國家同步輻射研究中心 果尚志主任

Q首先想請主任簡單介紹國家同步輻射中心？

國家同步輻射研究中心（National Synchrotron Radiation Research Center，簡稱NSRRC）於1993年正式啟用台灣第一座，也是亞洲第一座完成的第三代同步加速器光源設施（Taiwan Light Source，TLS）至今21年。TLS已有25條光束線和超過50個實驗站服務台灣及全球各地的科學家，每年約有兩千名使用者（約一萬名使用人次）、約1500個光束線計畫在TLS進行實驗。至今已有接近兩百個國內外研究機構使用過TLS光源。由於各領域的科學家對於高亮度X光光源的需求越來越多，同步輻射研究中心的第二座同步加速器光源──台灣光子源（Taiwan Photon Source，TPS）自2010年開始建造，2015年即將出光，到時將成為全世界亮度最高的同步加速器光源之一，提供給科學家最佳的X光光源進行研究。

Q同步輻射對於微觀世界的研究相當重要，何謂同步輻射（同步加速器光源）？

同步輻射說穿了就是一種光，不是大家誤以為的核能輻射。光是人類觀察自然界重要的憑藉，也是電磁波的一種。可見光是整個電磁波當中我們最熟知的，但其他波段的電磁波還包含無線電波、微波、紅外光、紫外光、軟X射線、硬X射線和伽瑪射線等。不同波段的光可以用來觀察和量測物質在不同尺度下的各種特性，同步加速器光源特色在於可以提供我們從紅外光、紫外光、軟X射線到硬X射線所有不同能量的光源，藉此光源我們可以進行各種物質的研究，了解我們肉眼所看不到的微觀世界。

這個強大的光是如何產生的呢？根據電磁學的理論，帶電粒子的運動速度或方向改變時會放射出電磁波。同步輻射就是電子束在加速的過程中產生的副產品，當電子接近光速飛行，受到磁場作用而發生偏轉時，便會沿著偏轉的切線方向放射出電磁波，這就是「同步加速器光源」最早被發現的過程。

我們如何讓電子加速到接近光的速度呢？加速器主要分為三個部分，第一為直線加速器、第二為增能環、第三為儲存環，之後則是透過周邊設備包含光束線及實驗站來進行實驗。以新的TPS為例，首先電子束由電子槍產生後經過直線加速器加速至能量達1.5億電子伏特（150 MeV）。再將這個電子束打進增能環。增能環是大約直徑幾公分、周長500公尺的橢圓截面環形管狀物，它的周圍有磁鐵，用來改變電子束的方向並同時增加速度，當電子束在增能環中運轉，能量會增加二十倍，達到30億電子伏特 (3 GeV)，速度非常接近光速。最後將其打入周長518.4公尺的儲存環後，環內一系列磁鐵導引電子束偏轉並維持在軌道上，如此一來電子束便能於每一圈的運行中在偏轉磁鐵切線方向或插件磁鐵下游產生高亮度光束。由於電子會因產生光而損失能量，因此環內裝置有高頻共振腔系統用來補充電子的能量。相對518.4公尺的TPS儲存環，現在TLS儲存環周長僅有120公尺，所能產生的光束能量較低、亮度在一些重要波段也差了萬倍以上。 同步輻射出來的光是白光，需透過光束線進行分光，最後再接實驗站。光束線是同步加速器光源與實驗站之間的一個橋樑。理論上，在每一處電子偏轉的地方或是插件磁鐵的直線下游，都可以打開一個窗口，利用光束線將同步加速器光源引導出來，最後到達實驗站。新的TPS設計有48條光束線出口（實際能出38條光束線），每一條光束線有不同的功能，提供不同實驗光子能量的需求，相較於TLS的25條光束線擁有更多的能量選擇和實驗功能。且TPS的能量較高並可聚到很小的光束，對於現在的奈米科技研究或生物蛋白質結構解析都是一大福音。 在第三代的同步加速器光源中包含了插件磁鐵，它是一系列極性交錯排列的大型磁鐵裝置，使電子束經過時，會產生多次偏轉並且在裡面蛇行前進。其中一種插件磁鐵可使所放射出的光譜提升至更高能量，如軟X光甚至硬X光，此類插件磁鐵稱為增頻磁鐵。若將磁場交替的空間週期變短，使帶電的電子擺動幅度變小，放出來的光可在特定波段形成建設性干涉，大大提升光的亮度，此類插件磁鐵稱為聚頻磁鐵。插件磁鐵讓出光更聚焦、亮度更高且具有同調性。 實驗站位於光束線的末端，針對不同的研究主題以及光束特性，架設專業的實驗量測工具和樣品環境設備，例如：樣品位置操控台、光學元件、繞射儀和光束位置監視器等 等。當同步加速器光源照射在物體上時，產生許多來自物體本身特定的物理或是化學屬性之效應，例如:光電子激發、光吸收、反射或穿透、光散射、繞射或產生螢光或磷光等藉由顯微鏡、光電子能譜儀、陣列式光子檢測器或光譜儀等設備進行量測。此外，也可以透過同步輻射光源對物質做2D影像或斷層影像掃

Q奈米科技經過了將近20年，在學界和產界完全無退燒反而更勝以往，想請您談談其中之原由？且同步輻射已不像以往多只用在半導體產業，對於生物科技蛋白質結構解析等也非常有用。同步輻射的應用性和重要性在哪裡？

奈米科技開始之後大家對於微觀世界不斷進行研究了解，小還要更小。例如因應現在社會對於大量資料存取即處理速度的要求，晶圓製程奈米技術須從20奈米慢慢降至10奈米。在生物上我們不只要觀察細胞我們更要了解胞器，慢慢深入進而了解細胞核中的遺傳物質DNA或是蛋白質，這一步步的前進讓我們人類對於奈米世界的好奇一發不可收拾。不只是因為好奇，為了生活的便利、多樣性及人類生命的延續和探討等都離不開奈米科技，相信在未來也會持續發光發熱。 同步輻射就是一個強大的多功能光源，當同步加速器光源照射在物質上時，會產生不同的效應。例如光電子發射、離子或是中性原子脫離、吸收、散射、晶格繞射或產生螢光等現象，每一種效應皆與物質本身的物理或化學特性有密切的關聯。因此，利用同步加速器光源觀察物質，將可準確地探究物質的內部結構及物質內電子間的交互作用。同步加速器光源是未來尖端物質科學研究、生醫科技及高科技應用不可或缺的實驗利器，可廣泛應於材料、生物、醫學檢測、藥物疫苗開發、物理、化學、化工、地質、考古、環保、能源、電子、微機械、奈米元件等重要領域。 例如，DNA雙股螺旋結構是利用X光解析推導出來的，解出DNA結構後人類又面臨複雜蛋白質結構的挑戰，很多蛋白質不是知道由什麼化學元素結構組成即可，更要知道它的構形才能知道它的功用和相關機制，有時解蛋白質結構難度更高因為它在有作用和無作用時構形不同，這時更需要有先進設備可以量測動態變化下的蛋白質構形。蛋白質現在的問題是因為晶體很難製備，有研究者準備了好幾年才能將足夠大的高品質蛋白質晶體進行結構量測，所以新建的TPS同步加速器光源將可提供更高能量、高亮度及微光束能力，使蛋白質晶體即使很小也可以量測。光源能量的可調控性也可進行不同尺度物質的量測。 食品安全問題在這幾年越發嚴重，由生物金字塔我們可以知道生物鏈越高階的動物將食入更多樣的食物，但相對而言毒素也是最多。有毒物質必須在非常微量時就被測出，不是等到在人體進行累積產生病變或是影響再來補救。同步加速器光源可以對非常微量的有機毒素或是無機毒素進行定性及定量分析，做最上游的鑑定及分析標準的建立，對下端的檢測單位儀器量測進行校正，以知道毒素在各種物質中的正確含量，讓評估專家可以藉由數據去研究其特性並訂出相關的規範。 近期一篇自然（Nature）期刊的封面故事更利用台灣TLS之紅外光光束線去偵測恐龍化石中的有機殘留物。日本一次的刑事案件中，也曾藉由同步幅射光源之相關分析技術對證物進行鑑識進而破案。晶圓的奈米製程、微機電的相關開發研究就更脫離不了可運用不同光源的重要性。 同步輻射的應用無所不在，重要性更不在話下，缺乏此一工具及手段，將難以對於微觀物質世界進行更一步的研究和了解。所以現在各國都不斷的精進自己的同步加速光源設備以求達到更廣能量範圍和更高亮度的光源。在新的TPS首期實驗設施中，包含七條新的光束線：微米X光蛋白質結晶學光束線、高解析非彈性軟X光散射光束線、次微米軟X光能譜光束線、同調X光散射光束線、次微米X光繞射光束線、X光奈米探測光束線和時間同調X光繞射光束線。

Q未來將進入更微小奈米級的製程，將無法用傳統“Top-Down”由上而下製程可能須改由“Bottom-Up”由下而上的製程。兩個製程之前的差別？

目前“Bottom-Up”製程是如何進行？所面對的挑戰是？ “Top-Down”的方式是由大越做越小，例如要一個很細的矽線，你就拿矽條一次一次的切，切到所能切的最小粗細，所以越小越細就越難達成且良率會越來越低。這會有一個極限，將受限於所使用的儀器設備。現在矽晶圓線寬希望越來越細能降至10奈米，要能製作出如此細的線寬，若使用目前常見的黃光微影製程，曝光機的光源能量要夠高、波長要夠短，再來是即使真的產生如此細的線寬，用什麼檢測儀器可以確認製造出來的線寬是如你預期的這麼細？不管是曝光需要的光源或是檢測需要的光源都是一大挑戰，所以在“Top-Down”製程是有所極限的，這就是目前科技業所面臨的問題。我們同步輻射中心就有提供相關產業進行光源開發使用，藉由同步幅射的高能光源進行更細小線寬的製程開發，但是對於如此高難度、高成本的製程在產品良率或是量產上都是一大阻礙。 因為“Top-Down”製程所面臨的困境，研究“Bottom-Up”由小而大的製程是勢在必行，生物或是化學都是“Bottom-Up”。人是由受精卵慢慢複製分化成長而來，由小慢慢堆疊出大的形體並具有千變萬化的複雜功能，這是自然界長久演變而來的；化學上要合成一個大的結構也是由元素組成從小單元慢慢組成大的化合物。物理上要切出奈米單層薄膜是非常不容易的但是由化學方法慢慢長成單層薄膜卻是容易的，你還可以藉由不同的合成方法調控不同的厚度或是在上面加上不同的修飾，這是在物理方法上“Top-Down”很難做到的。 像我的實驗室從好幾年前開始就做“Bottom-Up”相關製程的研究，但是目前最難的地方是當你組合完小尺度奈米等級，要慢慢往上提升更高一層尺度或是三維空間的延伸並不容易。我想最後會是“Top-Down”和“Bottom-Up”兩種方式結合在一起。但想必這需要非常長的一段時間發展及大家不斷的努力才可達成。

Q目前同步輻射中心與許多大專院校有學程間的合作，因同步輻射在微觀世界應用的層面相當廣泛可能同時涉及物理、化學、生物等領域。對於現在年輕學生們您有什麼建議？

由前面的介紹大家可以知道同步輻射這塊領域需要的專業知識非常多元，不管是物理、化學、生物、醫學……等。所以不管你是念哪種領域，都可以進入同步輻射相關的應用領域。現在網路發達的時代，年輕學子更需要有獨立思考及判斷的能力，不能隨波逐流、人云亦云，不論是新聞上看到或是別人跟你說的訊息不一定都是正確的。近年進修念博士的人愈來越少，但是如果不適時投資以後可能就難有機會了！當你和所有人站在同一線上，須想想自己有什麼特色可以脫穎而出呢？懂得愈廣愈深，你將有許多不同的路可以走，最後整合在一起，會有更多方向可以實現你的夢想。 目前的社會經濟結構對年輕人並不理想，也沒有提供足夠對等的努力回饋機制，使年輕人缺乏士氣，也較不願意去投資自己，但我希望大家仍然可以堅持擁有夢想與野心，建立主動積極的人生目標。現在花多一點時間、眼界放遠一點，為未來投資，把自己的基礎建好，將來的發展才會更寬廣。