许洪彬 蔡金刚

目光盯向全球科技发展前沿

上世纪80年代，台湾在科技发展的道路上已走过一穷二白的初始阶段。由于经济发展搞得好，岛内各研究机构经费充足，科研环境得到很大改善，基本研究设施完备，培养的科学人才数量逐年增多，研究水平也有很大提高，开始把目光盯向全球科技发展前沿，选定重点扶持项目，推进尖端科技发展。

基础研究是人类深刻认识自然现象、揭示自然规律，获取新知识、新原理、新方法的源泉，也是新技术、新发明的先导及培育创新人才的摇篮。自上世纪50年代末台湾科技主管部门成立以来，一直非常重视基础研究，采取一系列资助措施予以支持，并加强宏观管理与协调，改善研究环境，组织实施各类基础研究计划，在岛内形成了一支稳定的研究队伍，取得了一批重要的成果，显着提高了台湾基础研究整体水平，某些领域已进入世界先进前列。若要寻求更大突破，依靠现有科研设备已经不够，必须借助更先进的大型科研装置和设施，例如同步辐射加速器。

放眼全球，当代世界各国和地区的科技竞争主要表现在若干前沿领域的突破能力，因而都离不开大型科研装置和设施的辅助与支撑。这类大型科研装置和设施既是开展前沿基础研究的重要手段，也是衡量一个国家或地区综合科技实力的体现，而且是其他学科和工程技术发展的带动力量，同时还是凝聚精干科研群体和培养高水平科技人才的基地，以及进行对外科技合作与交流的窗口，对科学技术的发展具有特别重要的意义。此外，大型科研装置和设施还是众多高新技术的源泉和高新技术产业的摇篮，是大量高技术的集成，在装置的建造和利用过程中，往往需要发展新型技术或把已有技术提高到新的水平。

以同步辐射加速器为例，这是一种能够产生带电粒子同步辐射的大型科研设施，当接近光速的带电粒子在圆形轨道中运动并受电磁场作用发生偏转时会发出同步电磁辐射，可以用来研究物质的原子和分子结构，在基础科学、应用科学和工艺学等领域已得到广泛应用。例如用同步辐射衍射光对物质表面晶体生长过程中产生的纳米级量子阱的体积进行分析测量，以了解其光电特性，用于研发新型半导体器件；通过X射线小角散射研究在常温、常压下合成具有溶水性和极好韧性及强度的蜘蛛网丝组成结构，以制造更坚固耐用的防弹织物；用同步辐射的高亮度光束研究酵母功能蛋白质的结晶体结构，以更好地了解导致人类一些疑难疾病的神经作用过程和发病机理。

当时全世界已有很多国家和地区拥有这种大型科研设备。其中，大陆中科院高能物理研究所已有北京同步辐射装置，1984年11月又开始建造新一代同步辐射光源，即坐落在安徽合肥中国国家同步辐射实验室的合肥同步辐射加速器，并且正在酝酿建造北京正负电子对撞机和兰州重离子加速器等国家重大科学工程。

建造同步辐射加速器这类大型科研装置和设施与研制普通科学仪器有很大不同，也有别于一般的科研项目，其特点是科学技术意义重大、影响面广，同时建设规模大、耗资多、建设时间长，且技术复杂，需要在建设中研制大量非标准设备，其产出是科学知识和技术成果，而不是直接的经济效益，建成后要通过长时间稳定的运行、不断发展和持续的科学活动才能实现预定目标，从立项、建设到利用的全过程，都表现出很强的开放性和国际化的特色。

特别是要建设这样大型的科学工程，其大型关键科研装备的性能和工艺水准不仅要能够适应科学发展前沿的需要，而且要在今后10～15年之间，仍然能够在世界同类装备中处于先进水平，并且具有自己的特色和独到之处。由于大型关键科研装备前瞻性的需要，其实施必然是高起点的。但是这种高起点装备又不可能全部引进，必须结合自己的优势进行创造性的工作，因此有一定的技术难度，是一项跨学科、跨领域的复杂系统工程。

不惜代价

台湾有组织地开展物理学研究始自于1966年，即台湾科技主管部门在新竹清华大学设立物理研究中心以后，通过大力培育物理人才及推动基础与应用物理研究，逐渐形成规模，执行研究计划的数量也由1966年的12项，发展到到1977年的36项，再到1988年的136项，研究水平也得到很大提高。

在1986年以前，岛内物理学研究主要集中在凝聚态物理、原子核物理、原子与分子物理、粒子物理、场论及统计力学等五大领域。其中，凝聚态物理研究的重点放在对固体材料的热性、电磁性、机械性质等方面的了解，进而改进、合成或控制材料的特性，以及研制或发掘新的材料。原子核物理研究的重点放在原子核结构及现象、电磁作用、强作用力及弱作用力、基本粒子研究之中间媒介等理论内容；原子与分子物理研究的重点放在原子与分子中电子的分布及其与原子核间的电磁交互作用，以及与化学和生命合成物的性质关系等方面；粒子物理及场论属于物理学中最新领域；统计力学则作为方法论，研究重点放在通过系统组成单元之间的相互作用，来了解系统的宏观性质与现象，特别是在相变化、平衡态与非平衡态的热力学性质及现象等问题的微观了解上。

当时岛内物理研究计划虽不少，但其研究题目多属依个人专长及兴趣而从事的自由研究。为有效推进物理学研究发展，台湾科技主管部门自然科学发展处在1985年初制定了“物理学科规划方案”，提出应根据岛内科技发展趋势及社会建设需要，规划数个研究重点方向，并据以推动大型整合性合作研究计划，逐步使其所培养的专业人才及建立的研究体系，在质与量两方面都得以快速提升。根据该规划方案，台湾物理学科基础研究重点方向共有5个：规范场论及其现象学研究，稀土及过渡金属系统的磁性及超导性研究，原子分子光谱研究与激光及同步辐射光源发展的配合运用，固体表面的能谱学研究，非线性与相位共轭研究。

上世纪80年代，世界各国掀起高温超导研究热潮后，台湾相关科技人员投入该项研究的越来越多。台湾科技主管部门1988年1月成立“高温超导研究规划小组”，负责购置关键性贵重仪器设备，供研究人员测试导体物理、化学特性以及材料制作之用，并分北部、新竹、南部三区，以整合计划方式成立高温超导实验室，集中人力、物力，以重点研究寻求突破，提高岛内研究水平。

由于表面物理研究对台湾当时正在大力发展的电子及化工产业有极其重要的关系，台湾科技主管部门于1986年9月成立了“表面物理研究规划推动小组”，选择能相互支持配合的研究重点，组成研究团队，集中资助其开展表面物理研究。

特别是台湾中研院物理研究所，其历史可追溯到1928年在上海建立的理化实业研究所，1962年在台湾复建，由著名物理学家吴大猷担任首任所长，此后该所一直是台湾实验物理学研究的主力。上世纪80年代，该所的研究领域扩充至场论与粒子物理、原子核物理、统计与计算物理等领域。其余主要开展实验物理学研究的还有台湾大学、新竹清华大学、台湾师范大学及台当局“原能会”下属的核能研究所等，但它们的一个共同特点是都缺少能够开展基本粒子实验研究的大型科研仪器设备。

早在1978年9月，时任台湾中研院院长兼台湾科学指导主管部门负责人的吴大猷与台湾科技主管部门自然科学发展处处长林尔康及台湾物理学会理事长郑伯昆共同参加在瑞典举办的国际物理与应用物理学会大会，听到外国科学家解释利用同步辐射加速器取得的科研成果时，就曾考虑推动此类大型先进设备的计划，以此提升台湾的科技水准。会后，他们共同向台湾科技主管部门递交了申请设立同步辐射研究中心的建议书。

1981年1月，台湾科技主管部门召集岛内专家学者讨论未来物理学可能的大规模研究方向时，将同步辐射研究作为选项之一，成立“同步辐射兴建可行性研究小组”进行调研，发现建造同步辐射加速器的费用是一个天文数字，以当时台湾的科研经费根本不够。

此后，在积极推动此事的旅美物理学家浦大邦、丁肇中、李远哲、袁家骝、吴建雄等人的共同游说下，特别是大陆方面当时也在筹建北京正负电子对撞机以迎头赶上西方发达国家的雄心刺激下，终于说服台湾最高决策层点头首肯。1983年7月，台湾行政主管部门设立“同步辐射研究中心指导委员会”。1986年8月，位于新竹科学园区内的同步辐射研究中心正式开建。

该设施占地15公顷，是当时世界上最小的第三代同步辐射加速器，包括注射器、传输线、储存环及光束线四部分，注射器部分包括电子枪、5000万电子伏特的线型加速器及13亿电子伏特的增能同步加速器。一期工程于1989年上半年完工，二期工程从1989年下半年开始，1992年完工。1993年4月，加速器试车成功，成为亚洲第一座第三代同步辐射设施，10月举行光源启用典礼，1994年4月起开放三条光束线，供一般研究人员从事科学实验。截至1998年底，共有8条正常运转的光束线，来自岛内外学术研究单位2272人次使用该光源，执行538个物理、化学、材料、生物、微机械等领域的相关实验。

正式运营

自1994年正式开放运营以来，到2000年底，使用台湾1.5GeV同步辐射研究中心光源的海内外用户共计4805人次，共进行1123项科学实验，包括56个岛内学术研究机构及40个海外学术研究团队参与。加速器每日24小时、每周7日连续运转，机器运转时数为6122小时，运转效率平均为96%，其中提供用户使用总时数约占66%，共完成272项实验技术，供不同领域科学实验使用。

然而此时却发现，当初设计建造加速器多极增频磁铁时，由于经验不足及为了省钱，没有使用超导体，导致电子储存环的磁场能量较低。尽管后来采取种种补救方法，例如重新更换由美国康奈尔大学提供的500MHz/500毫安超导高频共振腔，以解决高阶模所造成纵向电子多团藕合振荡的轨道不稳定性，使储存环最大电流由之前的240毫安提升至500毫安，但效果仍不理想，仅能发出真空紫外辐射和软X射线光束，大幅落后外国同类设施。

显然，推倒重建新的加速器是不可能的。无奈之下，台湾科技主管部门1998年只好请求日本高辉度光科学研究所，借用其位于兵库县播磨科学花园城的第三代大型同步辐射加速设施Spring-8。台当局不得不另外花钱，在Spring-8同步辐射设施储存环上安装一套真空内X光聚频磁铁，并建造2个台湾专属光束线及4座主要实验站装置。该装置2000年10月开始出光及试车，12月正式启用。

这两条借用日本SPring-8的硬X光光束线，一条专为开展生物结构与材料研究光束线，包括从事X光吸收光谱、高解析X光散射、蛋白质结晶学及微区绕射等实验；另一座为非弹性X光散射光束线，可供台湾研究人员进行高相干性电子系统（如高温超导与巨磁电阻等前瞻性材料）的尖端研究。

2000年之后，台当局每年给予台湾同步辐射加速器运营经费支出从之前的6亿多元新台币增加到近8亿元，相关工作人员共有170余人。2003年1月，台当局为了让该机构更有效率，决定改革管理体制，将同步辐射研究中心改制为财团法人，成立董事会，让其自负盈亏，鼓励赢利创收，此后不再由台湾科技主管部门直接负责管理，但每年仍需“捐赠”10亿元新台币作为运营费用。

再建台湾光子源

随着科技的发展，对超高亮度X光源的需求越来越多，原有设施出光口已经用罄，实在无法满足需要，2004年7月，同步辐射研究中心董事会商议，筹建新加速器光源。申请报告提交到“第七次全台科学技术会议”进行讨论，台当局2007年3月批准了“台湾光子源同步加速器兴建计划”，决定在原址上兴建台湾第二座电子束能量30亿电子伏特（3GeV）、周长518米、超低束散度的同步辐射加速器，起名为“台湾光子源”，占地14公顷，邻近清华大学、交通大学及高速网络与计算中心等学术机构。

2010年2月，“台湾光子源”举行动土典礼，总预算经费为68.8亿元新台币，一期规划建造7条光束线及其实验站。目前，土木工程部分已办理正式验收，机电工程部分则已申报竣工，微聚焦巨分子结晶学、高解析非弹性软X光散射学、次微米软X光、同调X光散射、次微米绕射、纳米探测、时间同调X光绕射等光束线实验设施于2015年1月兴建完成，并将陆续开放光源与周边实验设施。

原有同步辐射加速器也在继续运行。截至2013年底，该中心开放用户使用的光束线共24条，进行尖端实验共1586件、10，848实验人次，研究领域包括凝聚态表面物理、磁学与费米粒子、X光生物结构、电子元件微结构、X光材料结晶学、薄膜成长机制、高温超导材料X光吸收光谱、自组装分子材料化学成像、纳米碳管束电子性质、巨磁阻材料电子结构，以及大气与星际化学、冰晶物质光化学、新型电荷与质谱分析技术研发、内层电子激发下光电子游离与偶介电子蜕变模式、含氯硅烷分子光游离与解离等。

依据2014年1月统计数字，用户发表于国际知名科学期刊的SCI论文共有305篇，其中发表于各领域重要期刊影响力指标前10%的SCI论文篇数有95篇，成果丰硕。例如该中心与中国大陆及加拿大多伦多大学研究团队共同参与恐龙胚胎化石研究，利用同步加速器光源进行非破坏式超高解析二维红外光谱显微术造影，首度发现1亿9500万年前“禄丰龙”胚胎化石内存在有机物质残留物的证据，并得以追踪恐龙蛋内的胚胎如何孕育。该研究成果不仅刊登于2013年4月国际顶尖期刊《自然》（Nature）及当期封面，更获选为该期刊年度最佳影像之一。

此外，该中心与新竹清华大学、“国研院”共同签署《策略合作营运育成联盟合作备忘录》，结合三方优势，开展产学合作，促成研发成果产业化，并培育台湾优质新创企业。另与台积电公司签约，执行“极紫外光分析委托计划”和“同步光源虚拟实验室合作研究计划”，研究范围涵盖极紫外光半导体元件制作、微机电元件制作、蛋白质制药研发、运用磁场或加速器于医疗器材、半导体及电池材料与元件研究等方面的产业应用与开发。

在人才培育方面，该中心与新竹清华大学开办“先进光源科技学位学程”、“结构生物学程”，与交通大学开办“加速器光源科技与应用学位学程”。另为推广先进加速器光源与培育年轻的优秀人才，不定期举办光源技术与应用教育培训课程，包括自由电子激光冬季课程、2013年先进光源暑期科学实习课程、X光吸收光谱数据分析体验营、2013年蛋白质结晶学训练课程、同步加速器光源应用与实习暑期课程和第四届X光科学暑期学校等。