於物質內原子排列的改變。X 光散射為具原子尺度解析能力之結構分析方法，可以協助了解原子在空間中的排列與時間上的變化，掌握材料的結構特性。

時間同調X光繞射實驗站將運用物質受雷射激發後以X光探測其後續動態的時間解析方式，研究諸如半導體在雷射激發後的晶格運動等涉及電子、磁性與原子結構間互動的現象，並獲取具有數十皮秒時間解析度的動態晶格資料；此外該實驗站亦將以X光磁散射現象來研究多鐵序物質中磁性與電子互動現象、薄膜與多層膜之界面磁性結構、超導現象與電荷密度波及電子自旋密度波之間的關聯性等課題。該實驗設施之特性簡列如下：

1. 能量涵蓋範圍：5.6 eV 至25 keV
2. 光通量：> 10¹³ photons/sec at 14.4 keV
3. 能量解析度(△E/E)：2.8 × 10^-8 at 14.4 keV
4. 光束發散度：< 70 μrad (水平) × 20 μrad (垂直)
5. 光束大小：600 μm (水平) × 700 μm (垂直)

台灣光子源時間同調X光繞射光束線及實驗站為一全新概念的實驗設施，整合超高時間同調及高空間同調X光繞射及散射實驗、超高時間解析度X光繞射技術，研究物質的靜態與動態結構特性，而X光磁散射則將探討的範疇擴充到磁性結構，屆時將可提供學研界一嶄新的科學研究利器。適合該實驗設施之科學研究方向包括：拓展共振腔Ｘ光物理特性研究，並應用於皮秒時域的Ｘ光動態研究、時間解析之雷射激發Ｘ光探測以及物質在極端物理條件(如：高低溫、高磁場、高電場)下原子內部微結構的關聯性等前瞻研究領域。

• X光奈米繞射(X-ray nanodiffraction)：

中尺度(meso-scale)材料通常具非均質性，該尺度(數十nm至數十μm)下的材料微觀結構(如晶粒、相、織構、應變及應力與雜質等)與微結構演變(如晶粒成長、相變化、形變、潛變等特性)，對於材料的物理與化學性質有著巨大的影響。為了發展更先進的材料，瞭解微結構與其相關性質的關係是在材料科學發展中非常重要的一環，一般而言，利用掃描式電子顯微鏡與穿透式電子顯微鏡是最常見的做法，然而，此兩種技術皆無法一次得知在次微米尺度下，三度空間中的材料結晶結構、晶格方位、彈性應變等資訊。因此，在這此研究領域中，三維X光繞射顯微術變成此領域最重要也最獨特的研究技術。

X光奈米繞射實驗站將以其微差開口X光三維顯微術來探究積體電路封裝材料、金屬氧化物及奈米材料等之變形、薄膜在成長或退火處理中的即時結構資料，以及多晶矽太陽電池中金屬雜質對其功能的不良影響等課題。該實驗設施之特性簡列如下：

1. 能量涵蓋範圍：5 eV 至30 keV
2. 光通量：3 × 10¹¹ photons/sec at 10 keV
3. 能量解析度(△E/E)：1 × 10^-4 at 25 keV
4. 光束發散度：3 mrad (水平) × 3 mrad (垂直)
5. 光束大小：80 nm (水平) × 80 nm (垂直)

台灣光子源X光奈米繞射光束線及實驗設施為一全新概念之整合實驗站，利用高強度X光及微聚焦，首次將材料的三維結構分佈、元素組成、光學、電磁特性整合，將可創造材料科學界的研究新契機，並成為學研界進行科學研究之一大利器。此光束線的特色是以低於100 nm的聚焦X光於試片上進行繞射掃描，可有效地解析材料於三度空間中的微區結晶結構、相與組成分布、應變/應力分布與織構分布等。適合該實驗設施之科學研究方向包括：研究材料系統介微觀結構與應力在二維與三維度之空間分佈，探討奈米結構、薄膜及塊材系統之應力、結構與光電磁特性之關連，並藉此優化材料設計與開發過程。

• X光奈米探測(X-ray nanoprobe)：

高亮度的新一代同步輻射設施台灣光子源結合高效能的X光聚焦光學元件，X光光束將可強聚焦至次微米甚至數十奈米。當X光奈米聚焦光束與傳統的X光實驗技術結合，將發展出多種新的實驗技術，大致可以分為兩類。第一類稱為奈米分析技術，包括奈米X光螢光光譜、奈米X光吸收光譜、奈米X光繞射、和奈米X光結晶學等技術。第二類則是包括穿透式X光顯微學和X光顯微學。X光奈米探測實驗設施將提供奈米解析力之多樣X光探測技術，包括繞射、吸收光譜學、影像學等將推進到解析奈米尺度的不均勻(質)材料、微小或稀薄的樣品系統。

X光奈米探測實驗站以其數十奈米的解析度特性，將能研究半導體、氧化物及磷光體等所形成的奈米晶體、量子點及量子線之電子結構，以及其吸收X光後放出可見光的能態轉變機制，並能對微機電及奈米機電裝置進行材料鑑定。該實驗設施之特性簡列如下：

1. 能量涵蓋範圍：4 eV 至15 keV
2. 光通量：5 × 10¹⁰ photons/sec at 10 keV
3. 能量解析度(△E/E)：< 2 × 10^-4
4. 光束大小：40 nm (水平) × 40 nm (垂直) at 10 keV

奈米探針實驗站整合了多樣的奈米X光實驗技術，包括了X光螢光光譜、X光吸收光譜、X光繞射、X光激發可見光光譜、投影式X光顯微術等。此外，為了超越聚焦光學元件的解析力限制，該實驗站亦將發展同調X光表面繞射掃瞄術，結合同調X光散射與表面X光散射技術，試圖將空間解析力推進至5奈米，並在樣品介面間具備三維深度解析力。適合該實驗設施之科學研究方向包括：提供奈米解析力之多樣X光探測技術，偵測奈米世界裡的原子組合樣貌、化學與電子組態等訊息，廣泛應用於半導體元件、奈米材料、能源科學、環境科學、地球科學等研究領域。

 

三、台灣光子源第一期七座實驗設施負責成員簡介：

光束線編號	實驗設施名稱	發言人	E-mail
05A	蛋白質微結晶學 (Protein microcrystallography)	簡玉成	ycjean@nsrrc.org.tw
09A	時間同調X光繞射 (Temporally coherent X-ray diffraction)	許火順	hsheu@nsrrc.org.tw
21A	X光奈米繞射 (X-ray nanodiffraction)	古慶順	csku@nsrrc.org.tw
23A	X光奈米探測 (X-ray nanoprobe)	湯茂竹	mautsu@nsrrc.org.tw
25A	同調X光散射 (Coherent X-ray scattering)	黃玉山	jade@nsrrc.org.tw
41A	共振軟X光散射 (Resonant soft X-ray scattering)	黃迪靖	djhuang@nsrrc.org.tw
45A	次微米軟X光光譜 (Submicron soft X-ray spectroscopy)	林宏基	hjlin@nsrrc.org.tw

 

四、未來展望：

我國第二座同步加速器光源設施「台灣光子源」繼2014 年底順利出光後，於2015年底完成儲存電流提升百倍、達到最高設計電流之目標，台灣光子源在設計、建造、整合及試車各方面皆已達世界頂尖水準。其效益超越造價高達400億新台幣的高能量設施，成為世界上亮度最高的同步加速器X光光源。配合陸續遷移之現有與未來可能建造之周邊實驗設施，這座未來科學神燈將為我國科技發展帶來令人振奮的願景：

1. 成為世界上亮度最高的同步加速器光源，建構世界頂尖的跨領域實驗設施，取得國際領先地位。
2. 開創嶄新實驗技術，拓展科學研究領域，特別是生物醫學及奈米科技，促使我國學術研究更臻世界頂尖水準。
3. 協助高科技工業進行產品研發與製程優化，提升我國知識經濟的國際競爭力。
4. 吸引更多國際團隊前來進行實驗，或提供出光口以利建造其專屬光束線，增進國際合作，提升我國的國際聲望。
5. 成為延攬國際傑出科技人才長期在我國從事跨領域尖端科學研究之重要誘因。
6. 引導、培育年輕學子投入尖端科學研究，做出影響深遠的重大科學發現。

為使國內同步輻射研究在未來發揮最大的效益，本中心和國內用戶及科學界搜尋國際間最有可能性的前沿題目與實驗技術，充分收集國內研究需求，對未來科學研究作整體規劃，也通盤納入加速器本體及插件磁鐵與光束線配置之考量。總之，台灣光子源的建造完成，正開啟台灣材料科學研究的新契機，就如同中研院前院長李遠哲院士所指出與期待地：「光」的科學與應用在近代科學發展扮演著非常關鍵的角色，同步加速器光源已被世界公認是二十一世紀科技發展不可或缺的實驗利器，並已廣泛應用在許多基礎與應用科學研究領域上。期盼台灣光子源完成後