專業 物理

點亮台灣之光,耀眼全世界:國家同步輻射研究中心

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撰文者:陳家益
發文日期:2019-08-12
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  • 誕生

    翻開泛黃的「同步輻射可行性研究報告」[1],我們回到了1982年;那時,台灣的科學研究才剛要起步。1981年國科會 (現為科技部) 成立了「同步輻射可行性研究小組」,並在1982年提出了可行性的研究報告;隔年 (1983年) 10月策劃興建小組成立。策劃興建後的10年,台灣光源 (Taiwan Light Source, TLS) 首次出光,這象徵著台灣的科學研究可以往更小的尺度邁進,同時間支持著許多台灣的研究團隊進行許多基礎的科學研究,帶領著科技產業飛翔。隨著時間的流逝,2003年5月國家同步輻射研究中心正式成立了,也準備邁向下一步,創建更亮的光源。由陳建德院士領軍的台灣光子源 (Taiwan Photon Source, TPS) 同步加速器興建計畫 [2],在2016年成功的讓台灣晉升世界亮度最高之第三代同步加速器光源設施之列。
     
    fig0
     


    同步加速器是什麼?

    同步加速器最初期的應用是在高能物理實驗之中,用來讓帶電粒子加速至接近光速後,讓高速的帶電粒子碰撞物質來找尋比原子更小的粒子。

    「同步」是指帶電粒子在加速的同時,為了使帶電粒子能在固定曲率半徑的環形軌道運行,偏轉帶電粒子運動方向的磁鐵,其磁場強度需隨著帶電粒子能量的增加而增加。 

    1947年,美國通用電器公司在70百萬電子伏特 (70 MeV) 的電子同步加速器上,首次觀測到的電磁輻射,開啟了同步加速器另一個科學應用領域。為了提供材料科學、生物醫藥以及眾多工業應用與科學研究所需之高強度、高穩定度、高偏振性、準直性佳、連續寬廣的光譜且截面積小的電磁輻射光源,同步加速器光源設施自此開始蓬勃發展。

    同步加速器輻射,一般簡稱「同步輻射」,是指在固定軌道上運行的高速電子,因磁場作用而偏轉的過程中所放射 (輻射) 出的電磁波。相較於其他光源,利用偏轉磁鐵產生之同步輻射,有更寬廣的能譜範圍以及很高的亮度,如圖一所示。
    fig1
    圖一:同步加速器輻射光源可涵蓋之能譜範圍。

    設計「同步加速器」

    以應用的角度出發,提高同步加速器輻射光源之亮度 (brilliance) 是設計同步加速器時首先要考慮的條件;高亮度光源的物理意義在於高功率、低發散、小光點、短脈衝以及同調光。影響同步輻射光源亮度的主要因素分別為:光源輸出功率 (Nphoton)、光源角發散度
    x' , σy')、光源截面積 (σx · σy
    )、脈衝長度 ( eq3 ) 以及光源的單色性 ( eq4 )。根據平均總輻射功率,高能量帶電粒子在同步加速器全環偏轉強度相同的條件之下,當帶電粒子之總能量越高、偏轉曲率半徑越小、靜止質量越小,就可有更高的輸出功率。舉例來說,單就帶電粒子的靜止質量而言,如果以質子 (質子的質量 ~ 1.67×10-27 kg) 與電子 (電子的質量 ~ 9.11×10-31 kg) 做比較,電子同步加速器可提供超過質子同步加速器13個數量級的光源功率輸出。
    eq5
    這正說明了為何所有以光源應用為主之同步加速器都是利用電子或正電子為被加速的帶電粒子。

    同步輻射的角發散度與截面積均由電子束的自然發射度 (natural emittance) 來決定,如圖二所示,對於固定能量的電子束來說,自然發射度在全環的任一縱向位置皆是恆定值,由於橫向振幅函數 βx 會隨著電子束在加速器中的縱向位置而改變,因此,電子束的大小便會隨著電子束之縱向位置而改變。然而垂直發射度 ε主要源自於水平發射度 εx 的耦合效應。在能量發散度可忽略的情況下,水平角發散度與垂直角發散度分別正比於eq9 eq10,而截面積則是正比於 eq11,因此自然發射度越小,輻射光源的能量越集中,光源亮度則越高。然而,電子束的水平自然發射度大小主要由電子能量 與電子束行經全環偏轉磁鐵的平均偏轉角度 eq12主導,所以在相同的電子能量之下,越小的偏轉角度可以得到愈小的自然發射度,同時間卻也需要越多的偏轉磁鐵,因此同步加速器的周長則會越長且占地越大。
     
    fig2
    圖二:電子束在同步加速器直線段中點之水平方向相空間示意圖,其中橢圓的面積即是水平自然發射度 εx 
    ,而電子束橫向寬度則是 eq13


    電子在磁場中的運動必須滿足磁剛性1 (magnetic rigidity),當這個電子的速度接近光速時,我們可以把這個高速運動的電子視為相對論性粒子2,因此它的磁剛性會被偏轉磁鐵的磁場強度與磁場對於粒子所造成的迴旋半徑的乘積決定。由於目前一般非超導體偏轉電磁鐵的磁場上限大約是2特斯拉 (2 T),以及被可使用空間所限制之電子束迴旋半徑,電子束可達到的總能量是有所限制的,需在同步加速器設計時納入考量。以台灣光子源為例,電子總能量為30億電子伏特 (3 GeV),非超導偏轉電磁鐵的磁場強度為1.1908特斯拉,以24組彎段 (48個1.1公尺長的偏轉磁鐵) Double-Bend Achromat的磁格方式設計,對應出曲率半徑8.4公尺以及周長518.4公尺的儲存環,其中包含了6條12公尺的長直段與 18條7公尺的短直段可供安裝插件磁鐵與高頻共振腔。相較於能量為1.5 GeV台灣光源 (自然發射度
    = 22 nm · rad),新建能量為3 GeV之台灣光子源 (自然發射度 = 1.6 nm · rad) 其亮度增加了超過1000倍。

     
    各種不同加速器光源: 

    除了偏轉磁鐵,同步加速器還可以藉由搭載其他設備來提高亮度及改變頻譜特性,或是憑藉其建造技術來開發新一代的光源,例如自由電子雷射。目前國家同步輻射研究中心可以利用不同模式來所提供光源:

     1.    利用偏轉磁鐵 (bending magnet) 與移頻磁鐵 (wavelength shifter) 
     
    fig3
    圖三
     
    藉由偏轉磁鐵產生同步輻射的方式可由圖三 (a) 說明,產生的能譜主要是由特徵光子能量 (critical photon energy) 來決定,特徵光子能量指的是在此能量之同步輻射光會接近最高的輸出功率,而高於特徵光子能量的同步輻射,其同步輻射光輸出功率便會以指數形式快速下降。特徵光子能量 eq7的定義為
     
    eq14 
     
    在固定電子總能量的條件之下,同步輻射的頻譜是由偏轉磁鐵的磁場大小來決定B。另外,如果我們在儲存環的某一直線段加裝了磁場更強的移頻磁鐵,如圖三 (b) 所示,則可局部的提高特徵光子能量,進而可以在該直線段的出光口得到更強的短波長輻射光源。如圖四所示,藍色曲線表示台灣光子源以1.19特斯拉之偏轉磁鐵的所產生的同步輻射,如加裝4.54特斯拉之移頻磁鐵,其特徵光子能量可由7130電子伏特增加至27200電子伏特,而光子能量範圍則可超過10萬電子伏特,如圖四中的紅色曲線所示。
    fig4
    圖四:台灣光子源偏轉磁鐵之光子能量對光通量密度之頻譜圖。
     
     2.    利用增頻磁鐵 (wiggler) 與聚頻磁鐵 (undulator) 

    同步加速器更有效的發光方式是在儲存環的直線段上安裝週期性磁鐵陣列,稱為「插件磁鐵」。電子束團在插件磁鐵中的行走方式,會因磁場變化而有交替性的行進軌道變化,進而產生角度的偏轉情形。值得特別注意的是,插件磁鐵的設計須確保電子束團離開磁鐵陣列時,在直線段的最終行進軌跡並未產生偏折或是平移。插件磁鐵主要分為兩類:增頻磁鐵與聚頻磁鐵,如圖五 (c) 與 (d) 所示。
     
    fig5

    圖五   eq15是交替磁場的週期長度, N是磁場變化的週期數,而 N是電子數。



    兩種插件磁鐵的主要差異,主要在於偏轉強度的參數 的不同:
     
    eq16
     
    B是插件磁鐵單一磁塊之磁場強度。
    當磁場強度越強亦或交替磁場的週期越長,電子束團會產生更大的橫向擺動振幅。
    fig6
    圖六:插件磁鐵發光之光錐偏向角與光錐發散角示意圖。
     
    如圖六所示,插件磁鐵發光之光錐偏向角與光錐發散角的定義分別為 eq18 與  eq19,其中eq20是勞倫茲因子。當eq17 1 時,偏向角將遠小於發散角,高度重疊的光錐因建設性干涉,可得到1階 (n = 1) 的單頻光譜,如圖七 (a) 所示;若是 K ~ 1時,可以產生數個低階的光譜
    (n = 1, 3, 5…),如圖七 (b) 所示,以上兩種型式的插件磁鐵稱之為「聚頻磁鐵」。
    fig7
    圖七:聚頻磁鐵之光譜示意圖。


    然而當 eq21 1 時,所產生的光錐幾近乎不重疊,則可產生近似連續的光譜,此類插件磁鐵稱之為增頻磁鐵。顧名思義,聚頻磁鐵是把同頻率的光聚集在一起,而增頻磁鐵則是把光子能量往更高頻率的區域推進。以台灣光子源來估算,圖八說明了在光軸上,台灣光子源增頻磁鐵之光通量密度對光子能量之連續頻譜。如圖九所示,台灣光子源聚頻磁鐵IU22光通量密度對光子能量之能譜圖。
     
    fig8
     圖八:TPS增頻磁鐵之光軸上 (on axis) 光通量密度對光子能量之能譜圖。
     
     
    fig9
    圖九:TPS聚頻磁鐵之光通量密度對光子能量之能譜圖。
     
     
     
     
    未來可能提供的光源:

     1.    反向康普敦散射 (backward Compton scattering) 

    如需更高能量的伽瑪射線,反向康普敦散射是一個可行的方式,如圖十所示。以波長266奈米之紫外光雷射為入射光子與台灣光子源儲存環中的電子束進行反向康普敦散射,其產生之光子能量最高約可達5.2億電子伏特,如圖十一所示,其對應的波長為 2.38×10-15 公尺。
     
    fig10
    圖十
     
     
    fig11
    圖十一:搭配不同波長的商用雷射,台灣光子源藉由反向康普敦散射可提供之光子波長範圍可達伽瑪射線
    ,其中b是面積的單位,等同於10-28平方公尺。


     2.    自由電子雷射  (free electron laser) :
    fig12

    圖十二

    獨立於服役中的兩座環形同步加速器之外,國家同步輻射研究中心還有一項進行中的計劃,自由電子雷射。不同於環形加速器,自由電子雷射系統採直線方式建置。傳統雷射系統的發光機制,憑藉的是增益介質其束縛態的原子或分子經由能階的變化搭配光學共振腔,產生高強度且高同調性的光束。有別於傳統雷射系統,自由電子雷射最後端的輻射器 (radiator) ,與電子束在聚頻磁鐵中的週期性橫向運動相同,如圖十二所示。然而,自由電子雷射與聚頻磁鐵出光的最大不同在於上游入射之電子束已經由外部雷射與調變器 (modulator) 進行縱向電子微束結構的建置,進而可以有更高的峰值功率輸出。另一方面,有別於環形同步加速器橢圓橫截面的電子束,其入射電子通常是由一台外部雷射轟擊在光陰極高頻電子鎗的表面而產生電子束,雷射光束的橫截面即是入射電子束之橫截面,因此,自由電子雷射其電子束乃是圓形橫截面。 
     
     
     

    以尖端研究及產業應用等高端服務為宗旨

    台灣光源與台灣光子源之加速器基本參數,與分別所安裝之移頻磁鐵與插件磁鐵,表列於國家同步輻射研究中心之官方網站 [7]。台灣光源自1993年首次出光以來,是亞洲第一座第三代同步加速器光源設施;全球第二座使用超導高頻共振腔之同步加速器光源設施;且於2005年10月成為全球第三座採用恆定電流運轉模式之光源。其周長120公尺的儲存環,安裝了世界上相近規模同步加速器中最多的九座插件磁鐵,超越了原始設計的四座插件磁鐵,360毫安培的運轉電流也超越了原始設計之200毫安培,並在2011年,首度跨越每年10000實驗人次的里程碑,表現相當優異。

    自2007年3月行政院同意「台灣光子源同步加速器興建計畫」以來,2010年開工動土,於2014年底首度出光,2015年9月啟用並開放用戶使用。於2017年底,完成第一期周邊實驗設施的興建,共建置了蛋白質微結晶學、共振軟X光散射、次微米軟X光能譜、同調X光散射、次微米X光繞射、X光奈米探測、時間同調X光繞射等7條插件磁鐵光束線及其對應之實驗站設施,且以全數開放用戶使用,並於同年5月啟動了第二期周邊實驗設施興建計畫,其中包括了7條插件磁鐵光束線與3條偏轉磁鐵光束線,將在陸續完工之後,開放用戶使用。
    2019年2月15日,台灣光子源通過了行政院原子能委員會之最高電流運轉審查,獲得「台灣光子源同步加速器500毫安培運轉執照」,運轉執照並核定研究測試時之同步加速器最高運轉電流為550毫安培。秉持著服務業的精神,自此,台灣光子源將以原始設計低束散度、高光亮度之最高電流運轉模式來提供所有產業界、學術界的各項產品開發檢驗與基礎科學研究。

     
    註:

    1在加速器物理學中,磁剛性是討論特定磁場對帶電粒子運動的影響,所以被用來度量帶電粒子的動量。當帶電粒子的動量越高時,帶電粒子對磁場偏轉具有較高的抵抗力。

    2 相對論性粒子一般是指「光子」,因為光子的靜止質量為零,根據相對論,光子的能量可以被寫為E=pc。




    參考文獻

    [1]    行政院國家科學委員會同步輻射可行性研究小組,“同步輻射可行性研究報告”,1982年11月。
    [2]    國家同步輻射研究中心,“台灣光子源同步加速器興建計畫書”,2006年9月。
    [3]    鄭伯昆,“台灣同步輻射設施出光十週年雜記”,物理雙月刊,二十六卷二期,P374-382,2004年4月。
    [4]    梁耕三、王維志、羅國輝、楊耀文、王昭平、郭錦城、陳俊榮、許國棟,“台灣光子源興建計畫之進展報導”,物理雙月刊,三十卷一期,2008年2月。
    [5]    潘冠宇、李宛萍,“台灣加速器光源的故事”,科學發展,514期,P20-27,2015年10月。
    [6]    潘冠宇、簡吟珊、李宛萍,“台灣加速器光源的發展歷程”,科學發展,514期,P28-34,2015年10月。
    [7]    http://www.nsrrc.org.tw
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