許洪彬 蔡金剛

目光盯向全球科技發(fā)展前沿

上世紀(jì)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(jì)發(fā)展搞得好，島內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)經(jīng)費(fèi)充足，科研環(huán)境得到很大改善，基本研究設(shè)施完備，培養(yǎng)的科學(xué)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(diǎn)扶持項(xiàng)目，推進(jìn)尖端科技發(fā)展。

基礎(chǔ)研究是人類深刻認(rèn)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(shù)、新發(fā)明的先導(dǎo)及培育創(chuàng)新人才的搖籃。自上世紀(jì)50年代末臺灣科技主管部門成立以來，一直非常重視基礎(chǔ)研究，采取一系列資助措施予以支持，并加強(qiáng)宏觀管理與協(xié)調(diào)，改善研究環(huán)境，組織實(shí)施各類基礎(chǔ)研究計(jì)劃，在島內(nèi)形成了一支穩(wěn)定的研究隊(duì)伍，取得了一批重要的成果，顯著提高了臺灣基礎(chǔ)研究整體水平，某些領(lǐng)域已進(jìn)入世界先進(jìn)前列。若要尋求更大突破，依靠現(xiàn)有科研設(shè)備已經(jīng)不夠，必須借助更先進(jìn)的大型科研裝置和設(shè)施，例如同步輻射加速器。

放眼全球，當(dāng)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(lǐng)域的突破能力，因而都離不開大型科研裝置和設(shè)施的輔助與支撐。這類大型科研裝置和設(shè)施既是開展前沿基礎(chǔ)研究的重要手段，也是衡量一個國家或地區(qū)綜合科技實(shí)力的體現(xiàn)，而且是其他學(xué)科和工程技術(shù)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(jìn)行對外科技合作與交流的窗口，對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有特別重要的意義。此外，大型科研裝置和設(shè)施還是眾多高新技術(shù)的源泉和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的搖籃，是大量高技術(shù)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(shù)或把已有技術(shù)提高到新的水平。

以同步輻射加速器為例，這是一種能夠產(chǎn)生帶電粒子同步輻射的大型科研設(shè)施，當(dāng)接近光速的帶電粒子在圓形軌道中運(yùn)動并受電磁場作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)時會發(fā)出同步電磁輻射，可以用來研究物質(zhì)的原子和分子結(jié)構(gòu)，在基礎(chǔ)科學(xué)、應(yīng)用科學(xué)和工藝學(xué)等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。例如用同步輻射衍射光對物質(zhì)表面晶體生長過程中產(chǎn)生的納米級量子阱的體積進(jìn)行分析測量，以了解其光電特性，用于研發(fā)新型半導(dǎo)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(qiáng)度的蜘蛛網(wǎng)絲組成結(jié)構(gòu)，以制造更堅(jiān)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(zhì)的結(jié)晶體結(jié)構(gòu)，以更好地了解導(dǎo)致人類一些疑難疾病的神經(jīng)作用過程和發(fā)病機(jī)理。

當(dāng)時全世界已有很多國家和地區(qū)擁有這種大型科研設(shè)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(shí)驗(yàn)室的合肥同步輻射加速器，并且正在醞釀建造北京正負(fù)電子對撞機(jī)和蘭州重離子加速器等國家重大科學(xué)工程。

建造同步輻射加速器這類大型科研裝置和設(shè)施與研制普通科學(xué)儀器有很大不同，也有別于一般的科研項(xiàng)目，其特點(diǎn)是科學(xué)技術(shù)意義重大、影響面廣，同時建設(shè)規(guī)模大、耗資多、建設(shè)時間長，且技術(shù)復(fù)雜，需要在建設(shè)中研制大量非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，其產(chǎn)出是科學(xué)知識和技術(shù)成果，而不是直接的經(jīng)濟(jì)效益，建成后要通過長時間穩(wěn)定的運(yùn)行、不斷發(fā)展和持續(xù)的科學(xué)活動才能實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)，從立項(xiàng)、建設(shè)到利用的全過程，都表現(xiàn)出很強(qiáng)的開放性和國際化的特色。

特別是要建設(shè)這樣大型的科學(xué)工程，其大型關(guān)鍵科研裝備的性能和工藝水準(zhǔn)不僅要能夠適應(yīng)科學(xué)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(jìn)水平，并且具有自己的特色和獨(dú)到之處。由于大型關(guān)鍵科研裝備前瞻性的需要，其實(shí)施必然是高起點(diǎn)的。但是這種高起點(diǎn)裝備又不可能全部引進(jìn)，必須結(jié)合自己的優(yōu)勢進(jìn)行創(chuàng)造性的工作，因此有一定的技術(shù)難度，是一項(xiàng)跨學(xué)科、跨領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)工程。

不惜代價

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

在1986年以前，島內(nèi)物理學(xué)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(jì)力學(xué)等五大領(lǐng)域。其中，凝聚態(tài)物理研究的重點(diǎn)放在對固體材料的熱性、電磁性、機(jī)械性質(zhì)等方面的了解，進(jìn)而改進(jìn)、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(diǎn)放在原子核結(jié)構(gòu)及現(xiàn)象、電磁作用、強(qiáng)作用力及弱作用力、基本粒子研究之中間媒介等理論內(nèi)容；原子與分子物理研究的重點(diǎn)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(xué)和生命合成物的性質(zhì)關(guān)系等方面；粒子物理及場論屬于物理學(xué)中最新領(lǐng)域；統(tǒng)計(jì)力學(xué)則作為方法論，研究重點(diǎn)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(zhì)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(xué)性質(zhì)及現(xiàn)象等問題的微觀了解上。

當(dāng)時島內(nèi)物理研究計(jì)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(jìn)物理學(xué)研究發(fā)展，臺灣科技主管部門自然科學(xué)發(fā)展處在1985年初制定了“物理學(xué)科規(guī)劃方案”，提出應(yīng)根據(jù)島內(nèi)科技發(fā)展趨勢及社會建設(shè)需要，規(guī)劃數(shù)個研究重點(diǎn)方向，并據(jù)以推動大型整合性合作研究計(jì)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(zhì)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(xué)科基礎(chǔ)研究重點(diǎn)方向共有5個：規(guī)范場論及其現(xiàn)象學(xué)研究，稀土及過渡金屬系統(tǒng)的磁性及超導(dǎo)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(yùn)用，固體表面的能譜學(xué)研究，非線性與相位共軛研究。

上世紀(jì)80年代，世界各國掀起高溫超導(dǎo)研究熱潮后，臺灣相關(guān)科技人員投入該項(xiàng)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(dǎo)研究規(guī)劃小組”，負(fù)責(zé)購置關(guān)鍵性貴重儀器設(shè)備，供研究人員測試導(dǎo)體物理、化學(xué)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(jì)劃方式成立高溫超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室，集中人力、物力，以重點(diǎn)研究尋求突破，提高島內(nèi)研究水平。

由于表面物理研究對臺灣當(dāng)時正在大力發(fā)展的電子及化工產(chǎn)業(yè)有極其重要的關(guān)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(diǎn)，組成研究團(tuán)隊(duì)，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(shí)業(yè)研究所，1962年在臺灣復(fù)建，由著名物理學(xué)家吳大猷擔(dān)任首任所長，此后該所一直是臺灣實(shí)驗(yàn)物理學(xué)研究的主力。上世紀(jì)80年代，該所的研究領(lǐng)域擴(kuò)充至場論與粒子物理、原子核物理、統(tǒng)計(jì)與計(jì)算物理等領(lǐng)域。其余主要開展實(shí)驗(yàn)物理學(xué)研究的還有臺灣大學(xué)、新竹清華大學(xué)、臺灣師范大學(xué)及臺當(dāng)局“原能會”下屬的核能研究所等，但它們的一個共同特點(diǎn)是都缺少能夠開展基本粒子實(shí)驗(yàn)研究的大型科研儀器設(shè)備。

早在1978年9月，時任臺灣中研院院長兼臺灣科學(xué)指導(dǎo)主管部門負(fù)責(zé)人的吳大猷與臺灣科技主管部門自然科學(xué)發(fā)展處處長林爾康及臺灣物理學(xué)會理事長鄭伯昆共同參加在瑞典舉辦的國際物理與應(yīng)用物理學(xué)會大會，聽到外國科學(xué)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(jìn)設(shè)備的計(jì)劃，以此提升臺灣的科技水準(zhǔn)。會后，他們共同向臺灣科技主管部門遞交了申請?jiān)O(shè)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(nèi)專家學(xué)者討論未來物理學(xué)可能的大規(guī)模研究方向時，將同步輻射研究作為選項(xiàng)之一，成立“同步輻射興建可行性研究小組”進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)建造同步輻射加速器的費(fèi)用是一個天文數(shù)字，以當(dāng)時臺灣的科研經(jīng)費(fèi)根本不夠。

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

該設(shè)施占地15公頃，是當(dāng)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(shè)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(xué)實(shí)驗(yàn)。截至1998年底，共有8條正常運(yùn)轉(zhuǎn)的光束線，來自島內(nèi)外學(xué)術(shù)研究單位2272人次使用該光源，執(zhí)行538個物理、化學(xué)、材料、生物、微機(jī)械等領(lǐng)域的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

正式運(yùn)營

自1994年正式開放運(yùn)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(nèi)外用戶共計(jì)4805人次，共進(jìn)行1123項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括56個島內(nèi)學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)及40個海外學(xué)術(shù)研究團(tuán)隊(duì)參與。加速器每日24小時、每周7日連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時數(shù)為6122小時，運(yùn)轉(zhuǎn)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(xiàng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，供不同領(lǐng)域科學(xué)實(shí)驗(yàn)使用。

然而此時卻發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初設(shè)計(jì)建造加速器多極增頻磁鐵時，由于經(jīng)驗(yàn)不足及為了省錢，沒有使用超導(dǎo)體，導(dǎo)致電子儲存環(huán)的磁場能量較低。盡管后來采取種種補(bǔ)救方法，例如重新更換由美國康奈爾大學(xué)提供的500MHz/500毫安超導(dǎo)高頻共振腔，以解決高階模所造成縱向電子多團(tuán)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(shè)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(xué)研究所，借用其位于兵庫縣播磨科學(xué)花園城的第三代大型同步輻射加速設(shè)施Spring-8。臺當(dāng)局不得不另外花錢，在Spring-8同步輻射設(shè)施儲存環(huán)上安裝一套真空內(nèi)X光聚頻磁鐵，并建造2個臺灣專屬光束線及4座主要實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)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(zhì)結(jié)晶學(xué)及微區(qū)繞射等實(shí)驗(yàn)；另一座為非彈性X光散射光束線，可供臺灣研究人員進(jìn)行高相干性電子系統(tǒng)（如高溫超導(dǎo)與巨磁電阻等前瞻性材料）的尖端研究。

2000年之后，臺當(dāng)局每年給予臺灣同步輻射加速器運(yùn)營經(jīng)費(fèi)支出從之前的6億多元新臺幣增加到近8億元，相關(guān)工作人員共有170余人。2003年1月，臺當(dāng)局為了讓該機(jī)構(gòu)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(tuán)法人，成立董事會，讓其自負(fù)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(fù)責(zé)管理，但每年仍需“捐贈”10億元新臺幣作為運(yùn)營費(fèi)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(shè)施出光口已經(jīng)用罄，實(shí)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(xué)技術(shù)會議”進(jìn)行討論，臺當(dāng)局2007年3月批準(zhǔn)了“臺灣光子源同步加速器興建計(jì)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(xué)、交通大學(xué)及高速網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算中心等學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)。

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

原有同步輻射加速器也在繼續(xù)運(yùn)行。截至2013年底，該中心開放用戶使用的光束線共24條，進(jìn)行尖端實(shí)驗(yàn)共1586件、10，848實(shí)驗(yàn)人次，研究領(lǐng)域包括凝聚態(tài)表面物理、磁學(xué)與費(fèi)米粒子、X光生物結(jié)構(gòu)、電子元件微結(jié)構(gòu)、X光材料結(jié)晶學(xué)、薄膜成長機(jī)制、高溫超導(dǎo)材料X光吸收光譜、自組裝分子材料化學(xué)成像、納米碳管束電子性質(zhì)、巨磁阻材料電子結(jié)構(gòu)，以及大氣與星際化學(xué)、冰晶物質(zhì)光化學(xué)、新型電荷與質(zhì)譜分析技術(shù)研發(fā)、內(nèi)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(jì)數(shù)字，用戶發(fā)表于國際知名科學(xué)期刊的SCI論文共有305篇，其中發(fā)表于各領(lǐng)域重要期刊影響力指標(biāo)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(xué)研究團(tuán)隊(duì)共同參與恐龍胚胎化石研究，利用同步加速器光源進(jìn)行非破壞式超高解析二維紅外光譜顯微術(shù)造影，首度發(fā)現(xiàn)1億9500萬年前“祿豐龍”胚胎化石內(nèi)存在有機(jī)物質(zhì)殘留物的證據(jù)，并得以追蹤恐龍蛋內(nèi)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(dāng)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(xué)、“國研院”共同簽署《策略合作營運(yùn)育成聯(lián)盟合作備忘錄》，結(jié)合三方優(yōu)勢，開展產(chǎn)學(xué)合作，促成研發(fā)成果產(chǎn)業(yè)化，并培育臺灣優(yōu)質(zhì)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(jì)劃”和“同步光源虛擬實(shí)驗(yàn)室合作研究計(jì)劃”，研究范圍涵蓋極紫外光半導(dǎo)體元件制作、微機(jī)電元件制作、蛋白質(zhì)制藥研發(fā)、運(yùn)用磁場或加速器于醫(yī)療器材、半導(dǎo)體及電池材料與元件研究等方面的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用與開發(fā)。

在人才培育方面，該中心與新竹清華大學(xué)開辦“先進(jìn)光源科技學(xué)位學(xué)程”、“結(jié)構(gòu)生物學(xué)程”，與交通大學(xué)開辦“加速器光源科技與應(yīng)用學(xué)位學(xué)程”。另為推廣先進(jìn)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(shù)與應(yīng)用教育培訓(xùn)課程，包括自由電子激光冬季課程、2013年先進(jìn)光源暑期科學(xué)實(shí)習(xí)課程、X光吸收光譜數(shù)據(jù)分析體驗(yàn)營、2013年蛋白質(zhì)結(jié)晶學(xué)訓(xùn)練課程、同步加速器光源應(yīng)用與實(shí)習(xí)暑期課程和第四屆X光科學(xué)暑期學(xué)校等。