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緣起
總目標及說明 願景 未來環境預測 問題評析 預期效益及影響
總目標及說明
高亮度同步加速器光源是廿一世紀尖端科學研究不可或缺的實驗利器,已廣泛應用在材料、生物、醫藥、物理、化學、化工、地質、考古、環保、能源、電子、微機械、奈米元件等基礎與應用科學研究,世界各國也因而紛紛完成或興建不同能量的同步加速器。1983年,我國排除萬難,決定投入同步加速器的發展,正式向科技大國的道路邁進。受限於當時國內科發經費與技術能力,我國選擇建造一座能量較低的15億電子伏特同步加速器(Taiwan Light Source, TLS, 1.5 GeV)。經過20多年來的努力,此一光源的運轉水準,已可媲美世界頂尖的同步加速器,且已興建完成涵蓋8座插件磁鐵,27座光束線及54座實驗站的大型跨領域尖端實驗設施,其中多項儀器設備,更為世界首創,享譽國際。


近年來,我國學術界每年約有150組研究團隊、750位研究人員利用現有同步加速器光源從事尖端科學研究,且研究團隊與人數仍快速的增加中,研究成果在質與量上亦呈現大幅成長,各領域已做出數量可觀的世界一流科學實驗,發表在國際頂尖的學術期刊。此外,截至目前,共有84個國際研究機構,前來我國進行尖端實驗,對光源運轉水準大表讚揚。整體而言,同步加速器光源的相關研究,已顯著提升我國科技在世界上的知名度與影響力。


然而,國際間的科技競爭是十分激烈的。正當我國利用同步加速器光源之科學研究,邁向世界一流之際,過去5年來,世界各國在同步加速器發展上,亦有長足的進步,相較之下,我國現有光源在X光波段的光亮度已大幅落後國際先進設施,且可資利用的出光口幾乎用罄,成為未來進一步發展的重大瓶頸。我國倘未能儘速設計、建造更先進的光源,將坐失國際競爭之優勢,20多年來所發展的多項尖端科學研究勢必被淘汰,對我國長遠科技發展影響甚鉅。


10年前,科學界認為要發展高亮度X光光源,必須擁有高能量的同步加速器,但高能量設施造價昂貴,惟有財力雄厚的美國(APS, 7 GeV)、日本(SPring-8, 8 GeV)才能負擔,而歐洲也是集合多國之財力興建(ESRF, 6 GeV)。近年來加速器光源研發顯示,中能量的同步加速器既符合經濟效益,又可達到高能量設施(6 GeV以上)具有的特性,故建造低束散度、中能量同步加速器設施已經成為國際趨勢。全世界已有10多座中能量的同步加速器光源建造完成或正在建造中,包括義大利的Elettra (2.4 GeV)、韓國的PLS (2.5 GeV)、瑞士的SLS (2.4 GeV)、加拿大的CLS (2.9 GeV)、美國的SPEAR3 (3 GeV)、法國的SOLEIL (2.75 GeV)、英國的DIAMOND (3 GeV)、亞美尼亞的CANDLE (3 GeV)、澳洲的ASP (3 GeV)、約旦的SESAME (2.5 GeV)、中國的SSRF (3.5 GeV) 、西班牙的CELLS (3 GeV)等,且都不斷朝向更高的技術規格發展。


基於我國跨領域尖端科學研究對高亮度 X 光光源之殷切需求及國際間高亮度加速器光源設施的強烈競爭, 國家同步輻射研究中心 ( 以下簡稱 NSRRC) 董事會於 2004 年 7 月決議推動向政府提出「台灣光子源跨領域實驗設施興建計畫」,並認定目前正是最佳時機:
  • 過去幾年國內學術界使用現有光源設施的研究成果,在質與量上皆呈大幅成長,各領域已做出世界一流的科學實驗。
  • NSRRC 已累積 20 多年加速器光源設施之規劃設計、主導建造、系統整合、以及運轉維護的深厚經驗與專業技術。
  • 近年來 NSRRC 已成功建立備受國際肯定之加速器超導高頻共振腔及超導磁鐵等關鍵性技術與設施,並擁有相關高科技人才。
  • NSRRC 已具備興建高亮度加速器光源設施的技術自主能力,且已發展眾多的先進實驗設備可供就地轉移使用,節省經費。
  • 目前正逢世界上高亮度同步加速器光源技術成熟期,應是我國更上層樓,興建「台灣光子源」水到渠成的良機。
願景

「台灣光子源同步加速器興建計畫」擬以總經費新台幣68億8千萬、 7 年時間興建完成超高亮度同步加速器光源本體 (不包含插件磁鐵、光束線及實驗站等周邊實驗設施)。台灣光子源同步加速器本體興建完成後,將可提供亮度高達1021 photons/s/0.1%BW/mm2/mr2之X光,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:

  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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。
未來環境預測
同步加速器歷經與高能物理實驗共用的第一代光源,以偏轉磁鐵為主的第二代同步加速器專用光源,及以插件磁鐵為主的第三代光源,其光源的亮度、穩定度及可靠度,皆有非常顯著的進展。第三代的同步加速器光源可分為低能量(2 GeV以下)、中能量(2 – 4 GeV)、以及高能量(6 GeV以上)三種。由於低能量的同步加速器光源無法產生高亮度的X光,而多項尖端科學研究領域的發展對於高亮度X光光源的需求又非常迫切,因而歐洲(ESRF, 6 GeV)、美國(APS, 7 GeV)及日本(SPring-8, 8 GeV)在1990年代已先後各建造完成一座高能量、高亮度的第三代同步加速器光源,但是高能量的同步加速器光源造價昂貴,其產生之光源也會帶來較難處理的高熱量的問題。因此,隨著插件磁鐵以及加速器技術的發展,高亮度中能量同步加速器光源已成為發展的主流,在廿一世紀初期,有如雨後春筍般許多新的興建計畫正在進行,而現有的中能量同步加速器光源也被重新改進,提升其發光亮度。


近年來由於中能量的同步加速器既符合經濟效益,又可達到高能量儲存環具有的光亮度,故建造中能量同步加速器設施已成國際趨勢。目前全世界已有10多座中能量的同步加速器光源建造完成或正在建造中。本計畫擬推動興建的高亮度「台灣光子源同步加速器」在加速器設計上將強調超低的電子束束散度及充足的出光口數量,在系統的建造上將具有高亮度、高穩定度及高可靠度等性能。建造完成後,將可提供光亮度高達 1021 photons/s/0.1%BW/mm2/mr2之X光,成為世界上性能最優異的同步加速器光源。
問題評析

NSRRC現有光源在過去10幾年,雖然可靠度、穩定度及插件磁鐵的開發上,皆有顯著的進展。但是,在同一期間,全世界已有許多其他國家陸續建造新的第三代同步加速器光源。20多年前我國由於客觀環境因素,在有限的經濟能力與加速器技術下,選擇電子束能量低、儲存環直線段少、插件磁鐵安裝空間有限的同步加速器,是全世界能量最低的第三代同步加速器光源設施。目前現有加速器光源已面臨繼續發展的重大挑戰:

  • 尖端科學研究有賴高亮度X光光源,低束散度、中高能量同步加速器已是發展主流,先進國家已紛紛完成或興建中。
  • 現有同步加速器光源為20多年前之設計,電子束能量低、束散度高,已無法與國際先進設施競爭。
  • 現有光束線時間已不敷學術界使用,可資利用之出光口即將用罄。
  • 我國若未能繼續發展更先進的光源,將無法開創嶄新實驗技術,拓展科學研究領域,20多年來發展的多項尖端科學研究勢必被淘汰,對我國長遠科技發展影響甚鉅。
預期效益及影響

「台灣光子源」能量為 3 ~ 3.3 GeV ,周長為 518 m ,未來在加速器設計上將強調超低的電子束束散度及充足的出光口數目,在系統的建造上將具有高亮度、高穩定度及高可靠度等性能, 其主要特色是:

  • 設計多重性較高的24 DBA磁格,可大幅降低電子束的束散度。
  • 在儲存環中設計出24個直線段,可容納更多的插件磁鐵,發揮高亮度同步加速器光源的特色。
  • 插件磁鐵將採用超導聚頻及增頻磁鐵的設計,以產生超越高能量同步加速器光源的光亮度。
  • 大幅提升溫控、地表及機械震動之壓抑、儀器控制等技術,及機電相關之可靠度,以配合超低束散度所需的穩定度。
  • 藉由超導高頻共振腔的技術及恆定電流累加注射系統的成功經驗,提供最大的電子束電流和穩定度。