科學研究 - 【科學大設施】「SPring-8」：蠻力同步輻射探索物質本質，爲科學和工業進步做貢獻

圖中右側的SPring-8呈直徑爲500米的圓形，SACLA爲全長爲700 米的直線設施。透過航拍照片可清楚地看到其全貌（供圖：理化學研究所同步輻射科學研究中心）

日本國内有許多支撐着日本的科學研究、並取得世界級成果的巨型設施。實地採訪瞭解這些設施的欄目——「科學大設施」首期内容，將介紹世界三大同步輻射設施之一的「SPring-8」和與其建在一起的X射線自由電子雷射設施SACLA。這兩個巨大設施由理化學研究所同步輻射研究中心管理，是旨在探究物質詳細構造和現象等微觀世界本質的公共設施。有許多大學、研究機構和公司都利用過這些設施，爲科學研究和工業的進步做出了貢獻。

在綠野中異樣的甜甜圈建築

在山陽新幹線的相生站（兵庫縣相生市）下車，乘坐公車爬坡30分鐘，穿過一條長長的隧道後，車窗外的景色驟然一變，充滿了綠植，讓人不禁聯想到近未來城市展現在眼前。這就是橫跨兵庫縣辰野市、上郡鎮和佐用鎮的播磨科學公園城。

該地區秉持「人與自然、科學和諧共存的高次元功能性城市」理念，自1980年代開始進行開發，學校、研究設施和醫療機構鱗次櫛比。而在其中大放異彩的則是SPring-8。這是一座圍繞海拔341米的三原慄山而建的甜甜圈形建築物，直徑約500米，是東京巨蛋的 2.5 倍。一圈的長度約爲1500米。

SPring-8從1997年開始運行，積累了豐富的實際應用經驗。近年來，利用SPring-8透過非破壞性CT掃描，分析了日本小行星探測器「隼鳥2號」從小行星「龍宮」帶回的樣本，揭示了其内部結構和磁硫鐵礦等礦產存在狀況。揭示了這些礦物質形成於原始太陽系外緣的可能性，因而引起了廣泛關注。

今年4月，福井縣立大學宣佈，把在日本發現的恐龍「福井龍」化石中殘留的骨組織成功進行了視覺化。這一成果同樣是利用了SPring-8的非破壞性CT掃描。得到的結果與傳統的將化石切成薄片並透過顯微鏡觀察的方法不相上下。這種方法對於處理數量有限的珍貴標本非常有效。

這種在非破壞性分析中發揮威力的，是一種名爲「同步輻射」的特殊光線。將SPring-8設計成甜甜圈狀，也正是爲了產生這種輻射。在SPring-8中，將電子加速到8千兆（一千兆等於十億）電子伏特的巨大能量，並使幾乎以光速運動的軌域在磁場的作用下發生彎曲，從而產生高強度的同步輻射。爲使軌域呈圓環狀設置了電磁鐵，使電子能不斷發出強大的同步輻射。

透過彎曲軌域而產生同步輻射

抑制熱膨脹實施精密測量，有57條光束工作

同步輻射的波長範圍很廣，包括紅外線、可見光、紫外線、X射線、伽馬射線，而SPring-8主要利用X射線來捕捉各種物質的形態。這些X射線比醫療檢查中所使用的X射線強1000多萬倍，能使人看到用顯微鏡都無法觀測到的奈米級微觀結構（一奈米約十億分之一米）。

進入SPring-8内部，大量的儀器映入眼簾。被稱爲實驗大廳的區域在圓形内外側都有牆壁，但圓周方向沒有牆壁，因此望向遠處，可以清楚地看出建築物是彎曲的。爲了在大型設施中進行精密測量，這座建築能儘量減量炎熱天氣下產生的熱膨脹和溼度引起的變化。

走廊上的綠線形成凹槽，將外側和内側隔開。由於同步輻射的角度若稍有偏差就會影響實驗，因此該建築物設計成了即使受熱而膨脹也不會影響到内部的狀態

實驗大廳沒有大面積的牆壁，取而代之的是一些方形房間。這些房間被用作實驗室，各個房間都可導入同步輻射。研究人員在這些房間裏安裝實驗設備，並根據各自的目的開展實驗。

機器人在實驗設備中也發揮着積極作用（左）。因爲設施面積寬廣，工作人員騎腳踏車行程（右）

SPring-8中目前有57條光束線在工作，可同時進行最多57種實驗。這有助於推動生命科學、環境與能源、新材料的發等各個領域的研究。

對開發高性能輪胎和維護基礎設施也有用

實驗大廳的内側牆壁有一米厚，牆壁内設置有由環形真空密室和電磁鐵組成的存儲環。這些存儲環正是SPring-8的主體。

由鋁合金製成的真空密封室内部呈空心狀，加速到99.9999998%光速的電子可以透過它。電子數量約爲100億個。這些電子被聚焦成光束，沿着周長1436米的存儲環，以每秒20萬回的頻率做圓周運動。透過這種方式，就能產生極其強烈的同步輻射。

同步輻射由系統管理室持續監督

許多民營企業都利用過SPring-8。其中典型的例子就是高性能輪胎的開發。在住友橡膠工業公司和東京大學的一項合作研究中，利用X射線詳細分析了輪胎的内部結構。透過改進這種内部結構，開發出了與傳統輪胎相比滾動阻力降低39%、燃油效率提高6%的輪胎，並實施了商品化。

此外，X射線CT能夠從不同角度拍攝X射線影像，並將獲得的影像透過電腦處理轉換爲3D影像，其精確度是醫用X射線的1000倍。例如將高速公路整修期間採集到的樣本利用X射線CT進行拍攝，詳細分析高速公路的風化作用情況，然後在超級計算機「富嶽」上進行類比後，便能促進儘早進行維護修補等，所以SPring-8在基建的維護和管理上也發揮了作用。

捕捉原子和分子的瞬間現象

在SPring-8旁邊有一座700米長的細長建築，内部安裝有自2012年3月開始運行的X射線自由電子雷射SACLA。700米相當於約7個足球場縱向連接起來的長度，站在設施的一端，一眼望不到盡頭。

與SPring-8一樣，建築内也有很多設備。沿着牆壁望去，可以看到名爲加速管的長管道沿着大樓延伸向遠方。在加速管内，由電子槍設備產生的高質量電子束被高效加速到光速的99.9999998%。

SACLA的構造。在實驗大樓的盡頭，還有一座與SPring-8共同利用的實驗設施（供圖：理化學研究所同步輻射科學研究中心）

全長爲700米的建築中，加速器大樓佔據了400米。交通工具也是腳踏車，但這裏使用的是三輪腳踏車。

加速器的端部有牆壁，電子透過的管道一直延伸到牆外。前方還有一排裝有大量磁鐵，被稱作調整器的裝置。加速後的電子束在這個裝置中多次蜿蜒蛇行後，形成X射線雷射束。SACLA產生的同步輻射比SPring-8明亮十億倍。

此外，由於能以100兆分之一秒的極短閃光進行觀測，因此即使是快速行程的原子和分子也能不模糊地拍攝到。透過將這些閃光拍攝影像拼接組合在一起，則可將瞬時現象記錄爲影片，甚至可以捕捉到迄今爲止無法觀察到的化學反應程序中原子和分子的運動。

位於SACLA先端的實驗研究大樓

發揮了SACLA上述特性的成果相當多。例如，擷取植物的光合作用，從分子層面闡明光合作用的機制，獲得了實施人工光合作用的寶貴知識。還有透過研究燃料電池回收水的運動，有助於開發出更小、更高效的燃料電池，推動氫能汽車的進步。

使用能量消耗減半的SPring-8-II與資料科學相融合

將SACLA和SPring-8連接在一起，把SACLA產生的電子束發送給SPring-8。以前使用的是另外的光源和加速器，但從2021年起改爲將經SACLA加速器加速後的電子束直接發送到SPring-8存儲環的方式。

SACLA產生的電子束還被送往SPring-8（供圖：理化學研究所同步輻射科學研究中心）

共用光源是爲了節省能耗，但終極因數還不止這些。作爲SPring-8後繼者的SPring-8-II的重大升級計劃也在考慮之中。在SPring-8投入使用四分之一世紀的今天，儘管它作爲製造世界上最強X射線的觀測設備在世界上仍然佔有一席之地，但爲了因應新時代的到來，更加密集小型化的SACLA電子束不可或缺。