徐中民 深圳综合粒子设施研究院研究员

从小小凸透镜到煌煌国之重器

——记深圳综合粒子设施研究院研究员徐中民

2023-11-28

“上小学期间，一个偶然的机会，有人送了我一块凸透镜。它既能放大物体，也能在太阳底下聚焦引燃火柴头，对那时的我来说，非常有意思。后来，我就开始收集各种透镜，还想着要自制一个单筒望远镜观察月球。”对凸透镜的兴趣，激发了少年徐中民对光学的热爱。这份热爱也犹如一束明亮的光，指引着他在成年后不懈深耕，成为参与设计我国第三代同步辐射光源和第四代光源——自由电子激光等国际级重大科学装置的科技工作者。

在从同步辐射光源装置到自由电子激光装置的跨越式发展中，更强更亮的光意味着看见更清晰更微观的世界，是多学科的重要实验平台，其战略意义不言自明。从业多年，徐中民负责了“上海同步辐射光源”（以下简称“上海光源”）一期以来所有新建光束线关键元件的热、结构、流体等多物理场有限元分析及优化工作；在国际率先提出了反射镜上边缘局部冷却方案，并应用于上海光源多条束线反射镜的冷却方案设计；负责完成了上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE）第三条波荡器线FEL-Ⅲ关键光学元件的首轮有限元分析工作；负责深圳高重复频率自由电子激光装置光束线工程分析及测试工作，并提出了MHCKF模型用于相干传输反射镜的面形优化设计。

基于相关工作，徐中民先后获得上海光源贡献奖、有限元分析（Ansys）创新大会优秀论文奖，并入选深圳市“鹏城孔雀计划”特聘人才，在光束线关键元件分析方面已形成了涵盖传热、结构和流体等多物理场，以及稳态及瞬态等耦合分析的相对完整的体系。

作为相关领域后发国家的研究人员，为获得先进的设计经验，徐中民交流访问的脚步遍及美国、德国、法国、意大利、瑞士、日本等世界上大部分同步辐射光源和自由电子激光装置的实验室。但是他说，在关键光学元件设计方案上遇到的每一个新挑战，都意味着优化进步的新可能。广泛交流的同时，审慎对待拿来主义，脚踏实地立足需求谋创新，正是他一次次担当重任，在光学元件冷却方案设计研究上取得新突破的重要原因。

情倾光学勤钻研 创新方案结硕果

1994年，徐中民考入由两院院士王大珩创立并担任第一任院长的长春光学精密机械学院（现长春理工大学）。这是一所主要为国防培养光学人才的高等学校，被誉为“中国光学英才摇篮”。徐中民就读于这所学校的国家重点学科光电工程。大学4年，他出于对光学的热爱，勤奋钻研，成绩优异，多次获得奖学金。此外，他还利用课余时间学习了本校计算机及应用专业的主要课程，所有成绩合格并获辅修证书。

1998年本科毕业后，徐中民又报考了中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（以下简称“长春光机所”）的硕士生，于次年继续深造光学专业。作为中国光学领域第一个研究所，长春光机所主要从事应用光学、光学工程、精密机械与仪器和发光学的研发生产。彼时，恰逢中国科学院开展知识创新工程，经过6年的学习和研究，培养了徐中民创新的思维能力，并先后获得了空间光学硕士学位和应用光学博士学位。徐中民的博士生导师是光电领域的著名科学家禹秉熙研究员，禹老师经常告诫课题组的成员：“做科研要持之以恒，戒骄戒躁，甘坐冷板凳，如此才能厚积薄发，获得好的学术成果。”这句话深深影响了徐中民。

在徐中民攻读博士最后一年忙于实验和论文之际，远在上海的中国科学院上海应用物理研究所（以下简称“上海应物所”）也在筹谋一件大事——上海光源项目。这是当时国内投资最多的大科学装置项目之一，由国家发改委、中国科学院和上海市人民政府共同投资建设，是中国大陆第一台中能第三代同步辐射光源，于2004年12月25日正式破土动工。2005年夏天博士即将毕业时，徐中民被网上关于上海光源的招聘信息所吸引，欣然加入了上海应物所。

凭借过硬的实力，初出茅庐的徐中民很快加入了上海光源项目工程分析小组，参与处理第三代同步辐射装置光束线最具挑战的问题之一——高热负载，主要从事同步辐射装置光束线关键元件有限元分析及测试研究工作。作为骨干成员，他参加了上海光源一期项目7条束线有限元分析及优化。当时分析任务量很大，团队人手不足，并且所用的Ansys经典版软件的前后处理的效率不高，影响了分析进度。为此，徐中民转向新推出的Ansys Workbench版本。在可借鉴的内容和可交流的同事都很少的情况下，团队负责人王纳秀高级工程师给了他很多的鼓励和支持。徐中民经过对Workbench中各类输入和输出数据文件内容的分析并不断尝试，终于实现了分析平台的移植，显著提高了团队分析的效率。

接着，徐中民再接再厉完成了前端区多种高热负载元件和束线光学元件的冷却方案设计，特别是针对反射镜亚微弧度面形的要求，在国际上率先提出了上边缘局部冷却方案。作为一种还没有在国外使用过，由国人自主提出的方案，此方案虽然在初期存在一定质疑和风险，但经严密论证后，证明其能够使光学元件的面形提高一个量级，大大增强了团队信心。后来这一方法又应用于上海光源其他线站的光学元件上，为光束线的成像质量提供了保障。不仅如此，方案还被应用于美国超导加速器LCLS-Ⅱ自由电子激光装置反射镜的冷却方案中。此外，徐中民还负责了上海光源一期的精密机械检测工作，在几年里完成了大量精密仪器的外形尺寸及运动参数的标定，确保了设备的可靠性，并且还参与了光束线前端区的准直测量工作。

“正是在上海光源一期多个岗位上的锻炼实践，使我对光束线设计中的光学、机械和控制等多个部分的内容有了更深刻的认识，这对有限元分析方面的探索也有很好的促进作用。”徐中民说自己十分幸运能在从业之初就参与这样重大的项目，受益匪浅。2009年5月，上海光源正式对用户开放，英国《自然》（Nature）杂志发文称，这是“中国正式加入世界级的同步辐射光源俱乐部”。同年12月，上海光源工程顺利通过国家工艺鉴定验收，主要性能参数均达到或优于设计指标，专家组对有限元分析团队的评价是“发展了具有国际先进水平的高热负载热缓释技术”。作为上海光源的建设者之一，徐中民因此感到无比骄傲和自豪。

独挑大梁担重任 不畏挑战克难关

有了在上海光源一期中的学术与技术积淀，徐中民随后又作为系统负责人承担了国家蛋白设施“五线六站”、超高分辨宽能段光电子实验系统（上海光源“梦之线”）和上海软X射线自由电子激光诊断线有限元热分析及优化等工作。其间，他参与研制了国内首条Canted双插入件光束线、国内首条同步辐射三代光源生物小角线站和红外线站。各光束线站的技术指标与总体性能均达到了国际同类线站的先进水平；“梦之线”也成为当时国际上性能最好的光电子实验系统之一，并帮助科学家首次从实验上发现了外尔费米子。

一次次独挑大梁的项目经历，也让徐中民在同步辐射和自由电子激光装置工程分析技术上越发成熟。过程中，他更加深刻体会到我国在重大科学基础设施的建设中坚持交流与创新紧密结合、不畏挑战迎难而上的重要性。

在承担上海光源晶体加工实验室建设任务中，徐中民曾作为访问学者到日本国立高能物理研究机构（KEK）交流学习，为上海光源制订了晶体加工实验室的发展规划和所需的设备列表，还购置了一批设备开展初步的晶体加工尝试，并加工出结构复杂的异形晶体，填补了上海光源无晶体加工能力的空白，为后续实验室的发展打下了基础。

在从2013年开始作为工程分析系统负责人承担上海光源二期16条束线有限元热分析及优化及测试工作时，由于二期工程较一期难度更大，技术要求更高，徐中民领导团队成员攻关不辍，参与解决了许多技术难题。例如，超导扭摆器前端区高热负载元件、液氮冷却多层膜单色器、动态压弯色散弯晶单色器等，这些难题的解决，有力地推动了光束线技术的发展。团队成功解决了所有束线的高热负载问题，保证了二期工程成功实现了线站的正常出光，达到了设计要求。此外，他还组建了工程分析实验室，建立了晶体热变形、设备振动和流体流场的测试平台。在完成工程建设任务的同时，徐中民还进行了深入的科学研究，并多方申请经费支持。其间，他除了得到上海光源运行经费支持外，还获得了国家自然科学基金的经费资助。随着研究的不断深入，徐中民也多次受邀在国内外同步辐射会议上作学术报告。

2018年起，徐中民参与上海硬X射线自由电子激光装置项目。这一项目是中国当时投资最大、建设周期最长的国家重大科技基础设施项目之一，是上海科创中心及张江综合性国家科学中心的核心创新项目。由于其束流能量和重复频率非常高，对束线元件产生了不利的影响，徐中民完成了FEL-Ⅲ束线关键光学元件初步的有限元热分析，为后续进一步的优化提供了参考。

“在完成上海光源二期工程分析的所有工作后，我于2021年6月底全职加入深圳综合粒子设施研究院，参加了由杨学明院士主持建设的深圳高重复频率X射线自由电子激光装置（S3FEL）项目，负责光束线元件冷却方案设计及振动分析测试的工作。”徐中民说。彼时，由于高重复频率自由电子激光器具有高峰值功率、高平均功率、全相干特性等优点，正在全球多个国家蓬勃发展，同时对反射镜面形提出了更大挑战。特别在平均功率较高的情况下，如何完美控制反射镜面形以保持光束的相干传输已成为光束线设计中的难题。

在此背景下，徐中民经不断研究，在国际上率先建立了由反射镜初始变形、X射线引起的热变形和多电阻加热片补偿的变形等因素共同作用下反镜面变形的MHCKF数学模型及优化处理算法。通过在数学模型中搜索扰动项，可以更加快速地获得面形误差最小化时施加在各个加热片上热通量的数值，并且还可以设置多重约束条件。从而，成功克服了传统有限元分析软件的优化过程对于多参数优化非常耗时的问题。这一模型对于S3FEL光学元件面形的优化补偿发挥非常重要的作用，可轻易实现偏转镜在FEL运行在1兆赫兹模式下高度误差RMS值达到亚纳米尺度，及斜率误差RMS小于50纳弧度的目标。此外，单色器前置镜在工作过程中由于X射线光斑在反射镜上是移动的，其吸收的能量也在变化，导致变形也随之变化。针对这一问题，徐中民提出了新的面形补偿方案，令难题迎刃而解，实现了前置镜在FEL运行在100千赫兹模式下面形误差同样可以满足要求。目前，徐中民提出的各类反射镜面形补偿方案为S3FEL光束线的工程设计打下了良好基础。

招贤纳士铸利器 优势互补谋转化

古人云：“工欲善其事，必先利其器。”科学研究精细复杂，往往需要借助先进的科学仪器设备。大科学装置作为国之重器，凝结着诸多科技工作者的心血。自20世纪中叶第一代寄生在高能物理装置上的兼用光源装置率先在国外诞生以来，直到近年来兴起的第四代以自由电子激光、能量回收型直线加速器、衍射极限储存环为发展方向的新一代光源，国外在这方面的建设都具有先发优势，并成功促进了生命科学、材料科学、医学、微电子等学科的进步发展。我国科技工作者在相关领域虽不断追赶，成绩斐然，但人才缺口仍然较大。

作为国内早期加入大科学装置设计建设队伍的一员，徐中民走过了自己从少年时把玩小小凸透镜，到青年时铸造科研利器的科学之路。他十分希望这份热爱能够继续传递。扎实的专业基础、深入研究的兴趣、独立思考的能力、沟通交流的能力、不轻易放弃的毅力，是他在多年科研生涯中总结出来的五大科研要点。未来，徐中民希望携手更多有志之士，强强联合铸利器，将纸面上的研究成果落到实际，共同为我国新一代国之重器的建设运行添砖加瓦，让第四代光源照亮更缤纷的未知科学领域。

来源：科学中国人 2023年11期 创新之路