世界最亮 「台灣神燈」面臨斷電
2015-05-22 03:10:11 聯合報 記者陳皓嬿/台北報導

圖/國家同步輻射中心提供
分享今年是聯合國的國際光之年,去年底落成、將成為世界最亮的同步輻射加速器「台灣光子源」引發矚目,不僅先後被國際頂尖科學期刊「自然」(Nature)和「科學」(Science)專文報導,還被歐洲核子研究組織(CERN)雜誌選為四月號封面故事,台灣之「光」躍上國際。
不是聯合國會員,台灣卻搶到光之年頭香,但這座傲視國際的同輻加速器,卻面臨預算被刪減、明年運轉預算短缺一億多元,不僅難以建置光束線實驗站,也付不出後半年的運轉電費。

光子源是計畫主持人陳建德「懷胎十年」生下的寶貝,二○○四年他發願挑戰台灣自建加速器,期間歷經政黨輪替、金融海嘯和通膨難關,都挺過順利完工,如今卻因運轉經費不夠恐成「棄嬰」。陳建德感嘆,明年科技預算增加百分之三,無法支持光子源?

陳建德表示,以前台灣人靠棒球在國際出頭、凝聚向心力,後來悶了好一段時間,現在光子源被國際看見了,「我們是否能再次感到驕傲?」

「我們一輩子就等這個機會讓台灣閃耀。」科技部同步輻射中心主任果尚志難過地說,「你不自己點火,沒人會替你發亮。」

果尚志說,「最亮科學神燈」因缺錢而前途黯淡,「就像有航空母艦,卻沒有戰鬥機(指光束線)一樣打不了仗。」他說,同輻加速器是國力象徵,歐美日等先進國家都競逐打造,我國若不把握五到十年的領先期,吸引各國頂尖科學家駐站研究,燈再神再亮,也是枉然。

國科會前副主委牟中原、中研院院士王惠鈞、物理學會理事長高甫仁等學者皆憂心,要求政府須有長遠眼光,別讓台灣之光荒廢。

科技部次長林一平說,已盡力奔走替光子源挪出一億元預算,但各單位都缺錢,實在無法再挪出一億元,希望同步輻射中心共體時艱,從內部節省開銷,或透過業界資助和國外單位合作收費等方式,籌措財源。

同軸加速器 照穿恐龍蛋、木乃伊

為了看得更清楚、更細小、更銳利,人類打造同步輻射加速器,透過周長數百公尺的圓環,讓電子束可以在裡面繞圈加速到接近光速,每當高速電子束轉彎時,就會放出極亮又集中的強光,讓平常看不見的事物被看見。

同輻加速器能發出紅外線、紫外線、可見光、X光等不同波段的光,除對半導體、製藥、新材料研發舉足輕重,還能看見恐龍蛋化石裡的胚胎、看穿達文西如何用四十層超薄油彩打造蒙娜麗莎的朦朧微笑、看破古埃及商人竟在製作木乃伊時塞入雜草石頭充數。


想一下,近年會讓你感到熱血沸騰澎湃的台灣之光是誰?楊岱剛、盧彥勳、林育群、左左右右?還是再早一點的王建民、陳樹菊?或更早更早之前、現在被印在五百塊鈔票上的紅葉少棒隊?

先別管棒球了,你聽過「台灣光子源」(Taiwan Photon Source,TPS)嗎?(安麗語)

「那什麼?」你說。

噢,它是台灣最新建成、完全百分之百MIT的同步輻射加速器!也是今年國際上討論很夯的「新,台灣之光」。

啊哈!我看你在聽到「同步輻射加速器」幾個字時,深深皺眉露出困惑而且拒絕聽下去的表情。

好吧,我們換個方式說。

今年是聯合國教科文組織訂定的「國際光之年」(http://pansci.tw/archives/74700),紀念人類一千年來看光、用光、研究光的歷史。

1015年,阿拉伯學者伊本海瑟姆發表首篇光學研究文「光學之書」,距離今天,1000年。1815年,法國物理學家菲涅耳提出光的波動性,距離今天,200年。1905年,愛因斯坦提出光電效應理論,距離今天,100年。2015年,台灣光子源同步輻射加速器試車成功出光,將成為世界上最亮的同步輻射光源。

就是今年。


國際頂尖期刊「自然」(左)和「科學」(右)皆以專文報導台灣光子源計畫。  圖/同步輻射中心提供
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這道正港的台灣之「光」顯然有些閃,因為今年初,光子源出光後五天,國際頂尖期刊「科學」(Science)就搶先報導台灣光子源;這個月,另一頂尖期刊「自然」(Nature)旗下的「自然光子學」(Nature Photonics),也以專文介紹台灣光子源。

對學術研究有些認識的人大概知道,研究論文要能上Nature和Science有多困難,若被刊出就該舉國歡騰、買三車鞭炮回家放個三天三夜了,何況是兩本期刊都上!(誇張)

還沒完呢。

上個月,歐洲核子研究組織(CERN)四月號,竟用封面故事和專文介紹台灣光子源,標題為「First Light of TPS」,上頭一張大大的空拍照片,裡面有一大一小的甜甜圈建築,灰色的大甜甜圈,就是台灣光子源。

雖然台灣不是聯合國會員國,但卻因為台灣光子源而備受國際矚目,搶到了光之年的頭香。


歐洲核子研究組織(CERN)以封面故事報導台灣光子源。  圖/同步輻射中心提供
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等等…你是知道CERN的對吧?對,就是那個擁有地表最大、橫跨瑞士與法國、能量最高的粒子加速器「大強子對撞機」的那個CERN啊!

就是搖滾天團五月天,在諾亞方舟演唱會的電影裡面,讓阿信、怪獸、石頭、瑪莎、冠佑進行時光旅行回到過去的那個大強子對撞機嘛…

對對對,看你恍然大悟的表情,我知道你想起來了,太好了。

「等等、等等…你說這個灰色甜甜圈,就是世界上最亮的光的所在地?」你狐疑地看著我。

是的,台灣光子源就是和大強子對撞機很像的粒子加速器,只不過它加速的是「電子」,讓電子們在灰色甜甜圈裡不斷跑500公尺(精確來說一圈是518公尺),跑個10萬圈,電子們就會被加速到接近光速,這時根據愛因斯坦的光電效應,這群電子只要一轉彎,就會放出亮度極高又集中的光。

因此,它才叫做同步(電子們一起跑跑跑)輻射(放出光)加速器(加速電子),可發出的光,包括紅外線、可見光、紫外線、軟X光、硬X光等不同波段的光。


但同步輻射加速器,聽起來實在跟發出亮光沒啥關係,還老被人誤會是核反應器什麼的,所以科學家們喜歡戲稱它為「科學神燈」。

因為光又強又集中,同步輻射加速器可以用來「看平常看不到、量平常量不到」的東西,例如越做越小的晶片、細微的蛋白質結晶等,因此對半導體、生技製藥和材料等研究,都是相當重要的工具。

其也可用來研究遠在天邊的星星怎麼形成,或是古老久遠的恐龍蛋化石,裡面胚胎到底長啥樣,甚至看穿達文西如何用四十層超薄油彩,打造蒙娜麗莎完美的朦朧微笑、看破古埃及商人原來也黑心,在製造木乃伊時塞入雜草石頭造假充數…

1993年的時候,我國已經有個「台灣光源」(TLS),周長120公尺、電子能量15億電子伏特,就是前面照片裡的小甜甜圈,當時是委託國外幫我們蓋的。

新的「台灣光子源」加速器,周長518公尺,如果拉直比101大樓還高出10公尺,電子能量也增為TLS的兩倍,為30億電子伏特。

而且,這是台灣第一次自己蓋的同步輻射加速器。


台灣光子源計畫總主持人陳建德。  圖/同步輻射中心提供
分享決定要挑戰自建同步輻射加速器這個「不可能的任務」的,是光子源總計畫主持人、中研院院士陳建德。
2004年,舊的TLS在光強度上已經不敷科學家研究使用,紛紛提出要求建造更亮、光更集中的硬X光光源。

陳建德則提出「那我們自己蓋一個吧!」,因為他有個夢想:「我要這塊土地上的科學家,用這土地創造出來的設施,做出世人景仰、對人類有重大影響的科學發現!」

陳建德說,平均每三年,諾貝爾獎就會頒給用同步輻射做的相關研究,但要做頂尖研究,「你如果去跟其他國家借加速器來用,人家只肯借你用一點,怎麼做研究?如果我們要和世界在平等的地位競爭,台灣怎能沒有自己做的加速器?」

另一方面,陳建德也覺得台灣人悶太久了,自從少棒光輝後,台灣人有多久沒有在國際上讓人感到驕傲的東西了?

「要填飽肚子,經濟發展當然重要,但要讓世界看見你,從來都是靠科學、教育和文化,我希望,可以再一次把台灣推上國際舞台!」

於是2007年,政府通過70億的台灣光子源建造預算,2010年,同步輻射中心動土施工。

不知是否與天方夜譚為巧合,科學神燈從開工到完工,正好花了1001個漫漫長夜。

由於沒人蓋過同步輻射加速器,所以一開始很多人都不看好陳建德的狂想,認為台灣絕對做不到自建,且事實上,在一開工沒多久,團隊就碰上大麻煩,光子源預定地竟是軟弱地層。

土木工程負責人王昭平說,光子源的基地在小山坡上,以前是新兵訓練中心,過去有條山溝,後來被填入鬆軟廢土,變成軟弱地層;團隊一開始探勘地形時並無發現,直到一次颱風大雨,工程師才發現此問題,最後靠填入水泥解決。

處理完地質問題,工程師還要面臨震動的挑戰,王昭平表示,加速器很敏感、怕震動,但光子源基地旁就是新竹科學園區,每天大量的車子來來去去,加上台灣又在地震帶上,都是威脅。

若要達到美國標準「震動是環境背景值的1/10」,王昭平說,唯一的作法是挖一兩百公尺深的地底隧道,但每下挖一公尺,就要好幾千萬,實在沒有那個預算執行,因此團隊考慮很久,決定稍微妥協,震動只要比背景值低就好。

另一個挑戰是安裝加速環。由於光子源基地狹小,基本上是捱著舊的台灣光源和本來就坐落在上方的行政大樓所蓋的,因此牆邊幾乎都是現有建物,無法透過側邊開大門,讓大型部件如幾噸重的磁鐵進入因此團隊將光子源的屋頂作為可開式,再出動天車,將磁鐵部件一個個從空中吊入加速環,然而這些大設備的安裝位置,僅容許幾毫米誤差,足見其困難。

而基地狹小也意味著,很多設備如磁鐵(負責讓光再更亮的關鍵角色)、精密儀器無法就地建造,需要在其他地方做好後,再運回基地安裝,但加速器工程負責人陳俊榮說,這些嬌貴的精密儀器哪堪貨車運輸震動,一路顛簸回去,只怕校調好的部分都歪了。

所以,團隊只好避開交通尖峰時間,趁半夜無人慢慢搬,他們要求載運貨車的時速必須低於十公里,平常開十分鐘的路,變成一個小時才走得完,且前方還要有前導車幫忙開路,就這樣一路「龜」著,來回上百趟,才把所有部件安全運抵基地。

講到磁鐵,就非要提一下台灣和美國的搶資源大戰,陳俊榮說,當時除了我們,美國紐約長島也在蓋類似的同步輻射加速器,雙方力拼要成為世界最亮光源。

然而英雄所見略同,台、美皆找上紐西蘭一家磁鐵廠商做磁鐵。不幸地,美國搶到大部分出貨優先權,但我方不甘示弱,竟派駐兩個工作人員,到遠在紐西蘭的磁鐵製造廠「盯梢」整整兩年,確定廠商有如期完成台灣的貨,且做好一個磁鐵,就現場測試確保品質沒問題,才送回台灣。

後來長島的加速器雖仍比台灣早一年建好出光,但台灣設計、製造的磁鐵性能更優,因此仍將拔得世界最亮同步輻射加速器頭籌,讓長島團隊相當扼腕。


台灣光子源去年底試車出的第一道光。  圖/同步輻射中心提供

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至於最驚險的危機,莫過於去年八月試車時,電子無法加速到目標能量的鬼打牆問題。

去年八月,光子源完工準備試車,看打出來的電子束是否能加足能量,在增能環中繞行10萬圈以達標放光,測試現場眾人既興奮又緊張地期待著,沒想到電子束卻只跑3萬5千圈就撞牆消散了,屢試不爽。

眾人遍尋不著原因,國外專家來看也看不出來,試車陷入泥淖中,一晃就是兩個多月。

那陣子團隊氣氛很差,因為13個子系統個個是嫌犯,大家彼此懷疑是誰出包,作為加速器設計負責人,郭錦城博士更是挫折,他說系統部件安裝都正確,但結果卻完全不符當初理論計算,很多人都質疑他。

距離科技部給的完工期限12月卅31日剩不到兩個月,一晚計畫總主持人陳建德和其他6個子項負責人商討,說「如果光子源真的失敗,不該讓努力十年的同仁們承擔,就我們七人負責吧!每人一條白綾,到新竹東門城上自我了斷」,言下之意已沒有退路,只能成功、不准失敗。

一天奇蹟發生了,郭錦城說,磁鐵小組一位年輕人詹智全突發奇想,拿了顆鈕釦大小的超強磁鐵,試著吸吸看真空腔,沒想到由不銹鋼打造、不該有磁力的真空腔,竟被吸住了,這才找到卡關原因。

團隊立刻將真空腔送去高溫爐去磁性,之後再試車,電子順利加速到標準,並成功趕在元旦前夕出光,眾人終可過好年,中心後來還頒給詹智全特別貢獻獎,感謝他保住7條人命和世界最亮神燈。


隊大概沒想到,真正的「大魔王」並不是在建造時出現,而是完工、成功出光後…

世界最亮神燈,前途因經費不足,而一片黯淡。

這座傲視國際的台灣光子源,因為政府財政困難,面臨預算被刪減、明年運轉預算短缺一億多元,別說建置光束線實驗站,也付不出後半年的運轉電費。

光束線是負責將同步附設加速器產生的光,引導出來到實驗站給科學家使用的設備,光子源一共可以安裝40條光束線,第一期新的7條光束線已經到位,第二期同步輻射中心希望將TLS的18條舊光束線搬遷過來,但這得耗時七年、共28億元的經費,其督導單位科技部並無餘裕支付。

但問題癥結在於,加速器一旦運轉,電費就是固定的支出,不會因為接出來的光束線多寡而有不同,因此加裝越多條光束線使用,電費越划算;就像冰箱,有沒有冰東西都要耗電,因此冰越多、越划算。

沒有電費、沒有光束線,光子源就像有航空母艦,卻沒有戰鬥機一樣打不了仗,同步輻射中心主任果尚志難過地說,同輻加速器是國力象徵,歐美日等先進國家都競逐打造,我國若不把握五到十年的領先期,吸引各國頂尖科學家駐站研究,燈再神再亮,也是枉然。




光束線實驗站。  圖/記者陳皓嬿攝影

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「我們一輩子就等這個機會讓台灣閃耀,你不自己點火,沒人會替你發亮!」果尚志說。

陳建德則感嘆,十年來,歷經政黨輪替、金融海嘯和通膨難關,光子源都挺過而順利完工,現卻因運轉經費不夠恐成「棄嬰」,他不解地問,明年科技預算增長百分之三,為何無法支持光子源,「我們養得起幾十億的花博、世大運,卻養不起僅需兩、三億的光子源嗎?」

國科會前副主委牟中原、中研院院士王惠鈞、物理學會理事長高甫仁等學者皆憂心,要求政府須有長遠眼光,別讓台灣之光荒廢。

科技部次長林一平說,已盡力奔走替光子源挪出一億元預算,但各單位都缺錢,實在無法再挪出一億元,希望同步輻射中心共體時艱,從內部節省開銷,或透過業界資助和國外單位合作收費等方式,籌措財源。

果尚志說,他能理解科技部預算緊縮問題,他並非要科技部犧牲其他單位,以成就光子源,但希望科技部能將此問題拉到行政院層級,請國家好好思考,是否要讓這盞「台灣之光」功敗垂成?

那你呢?故事說至此,國際光之年,悶很久的你,是否希望點燃光子源,換一回久違的台灣驕傲?


神燈幕後/造光卡關3個月 嫌疑犯是誰


2015-05-22 03:10:12 聯合報 記者陳皓嬿/台北報導

「台灣光子源」這盞科學神燈,今年底將成為世界最亮的同步輻射加速器,但建造過程極為艱辛,因基地狹小,新加速器須緊靠著舊加速器施工,且不能影響舊加速器運轉,難度很高;完工試車時,還碰到電子能量加不滿,三個月找不出病因,計畫差點失敗。

去年八月,光子源完工準備試車,測試打出來的電子束是否能加足能量,在增能環中繞行十萬圈以達標放光,沒想到電子束卻只跑三萬五千圈就撞牆消散了,遍尋不著原因,國外專家來看也看不出來沒用,試車陷入泥淖。

那陣子團隊氣氛很差,因為十三個子系統個個是嫌犯,彼此懷疑是誰出包;作為加速器設計負責人,郭錦城博士更是挫折,他說系統部件安裝都正確,但結果卻完全不符當初理論計算,很多人都質疑他。

有一天,計畫總主持人陳建德還對著其他六個子項負責人說,「如果光子源真的失敗,不該讓努力十年的同仁承擔,就我們七人負責吧!每人一條白綾,到新竹東門城上自我了斷。」足見該計畫重要如命。

奇蹟發生了。郭錦城說,磁鐵小組一位年輕人詹智全突發奇想,拿了顆鈕釦大小的超強磁鐵,試著吸吸看真空腔,沒想到由不銹鋼打造、不該有磁力的真空腔,竟被吸住,總算找到卡關原因。團隊立刻將真空腔送去高溫爐去磁性,之後再試車,電子順利加速到標準,同步輻射中心還頒給詹智全特別貢獻獎,感謝他保住七條人命和世界最亮神燈。
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