臺灣同步輻射研究中心發(fā)展道路

許洪彬 蔡金剛

目光盯向全球科技發(fā)展前沿

上世紀80年代，臺灣在科技發(fā)展的道路上已走過一窮二白的初始階段。由于經(jīng)濟發(fā)展搞得好，島內各研究機構經(jīng)費充足，科研環(huán)境得到很大改善，基本研究設施完備，培養(yǎng)的科學人才數(shù)量逐年增多，研究水平也有很大提高，開始把目光盯向全球科技發(fā)展前沿，選定重點扶持項目，推進尖端科技發(fā)展。

基礎研究是人類深刻認識自然現(xiàn)象、揭示自然規(guī)律，獲取新知識、新原理、新方法的源泉，也是新技術、新發(fā)明的先導及培育創(chuàng)新人才的搖籃。自上世紀50年代末臺灣科技主管部門成立以來，一直非常重視基礎研究，采取一系列資助措施予以支持，并加強宏觀管理與協(xié)調，改善研究環(huán)境，組織實施各類基礎研究計劃，在島內形成了一支穩(wěn)定的研究隊伍，取得了一批重要的成果，顯著提高了臺灣基礎研究整體水平，某些領域已進入世界先進前列。若要尋求更大突破，依靠現(xiàn)有科研設備已經(jīng)不夠，必須借助更先進的大型科研裝置和設施，例如同步輻射加速器。

放眼全球，當代世界各國和地區(qū)的科技競爭主要表現(xiàn)在若干前沿領域的突破能力，因而都離不開大型科研裝置和設施的輔助與支撐。這類大型科研裝置和設施既是開展前沿基礎研究的重要手段，也是衡量一個國家或地區(qū)綜合科技實力的體現(xiàn)，而且是其他學科和工程技術發(fā)展的帶動力量，同時還是凝聚精干科研群體和培養(yǎng)高水平科技人才的基地，以及進行對外科技合作與交流的窗口，對科學技術的發(fā)展具有特別重要的意義。此外，大型科研裝置和設施還是眾多高新技術的源泉和高新技術產業(yè)的搖籃，是大量高技術的集成，在裝置的建造和利用過程中，往往需要發(fā)展新型技術或把已有技術提高到新的水平。

以同步輻射加速器為例，這是一種能夠產生帶電粒子同步輻射的大型科研設施，當接近光速的帶電粒子在圓形軌道中運動并受電磁場作用發(fā)生偏轉時會發(fā)出同步電磁輻射，可以用來研究物質的原子和分子結構，在基礎科學、應用科學和工藝學等領域已得到廣泛應用。例如用同步輻射衍射光對物質表面晶體生長過程中產生的納米級量子阱的體積進行分析測量，以了解其光電特性，用于研發(fā)新型半導體器件；通過X射線小角散射研究在常溫、常壓下合成具有溶水性和極好韌性及強度的蜘蛛網(wǎng)絲組成結構，以制造更堅固耐用的防彈織物；用同步輻射的高亮度光束研究酵母功能蛋白質的結晶體結構，以更好地了解導致人類一些疑難疾病的神經(jīng)作用過程和發(fā)病機理。

當時全世界已有很多國家和地區(qū)擁有這種大型科研設備。其中，大陸中科院高能物理研究所已有北京同步輻射裝置，1984年11月又開始建造新一代同步輻射光源，即坐落在安徽合肥中國國家同步輻射實驗室的合肥同步輻射加速器，并且正在醞釀建造北京正負電子對撞機和蘭州重離子加速器等國家重大科學工程。

建造同步輻射加速器這類大型科研裝置和設施與研制普通科學儀器有很大不同，也有別于一般的科研項目，其特點是科學技術意義重大、影響面廣，同時建設規(guī)模大、耗資多、建設時間長，且技術復雜，需要在建設中研制大量非標準設備，其產出是科學知識和技術成果，而不是直接的經(jīng)濟效益，建成后要通過長時間穩(wěn)定的運行、不斷發(fā)展和持續(xù)的科學活動才能實現(xiàn)預定目標，從立項、建設到利用的全過程，都表現(xiàn)出很強的開放性和國際化的特色。

特別是要建設這樣大型的科學工程，其大型關鍵科研裝備的性能和工藝水準不僅要能夠適應科學發(fā)展前沿的需要，而且要在今后10～15年之間，仍然能夠在世界同類裝備中處于先進水平，并且具有自己的特色和獨到之處。由于大型關鍵科研裝備前瞻性的需要，其實施必然是高起點的。但是這種高起點裝備又不可能全部引進，必須結合自己的優(yōu)勢進行創(chuàng)造性的工作，因此有一定的技術難度，是一項跨學科、跨領域的復雜系統(tǒng)工程。

不惜代價

臺灣有組織地開展物理學研究始自于1966年，即臺灣科技主管部門在新竹清華大學設立物理研究中心以后，通過大力培育物理人才及推動基礎與應用物理研究，逐漸形成規(guī)模，執(zhí)行研究計劃的數(shù)量也由1966年的12項，發(fā)展到到1977年的36項，再到1988年的136項，研究水平也得到很大提高。

在1986年以前，島內物理學研究主要集中在凝聚態(tài)物理、原子核物理、原子與分子物理、粒子物理、場論及統(tǒng)計力學等五大領域。其中，凝聚態(tài)物理研究的重點放在對固體材料的熱性、電磁性、機械性質等方面的了解，進而改進、合成或控制材料的特性，以及研制或發(fā)掘新的材料。原子核物理研究的重點放在原子核結構及現(xiàn)象、電磁作用、強作用力及弱作用力、基本粒子研究之中間媒介等理論內容；原子與分子物理研究的重點放在原子與分子中電子的分布及其與原子核間的電磁交互作用，以及與化學和生命合成物的性質關系等方面；粒子物理及場論屬于物理學中最新領域；統(tǒng)計力學則作為方法論，研究重點放在通過系統(tǒng)組成單元之間的相互作用，來了解系統(tǒng)的宏觀性質與現(xiàn)象，特別是在相變化、平衡態(tài)與非平衡態(tài)的熱力學性質及現(xiàn)象等問題的微觀了解上。

當時島內物理研究計劃雖不少，但其研究題目多屬依個人專長及興趣而從事的自由研究。為有效推進物理學研究發(fā)展，臺灣科技主管部門自然科學發(fā)展處在1985年初制定了“物理學科規(guī)劃方案”，提出應根據(jù)島內科技發(fā)展趨勢及社會建設需要，規(guī)劃數(shù)個研究重點方向，并據(jù)以推動大型整合性合作研究計劃，逐步使其所培養(yǎng)的專業(yè)人才及建立的研究體系，在質與量兩方面都得以快速提升。根據(jù)該規(guī)劃方案，臺灣物理學科基礎研究重點方向共有5個：規(guī)范場論及其現(xiàn)象學研究，稀土及過渡金屬系統(tǒng)的磁性及超導性研究，原子分子光譜研究與激光及同步輻射光源發(fā)展的配合運用，固體表面的能譜學研究，非線性與相位共軛研究。

上世紀80年代，世界各國掀起高溫超導研究熱潮后，臺灣相關科技人員投入該項研究的越來越多。臺灣科技主管部門1988年1月成立“高溫超導研究規(guī)劃小組”，負責購置關鍵性貴重儀器設備，供研究人員測試導體物理、化學特性以及材料制作之用，并分北部、新竹、南部三區(qū)，以整合計劃方式成立高溫超導實驗室，集中人力、物力，以重點研究尋求突破，提高島內研究水平。

由于表面物理研究對臺灣當時正在大力發(fā)展的電子及化工產業(yè)有極其重要的關系，臺灣科技主管部門于1986年9月成立了“表面物理研究規(guī)劃推動小組”，選擇能相互支持配合的研究重點，組成研究團隊，集中資助其開展表面物理研究。

特別是臺灣中研院物理研究所，其歷史可追溯到1928年在上海建立的理化實業(yè)研究所，1962年在臺灣復建，由著名物理學家吳大猷擔任首任所長，此后該所一直是臺灣實驗物理學研究的主力。上世紀80年代，該所的研究領域擴充至場論與粒子物理、原子核物理、統(tǒng)計與計算物理等領域。其余主要開展實驗物理學研究的還有臺灣大學、新竹清華大學、臺灣師范大學及臺當局“原能會”下屬的核能研究所等，但它們的一個共同特點是都缺少能夠開展基本粒子實驗研究的大型科研儀器設備。

早在1978年9月，時任臺灣中研院院長兼臺灣科學指導主管部門負責人的吳大猷與臺灣科技主管部門自然科學發(fā)展處處長林爾康及臺灣物理學會理事長鄭伯昆共同參加在瑞典舉辦的國際物理與應用物理學會大會，聽到外國科學家解釋利用同步輻射加速器取得的科研成果時，就曾考慮推動此類大型先進設備的計劃，以此提升臺灣的科技水準。會后，他們共同向臺灣科技主管部門遞交了申請設立同步輻射研究中心的建議書。

1981年1月，臺灣科技主管部門召集島內專家學者討論未來物理學可能的大規(guī)模研究方向時，將同步輻射研究作為選項之一，成立“同步輻射興建可行性研究小組”進行調研，發(fā)現(xiàn)建造同步輻射加速器的費用是一個天文數(shù)字，以當時臺灣的科研經(jīng)費根本不夠。

此后，在積極推動此事的旅美物理學家浦大邦、丁肇中、李遠哲、袁家騮、吳建雄等人的共同游說下，特別是大陸方面當時也在籌建北京正負電子對撞機以迎頭趕上西方發(fā)達國家的雄心刺激下，終于說服臺灣最高決策層點頭首肯。1983年7月，臺灣行政主管部門設立“同步輻射研究中心指導委員會”。1986年8月，位于新竹科學園區(qū)內的同步輻射研究中心正式開建。

該設施占地15公頃，是當時世界上最小的第三代同步輻射加速器，包括注射器、傳輸線、儲存環(huán)及光束線四部分，注射器部分包括電子槍、5000萬電子伏特的線型加速器及13億電子伏特的增能同步加速器。一期工程于1989年上半年完工，二期工程從1989年下半年開始，1992年完工。1993年4月，加速器試車成功，成為亞洲第一座第三代同步輻射設施，10月舉行光源啟用典禮，1994年4月起開放三條光束線，供一般研究人員從事科學實驗。截至1998年底，共有8條正常運轉的光束線，來自島內外學術研究單位2272人次使用該光源，執(zhí)行538個物理、化學、材料、生物、微機械等領域的相關實驗。

正式運營

自1994年正式開放運營以來，到2000年底，使用臺灣1.5GeV同步輻射研究中心光源的海內外用戶共計4805人次，共進行1123項科學實驗，包括56個島內學術研究機構及40個海外學術研究團隊參與。加速器每日24小時、每周7日連續(xù)運轉，機器運轉時數(shù)為6122小時，運轉效率平均為96%，其中提供用戶使用總時數(shù)約占66%，共完成272項實驗技術，供不同領域科學實驗使用。

然而此時卻發(fā)現(xiàn)，當初設計建造加速器多極增頻磁鐵時，由于經(jīng)驗不足及為了省錢，沒有使用超導體，導致電子儲存環(huán)的磁場能量較低。盡管后來采取種種補救方法，例如重新更換由美國康奈爾大學提供的500MHz/500毫安超導高頻共振腔，以解決高階模所造成縱向電子多團藕合振蕩的軌道不穩(wěn)定性，使儲存環(huán)最大電流由之前的240毫安提升至500毫安，但效果仍不理想，僅能發(fā)出真空紫外輻射和軟X射線光束，大幅落后外國同類設施。

顯然，推倒重建新的加速器是不可能的。無奈之下，臺灣科技主管部門1998年只好請求日本高輝度光科學研究所，借用其位于兵庫縣播磨科學花園城的第三代大型同步輻射加速設施Spring-8。臺當局不得不另外花錢，在Spring-8同步輻射設施儲存環(huán)上安裝一套真空內X光聚頻磁鐵，并建造2個臺灣專屬光束線及4座主要實驗站裝置。該裝置2000年10月開始出光及試車，12月正式啟用。

這兩條借用日本SPring-8的硬X光光束線，一條專為開展生物結構與材料研究光束線，包括從事X光吸收光譜、高解析X光散射、蛋白質結晶學及微區(qū)繞射等實驗；另一座為非彈性X光散射光束線，可供臺灣研究人員進行高相干性電子系統(tǒng)（如高溫超導與巨磁電阻等前瞻性材料）的尖端研究。

2000年之后，臺當局每年給予臺灣同步輻射加速器運營經(jīng)費支出從之前的6億多元新臺幣增加到近8億元，相關工作人員共有170余人。2003年1月，臺當局為了讓該機構更有效率，決定改革管理體制，將同步輻射研究中心改制為財團法人，成立董事會，讓其自負盈虧，鼓勵贏利創(chuàng)收，此后不再由臺灣科技主管部門直接負責管理，但每年仍需“捐贈”10億元新臺幣作為運營費用。

再建臺灣光子源

隨著科技的發(fā)展，對超高亮度X光源的需求越來越多，原有設施出光口已經(jīng)用罄，實在無法滿足需要，2004年7月，同步輻射研究中心董事會商議，籌建新加速器光源。申請報告提交到“第七次全臺科學技術會議”進行討論，臺當局2007年3月批準了“臺灣光子源同步加速器興建計劃”，決定在原址上興建臺灣第二座電子束能量30億電子伏特（3GeV）、周長518米、超低束散度的同步輻射加速器，起名為“臺灣光子源”，占地14公頃，鄰近清華大學、交通大學及高速網(wǎng)絡與計算中心等學術機構。

2010年2月，“臺灣光子源”舉行動土典禮，總預算經(jīng)費為68.8億元新臺幣，一期規(guī)劃建造7條光束線及其實驗站。目前，土木工程部分已辦理正式驗收，機電工程部分則已申報竣工，微聚焦巨分子結晶學、高解析非彈性軟X光散射學、次微米軟X光、同調X光散射、次微米繞射、納米探測、時間同調X光繞射等光束線實驗設施于2015年1月興建完成，并將陸續(xù)開放光源與周邊實驗設施。

原有同步輻射加速器也在繼續(xù)運行。截至2013年底，該中心開放用戶使用的光束線共24條，進行尖端實驗共1586件、10，848實驗人次，研究領域包括凝聚態(tài)表面物理、磁學與費米粒子、X光生物結構、電子元件微結構、X光材料結晶學、薄膜成長機制、高溫超導材料X光吸收光譜、自組裝分子材料化學成像、納米碳管束電子性質、巨磁阻材料電子結構，以及大氣與星際化學、冰晶物質光化學、新型電荷與質譜分析技術研發(fā)、內層電子激發(fā)下光電子游離與偶介電子蛻變模式、含氯硅烷分子光游離與解離等。

依據(jù)2014年1月統(tǒng)計數(shù)字，用戶發(fā)表于國際知名科學期刊的SCI論文共有305篇，其中發(fā)表于各領域重要期刊影響力指標前10%的SCI論文篇數(shù)有95篇，成果豐碩。例如該中心與中國大陸及加拿大多倫多大學研究團隊共同參與恐龍胚胎化石研究，利用同步加速器光源進行非破壞式超高解析二維紅外光譜顯微術造影，首度發(fā)現(xiàn)1億9500萬年前“祿豐龍”胚胎化石內存在有機物質殘留物的證據(jù)，并得以追蹤恐龍蛋內的胚胎如何孕育。該研究成果不僅刊登于2013年4月國際頂尖期刊《自然》（Nature）及當期封面，更獲選為該期刊年度最佳影像之一。

此外，該中心與新竹清華大學、“國研院”共同簽署《策略合作營運育成聯(lián)盟合作備忘錄》，結合三方優(yōu)勢，開展產學合作，促成研發(fā)成果產業(yè)化，并培育臺灣優(yōu)質新創(chuàng)企業(yè)。另與臺積電公司簽約，執(zhí)行“極紫外光分析委托計劃”和“同步光源虛擬實驗室合作研究計劃”，研究范圍涵蓋極紫外光半導體元件制作、微機電元件制作、蛋白質制藥研發(fā)、運用磁場或加速器于醫(yī)療器材、半導體及電池材料與元件研究等方面的產業(yè)應用與開發(fā)。

在人才培育方面，該中心與新竹清華大學開辦“先進光源科技學位學程”、“結構生物學程”，與交通大學開辦“加速器光源科技與應用學位學程”。另為推廣先進加速器光源與培育年輕的優(yōu)秀人才，不定期舉辦光源技術與應用教育培訓課程，包括自由電子激光冬季課程、2013年先進光源暑期科學實習課程、X光吸收光譜數(shù)據(jù)分析體驗營、2013年蛋白質結晶學訓練課程、同步加速器光源應用與實習暑期課程和第四屆X光科學暑期學校等。