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神祕的長庚「第5實驗室」 竟是台灣打入太空產業關鍵?

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商業太空旅行,已被視為是下一個兆元超級產業。行政院也宣布,將在未來10年造台灣太空產業國家隊。林口長庚質子暨放射治療中心,週一到週六用質子來治療癌症腫瘤,但週六傍晚到週日開始就「兼差」檢測電子零件,把它們送上太空。這間實驗室正進行什麼樣的神祕任務?

週二上午,林口長庚的質子暨放射治療中心裡,10多位患者正在等待看診,期盼這台要價20億的質子治療設備,可以幫忙對抗頑強的癌症腫瘤。

但週六傍晚4點後到週日,就是這台設備「兼差」的時候。

一個月前,長庚醫院和國家實驗研究院國家太空中心簽署合作協議書,神祕的第5間「粒子物理暨照射核心實驗室」才首次對外曝光。

但早在2017年,林口長庚的質子治療設備,就開始把原來用在治病的質子射束,悄悄轉向照在矽晶片等電子元件上,來抓出病灶,把它們送上太空。

最大的不同,就是「(質子射束)照病人的時候,我們要保護病人,但照電子元件的時候,最好能把元件照到死掉,即便沒死也錯很多,錯越多我們越高興,因為可以測試它,」長庚大學放射醫學研究院醫學物理研究中心主任趙自強說。

平日抗癌治病 週末模擬太空輻射撞擊

質子治療靠的是把質子射束瞄準患者體內的腫瘤,來消滅癌細胞。和一般光子治療不同的是,質子射線的「布拉格峰」特性,可以在接觸到腫瘤時釋放所有能量,結束就「煞車」,不會傷及無辜組織和細胞。

以肺癌、頭頸癌、肝癌等部位為主的質子治療,是無法適用化療、放療、電燒、栓塞等患者的另一種選擇,但按次計費的方式,也讓療程花費落在台幣70到180萬元的高價區間。

2015年11月啟用的林口長庚質子暨放射治療中心,是歷經20年的可行性評估和規劃,向日本住友重工簽約購買設備而來的產物,總造價約50億台幣。

林口長庚質子暨放射治療中心平時幫助病患抗癌,到了週末則成了模擬太空環境輻射撞擊的實驗室。 (邱劍英攝)

為什麼電子元件上太空,也需要質子射束的考驗?

地球外圍有兩個范艾倫輻射帶,是美國物理學家范艾倫(James Van Allen)發現,地球南北極的磁場把太陽風粒子吸下來之後,這些帶電粒子就在狀似蘋果皮的范艾倫輻射帶裡來回運動。

在太空中運行的衛星,會經過類似的高能量帶狀區域。電子產品藉由0與1的信號傳輸時,很容易在高能輻射的粒子撞擊下出現「單粒子翻轉」(SEU),造成電子產品當機或失效。

因此,要航向太空的電子元件,都要在地面上先完成震動、熱循環、抗輻射等測試,才能確保衛星在各種嚴苛環境下可以安然生存。

送進林口長庚質子治療中心的電子元件,可以分為三大類。無論是電子元件、控制元件、電源元件,來到第5實驗室的晶片、線路、系統,都是為了證明自己能在模擬太空環境的輻射撞擊下,還能正常運作。

問題是,週一到週五幫患者抗癌的質子治療設備,怎麼轉換成週末就能模擬太空裡的輻射撞擊?

多一間實驗室 醞釀20年

診療室的門後,這近5層樓高的巨型機台,就是利用高能迴旋加速器,把質子射束一一發送到4間診療室,打入患者體內,因此每間診療室必須輪流使用,不能重複。

但不同的是,前4間診療室裡,患者躺在治療床上,可以看見質子治療設備360度旋轉瞄準患部的圓弧形設計,全白色的設計出自於日本住友重工之手。

而粒子物理暨照射核心實驗室的內裝,以照射平台和周邊機台為主,飄著濃濃工業風的設計,則是出於清大加速器實驗室的牛寰博士之手。

兩者的差異,要從20年前說起。

全球第一台質子治療設備,是1991年在美國加州Loma Linda University Medical Center啟用。4年後,長庚團隊就在台塑創辦人王永慶的指揮下,開始進行可行性評估,也在隔年帶團到當地參訪一週。

「當時就聽到他們跟我們說,他們有接NASA的計畫。」當時隨團前往的現任林口長庚醫學中心副院長洪志宏回憶,當時沒有想太多,直到多年後拜訪美國印第安納州的Indiana University Health Proton Therapy Center,聽到有台灣中央大學的團隊向他們租用質子治療設備,這才開始仔細研究。

林口長庚醫學中心副院長洪志宏。(邱劍英攝)

2008年,長庚和日本住友重工簽約之際,也決定在4個臨床診療用的空間之外,多留一間實驗室的空間,只是一直沒有具體規劃。直到6年後,當時的長庚生技兼長庚大學董事長楊定一在會議上提起,才正式定案,開啟第5間實驗室的規劃。

B2C兼作B2B 要帶動產業上太空

雖然政策定案,但到底有多少客戶需求,仍是未知數。長庚團隊只好四處拜訪,最後正好碰到中研院物理研究所林志勳博士牽線,這才發現長庚的質子治療設備,很適合用在商用電子元件的測試。

透過這個3年期的合作計畫,長庚要協助電子元件的抗輻射測試135小時。測試通過的廠商,形同拿到准入許可,是作為衛星供應商的重要一步。

國研院太空中心主任林俊良解釋,台灣並非完全沒有抗輻射的測試機制,同步輻射中心、核能研究所、清華大學都有儀器可以模擬輻射環境。

只是,范艾倫輻射帶的內圈,高能質子能量可達200MeV(百萬電子伏特),但清大的輻射能量約50KeV(千電子伏特),核能研究所最大約30MeV(百萬電子伏特),而長庚可以做到230MeV,更接近太空中的輻射能量,是台灣最高能量的輻射環境。

過去,台灣沒有高能量的輻射環境可以模擬,只好送到美國柏克萊(Berkeley)或是德州農工大學去做測試,不僅費時,來回運送成本也高。

現在,核能研究所、清大就可以做低能量、長時間的測試,林口長庚則負責高能量、短時間的測試環境,找出電子元件的瞬間、長期承受能力。

也因此,長庚與太空中心合作的意義,在於未來國內有意投入太空市場的廠家,產品不需在飄洋過海到美國去測試。不但省錢,更重要的是,縮短開發週期。

太空中心計畫主持人陳嘉瑞解釋,到國外檢測都得提前預約時間,如果當場測出問題需要修改,又得重新預約、排隊,曠日廢時。「但在台灣做也許半天一天就能改好重測,彈性很重要,」他說。

長庚與太空中心合作的意義,在於未來國內有意投入太空市場的廠家,產品可在台灣進行測試,不但省錢,而且能縮短開發週期。(邱劍英攝)

本土元件在台檢驗 打入國際太空產業鏈

只是,對長庚而言,模擬太空環境的抗輻射測試,並非首要目標,而是在臨床治病以外,進行生物及物理學的研究。長庚醫院和長庚大學因此共同設立放射科學研究院,也和中央大學、核能研究所、中研院合組大聯盟,要長期耕耘基礎研究及擴大應用。

若請日商住友規劃第5實驗室,偏向從臨床治療設備調整,無法重新開發,較難客製化設計,價錢也較高。牛寰博士的加入,則是從需求面著手,後續維修較為容易,但整體花費仍超過1億台幣。

2017年,在第5實驗室落成前,林口長庚的質子治療中心就運用臨床以外的閒置時段,改裝其中一間診療室,以1小時照射費6萬8千元,加上每小時600元諮詢費的方式,接案進行測試。

至於諮商時間,就像是患者進行治療前,要靠放射腫瘤醫師、物理師、工程師等跨部門的團隊討論、製作模具、精準定位一般,長庚大學及質子治療中心的團隊也得事先把所有參數條件測量好,當天才能按照需求,設計出精準的照射環境與方法。

當時,實際運用進行測試的國內外廠商共6家,國內佔了其中一半。但具體廠商名單,長庚團隊則不願透露。第5間實驗室啟用後,還沒有正式進行零件測試,但已經有晶片製造廠商開始詢問。

林俊良說明,進入質子治療中心的零件測試量,要等到明年福衛8號進入關鍵設計階段,才會開始增加。

「福衛8號衛星的設計理念,就是要求全部國產,過程中能把台灣的太空產業帶上來,」林俊良認為,台灣本土的關鍵元件和模組,能藉由這個機會在台灣完成檢驗合格,形同提升公信力,才能打入國際的太空產業鏈。(責任編輯:吳凱琳)

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Summary | 7 Annotations
第5實驗室
2019/08/23 01:03
林口長庚質子暨放射治療中心,週一到週六用質來治療癌症腫瘤,但週六傍晚到週日開始就「兼差」檢測電子零件,把它們送上太空
2019/08/23 01:03
以肺癌、頭頸癌、肝癌等部位為主的質子治療,是無法適用化療、放療、電燒、栓塞等患者的另一種選擇,但按次計費的方式,也讓療程花費落在台幣70到180萬元的高價區間
2019/08/23 01:03
在太空中運行的衛星,會經過類似的高能量帶狀區域。電子產品藉由0與1的信號傳輸時,很容易在高能輻射的粒子撞擊下出現「單粒子翻轉」(SEU),造成電子產品當機或失效。
2019/08/23 01:03
因此,要航向太空的電子元件,都要在地面上先完成震動、熱循環、抗輻射等測試,才能確保衛星在各種嚴苛環境下可以安然生存。
2019/08/23 01:04
利用高能迴旋加速器,把質子射束一一發送到4間診療室,打入患者體內
2019/08/23 01:04
全球第一台質子治療設備,是1991年在美國加州Loma Linda University Medical Center啟用。4年後,長庚團隊就在台塑創辦人王永慶的指揮下,開始進行可行性
2019/08/23 01:04