從小小凸透鏡到煌煌國之重器
——記深圳綜合粒子設(shè)施研究院研究員徐中民

王 芳 肖貞林

“上小學(xué)期間，一個(gè)偶然的機(jī)會，有人送了我一塊凸透鏡。它既能放大物體，也能在太陽底下聚焦引燃火柴頭，對那時(shí)的我來說，非常有意思。后來，我就開始收集各種透鏡，還想著要自制一個(gè)單筒望遠(yuǎn)鏡觀察月球?！睂ν雇哥R的興趣，激發(fā)了少年徐中民對光學(xué)的熱愛。這份熱愛也猶如一束明亮的光，指引著他在成年后不懈深耕，成為參與設(shè)計(jì)我國第三代同步輻射光源和第四代光源——自由電子激光等國際級重大科學(xué)裝置的科技工作者。

在從同步輻射光源裝置到自由電子激光裝置的跨越式發(fā)展中，更強(qiáng)更亮的光意味著看見更清晰更微觀的世界，是多學(xué)科的重要實(shí)驗(yàn)平臺，其戰(zhàn)略意義不言自明。從業(yè)多年，徐中民負(fù)責(zé)了“上海同步輻射光源”（以下簡稱“上海光源”）一期以來所有新建光束線關(guān)鍵元件的熱、結(jié)構(gòu)、流體等多物理場有限元分析及優(yōu)化工作；在國際率先提出了反射鏡上邊緣局部冷卻方案，并應(yīng)用于上海光源多條束線反射鏡的冷卻方案設(shè)計(jì)；負(fù)責(zé)完成了上海硬X射線自由電子激光裝置（SHINE）第三條波蕩器線FEL-Ⅲ關(guān)鍵光學(xué)元件的首輪有限元分析工作；負(fù)責(zé)深圳高重復(fù)頻率自由電子激光裝置光束線工程分析及測試工作，并提出了MHCKF模型用于相干傳輸反射鏡的面形優(yōu)化設(shè)計(jì)。

徐中民在2017年度國際光學(xué)工程學(xué)會研討會上

基于相關(guān)工作，徐中民先后獲得上海光源貢獻(xiàn)獎、有限元分析（Ansys）創(chuàng)新大會優(yōu)秀論文獎，并入選深圳市“鵬城孔雀計(jì)劃”特聘人才，在光束線關(guān)鍵元件分析方面已形成了涵蓋傳熱、結(jié)構(gòu)和流體等多物理場，以及穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)等耦合分析的相對完整的體系。

作為相關(guān)領(lǐng)域后發(fā)國家的研究人員，為獲得先進(jìn)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，徐中民交流訪問的腳步遍及美國、德國、法國、意大利、瑞士、日本等世界上大部分同步輻射光源和自由電子激光裝置的實(shí)驗(yàn)室。但是他說，在關(guān)鍵光學(xué)元件設(shè)計(jì)方案上遇到的每一個(gè)新挑戰(zhàn)，都意味著優(yōu)化進(jìn)步的新可能。廣泛交流的同時(shí)，審慎對待拿來主義，腳踏實(shí)地立足需求謀創(chuàng)新，正是他一次次擔(dān)當(dāng)重任，在光學(xué)元件冷卻方案設(shè)計(jì)研究上取得新突破的重要原因。

情傾光學(xué)勤鉆研 創(chuàng)新方案結(jié)碩果

1994年，徐中民考入由兩院院士王大珩創(chuàng)立并擔(dān)任第一任院長的長春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院（現(xiàn)長春理工大學(xué)）。這是一所主要為國防培養(yǎng)光學(xué)人才的高等學(xué)校，被譽(yù)為“中國光學(xué)英才搖籃”。徐中民就讀于這所學(xué)校的國家重點(diǎn)學(xué)科光電工程。大學(xué)4年，他出于對光學(xué)的熱愛，勤奮鉆研，成績優(yōu)異，多次獲得獎學(xué)金。此外，他還利用課余時(shí)間學(xué)習(xí)了本校計(jì)算機(jī)及應(yīng)用專業(yè)的主要課程，所有成績合格并獲輔修證書。

1998年本科畢業(yè)后，徐中民又報(bào)考了中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所（以下簡稱“長春光機(jī)所”）的碩士生，于次年繼續(xù)深造光學(xué)專業(yè)。作為中國光學(xué)領(lǐng)域第一個(gè)研究所，長春光機(jī)所主要從事應(yīng)用光學(xué)、光學(xué)工程、精密機(jī)械與儀器和發(fā)光學(xué)的研發(fā)生產(chǎn)。彼時(shí)，恰逢中國科學(xué)院開展知識創(chuàng)新工程，經(jīng)過6年的學(xué)習(xí)和研究，培養(yǎng)了徐中民創(chuàng)新的思維能力，并先后獲得了空間光學(xué)碩士學(xué)位和應(yīng)用光學(xué)博士學(xué)位。徐中民的博士生導(dǎo)師是光電領(lǐng)域的著名科學(xué)家禹秉熙研究員，禹老師經(jīng)常告誡課題組的成員：“做科研要持之以恒，戒驕戒躁，甘坐冷板凳，如此才能厚積薄發(fā)，獲得好的學(xué)術(shù)成果?！边@句話深深影響了徐中民。

在徐中民攻讀博士最后一年忙于實(shí)驗(yàn)和論文之際，遠(yuǎn)在上海的中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所（以下簡稱“上海應(yīng)物所”）也在籌謀一件大事——上海光源項(xiàng)目。這是當(dāng)時(shí)國內(nèi)投資最多的大科學(xué)裝置項(xiàng)目之一，由國家發(fā)改委、中國科學(xué)院和上海市人民政府共同投資建設(shè)，是中國大陸第一臺中能第三代同步輻射光源，于2004年12月25日正式破土動工。2005年夏天博士即將畢業(yè)時(shí)，徐中民被網(wǎng)上關(guān)于上海光源的招聘信息所吸引，欣然加入了上海應(yīng)物所。

憑借過硬的實(shí)力，初出茅廬的徐中民很快加入了上海光源項(xiàng)目工程分析小組，參與處理第三代同步輻射裝置光束線最具挑戰(zhàn)的問題之一——高熱負(fù)載，主要從事同步輻射裝置光束線關(guān)鍵元件有限元分析及測試研究工作。作為骨干成員，他參加了上海光源一期項(xiàng)目7條束線有限元分析及優(yōu)化。當(dāng)時(shí)分析任務(wù)量很大，團(tuán)隊(duì)人手不足，并且所用的Ansys經(jīng)典版軟件的前后處理的效率不高，影響了分析進(jìn)度。為此，徐中民轉(zhuǎn)向新推出的Ansys Workbench版本。在可借鑒的內(nèi)容和可交流的同事都很少的情況下，團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人王納秀高級工程師給了他很多的鼓勵和支持。徐中民經(jīng)過對Workbench中各類輸入和輸出數(shù)據(jù)文件內(nèi)容的分析并不斷嘗試，終于實(shí)現(xiàn)了分析平臺的移植，顯著提高了團(tuán)隊(duì)分析的效率。

接著，徐中民再接再厲完成了前端區(qū)多種高熱負(fù)載元件和束線光學(xué)元件的冷卻方案設(shè)計(jì)，特別是針對反射鏡亞微弧度面形的要求，在國際上率先提出了上邊緣局部冷卻方案。作為一種還沒有在國外使用過，由國人自主提出的方案，此方案雖然在初期存在一定質(zhì)疑和風(fēng)險(xiǎn)，但經(jīng)嚴(yán)密論證后，證明其能夠使光學(xué)元件的面形提高一個(gè)量級，大大增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)信心。后來這一方法又應(yīng)用于上海光源其他線站的光學(xué)元件上，為光束線的成像質(zhì)量提供了保障。不僅如此，方案還被應(yīng)用于美國超導(dǎo)加速器LCLS-Ⅱ自由電子激光裝置反射鏡的冷卻方案中。此外，徐中民還負(fù)責(zé)了上海光源一期的精密機(jī)械檢測工作，在幾年里完成了大量精密儀器的外形尺寸及運(yùn)動參數(shù)的標(biāo)定，確保了設(shè)備的可靠性，并且還參與了光束線前端區(qū)的準(zhǔn)直測量工作。

“正是在上海光源一期多個(gè)崗位上的鍛煉實(shí)踐，使我對光束線設(shè)計(jì)中的光學(xué)、機(jī)械和控制等多個(gè)部分的內(nèi)容有了更深刻的認(rèn)識，這對有限元分析方面的探索也有很好的促進(jìn)作用?！毙熘忻裾f自己十分幸運(yùn)能在從業(yè)之初就參與這樣重大的項(xiàng)目，受益匪淺。2009年5月，上海光源正式對用戶開放，英國《自然》（Nature）雜志發(fā)文稱，這是“中國正式加入世界級的同步輻射光源俱樂部”。同年12月，上海光源工程順利通過國家工藝鑒定驗(yàn)收，主要性能參數(shù)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，專家組對有限元分析團(tuán)隊(duì)的評價(jià)是“發(fā)展了具有國際先進(jìn)水平的高熱負(fù)載熱緩釋技術(shù)”。作為上海光源的建設(shè)者之一，徐中民因此感到無比驕傲和自豪。

獨(dú)挑大梁擔(dān)重任 不畏挑戰(zhàn)克難關(guān)

有了在上海光源一期中的學(xué)術(shù)與技術(shù)積淀，徐中民隨后又作為系統(tǒng)負(fù)責(zé)人承擔(dān)了國家蛋白設(shè)施“五線六站”、超高分辨寬能段光電子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（上海光源“夢之線”）和上海軟X射線自由電子激光診斷線有限元熱分析及優(yōu)化等工作。其間，他參與研制了國內(nèi)首條Canted雙插入件光束線、國內(nèi)首條同步輻射三代光源生物小角線站和紅外線站。各光束線站的技術(shù)指標(biāo)與總體性能均達(dá)到了國際同類線站的先進(jìn)水平；“夢之線”也成為當(dāng)時(shí)國際上性能最好的光電子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)之一，并幫助科學(xué)家首次從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了外爾費(fèi)米子。

一次次獨(dú)挑大梁的項(xiàng)目經(jīng)歷，也讓徐中民在同步輻射和自由電子激光裝置工程分析技術(shù)上越發(fā)成熟。過程中，他更加深刻體會到我國在重大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)中堅(jiān)持交流與創(chuàng)新緊密結(jié)合、不畏挑戰(zhàn)迎難而上的重要性。

在承擔(dān)上海光源晶體加工實(shí)驗(yàn)室建設(shè)任務(wù)中，徐中民曾作為訪問學(xué)者到日本國立高能物理研究機(jī)構(gòu)（KEK）交流學(xué)習(xí)，為上海光源制訂了晶體加工實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展規(guī)劃和所需的設(shè)備列表，還購置了一批設(shè)備開展初步的晶體加工嘗試，并加工出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異形晶體，填補(bǔ)了上海光源無晶體加工能力的空白，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。

在從2013年開始作為工程分析系統(tǒng)負(fù)責(zé)人承擔(dān)上海光源二期16條束線有限元熱分析及優(yōu)化及測試工作時(shí)，由于二期工程較一期難度更大，技術(shù)要求更高，徐中民領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)成員攻關(guān)不輟，參與解決了許多技術(shù)難題。例如，超導(dǎo)扭擺器前端區(qū)高熱負(fù)載元件、液氮冷卻多層膜單色器、動態(tài)壓彎色散彎晶單色器等，這些難題的解決，有力地推動了光束線技術(shù)的發(fā)展。團(tuán)隊(duì)成功解決了所有束線的高熱負(fù)載問題，保證了二期工程成功實(shí)現(xiàn)了線站的正常出光，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。此外，他還組建了工程分析實(shí)驗(yàn)室，建立了晶體熱變形、設(shè)備振動和流體流場的測試平臺。在完成工程建設(shè)任務(wù)的同時(shí)，徐中民還進(jìn)行了深入的科學(xué)研究，并多方申請經(jīng)費(fèi)支持。其間，他除了得到上海光源運(yùn)行經(jīng)費(fèi)支持外，還獲得了國家自然科學(xué)基金的經(jīng)費(fèi)資助。隨著研究的不斷深入，徐中民也多次受邀在國內(nèi)外同步輻射會議上作學(xué)術(shù)報(bào)告。

2018年起，徐中民參與上海硬X射線自由電子激光裝置項(xiàng)目。這一項(xiàng)目是中國當(dāng)時(shí)投資最大、建設(shè)周期最長的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目之一，是上海科創(chuàng)中心及張江綜合性國家科學(xué)中心的核心創(chuàng)新項(xiàng)目。由于其束流能量和重復(fù)頻率非常高，對束線元件產(chǎn)生了不利的影響，徐中民完成了FEL-Ⅲ束線關(guān)鍵光學(xué)元件初步的有限元熱分析，為后續(xù)進(jìn)一步的優(yōu)化提供了參考。

“在完成上海光源二期工程分析的所有工作后，我于2021年6月底全職加入深圳綜合粒子設(shè)施研究院，參加了由楊學(xué)明院士主持建設(shè)的深圳高重復(fù)頻率X射線自由電子激光裝置（S3FEL）項(xiàng)目，負(fù)責(zé)光束線元件冷卻方案設(shè)計(jì)及振動分析測試的工作?！毙熘忻裾f。彼時(shí)，由于高重復(fù)頻率自由電子激光器具有高峰值功率、高平均功率、全相干特性等優(yōu)點(diǎn)，正在全球多個(gè)國家蓬勃發(fā)展，同時(shí)對反射鏡面形提出了更大挑戰(zhàn)。特別在平均功率較高的情況下，如何完美控制反射鏡面形以保持光束的相干傳輸已成為光束線設(shè)計(jì)中的難題。

在此背景下，徐中民經(jīng)不斷研究，在國際上率先建立了由反射鏡初始變形、X射線引起的熱變形和多電阻加熱片補(bǔ)償?shù)淖冃蔚纫蛩毓餐饔孟路寸R面變形的MHCKF數(shù)學(xué)模型及優(yōu)化處理算法。通過在數(shù)學(xué)模型中搜索擾動項(xiàng)，可以更加快速地獲得面形誤差最小化時(shí)施加在各個(gè)加熱片上熱通量的數(shù)值，并且還可以設(shè)置多重約束條件。從而，成功克服了傳統(tǒng)有限元分析軟件的優(yōu)化過程對于多參數(shù)優(yōu)化非常耗時(shí)的問題。這一模型對于S3FEL光學(xué)元件面形的優(yōu)化補(bǔ)償發(fā)揮非常重要的作用，可輕易實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)鏡在FEL運(yùn)行在1兆赫茲模式下高度誤差RMS值達(dá)到亞納米尺度，及斜率誤差RMS小于50納弧度的目標(biāo)。此外，單色器前置鏡在工作過程中由于X射線光斑在反射鏡上是移動的，其吸收的能量也在變化，導(dǎo)致變形也隨之變化。針對這一問題，徐中民提出了新的面形補(bǔ)償方案，令難題迎刃而解，實(shí)現(xiàn)了前置鏡在FEL運(yùn)行在100千赫茲模式下面形誤差同樣可以滿足要求。目前，徐中民提出的各類反射鏡面形補(bǔ)償方案為S3FEL光束線的工程設(shè)計(jì)打下了良好基礎(chǔ)。

徐中民在中國科學(xué)院和美國能源部主辦的第二屆X射線光學(xué)與探測器研討會上進(jìn)行學(xué)術(shù)演講

招賢納士鑄利器 優(yōu)勢互補(bǔ)謀轉(zhuǎn)化

古人云：“工欲善其事，必先利其器。”科學(xué)研究精細(xì)復(fù)雜，往往需要借助先進(jìn)的科學(xué)儀器設(shè)備。大科學(xué)裝置作為國之重器，凝結(jié)著諸多科技工作者的心血。自20世紀(jì)中葉第一代寄生在高能物理裝置上的兼用光源裝置率先在國外誕生以來，直到近年來興起的第四代以自由電子激光、能量回收型直線加速器、衍射極限儲存環(huán)為發(fā)展方向的新一代光源，國外在這方面的建設(shè)都具有先發(fā)優(yōu)勢，并成功促進(jìn)了生命科學(xué)、材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、微電子等學(xué)科的進(jìn)步發(fā)展。我國科技工作者在相關(guān)領(lǐng)域雖不斷追趕，成績斐然，但人才缺口仍然較大。

作為國內(nèi)早期加入大科學(xué)裝置設(shè)計(jì)建設(shè)隊(duì)伍的一員，徐中民走過了自己從少年時(shí)把玩小小凸透鏡，到青年時(shí)鑄造科研利器的科學(xué)之路。他十分希望這份熱愛能夠繼續(xù)傳遞。扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)、深入研究的興趣、獨(dú)立思考的能力、溝通交流的能力、不輕易放棄的毅力，是他在多年科研生涯中總結(jié)出來的五大科研要點(diǎn)。未來，徐中民希望攜手更多有志之士，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合鑄利器，將紙面上的研究成果落到實(shí)際，共同為我國新一代國之重器的建設(shè)運(yùn)行添磚加瓦，讓第四代光源照亮更繽紛的未知科學(xué)領(lǐng)域。