王 芳 肖貞林

“上小學期間，一個偶然的機會，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，還想著要自制一個單筒望遠鏡觀察月球。”對凸透鏡的興趣，激發(fā)了少年徐中民對光學的熱愛。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，更強更亮的光意味著看見更清晰更微觀的世界，是多學科的重要實驗平臺，其戰(zhàn)略意義不言自明。從業(yè)多年，徐中民負責了“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；負責完成了上海硬X射線自由電子激光裝置（SHINE）第三條波蕩器線FEL-Ⅲ關(guān)鍵光學元件的首輪有限元分析工作；負責深圳高重復(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。

徐中民在2017年度國際光學工程學會研討會上

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，為獲得先進的設(shè)計經(jīng)驗，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驗室。但是他說，在關(guān)鍵光學元件設(shè)計方案上遇到的每一個新挑戰(zhàn)，都意味著優(yōu)化進步的新可能。廣泛交流的同時，審慎對待拿來主義，腳踏實地立足需求謀創(chuàng)新，正是他一次次擔當重任，在光學元件冷卻方案設(shè)計研究上取得新突破的重要原因。

情傾光學勤鉆研 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)立并擔任第一任院長的長春光學精密機械學院（現(xiàn)長春理工大學）。這是一所主要為國防培養(yǎng)光學人才的高等學校，被譽為“中國光學英才搖籃”。徐中民就讀于這所學校的國家重點學科光電工程。大學4年，他出于對光學的熱愛，勤奮鉆研，成績優(yōu)異，多次獲得獎學金。此外，他還利用課余時間學習了本校計算機及應(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，徐中民又報考了中國科學院長春光學精密機械與物理研究所（以下簡稱“長春光機所”）的碩士生，于次年繼續(xù)深造光學專業(yè)。作為中國光學領(lǐng)域第一個研究所，長春光機所主要從事應(yīng)用光學、光學工程、精密機械與儀器和發(fā)光學的研發(fā)生產(chǎn)。彼時，恰逢中國科學院開展知識創(chuàng)新工程，經(jīng)過6年的學習和研究，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碩士學位和應(yīng)用光學博士學位。徐中民的博士生導師是光電領(lǐng)域的著名科學家禹秉熙研究員，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)，獲得好的學術(shù)成果。”這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驗和論文之際，遠在上海的中國科學院上海應(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——上海光源項目。這是當時國內(nèi)投資最多的大科學裝置項目之一，由國家發(fā)改委、中國科學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，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。

憑借過硬的實力，初出茅廬的徐中民很快加入了上海光源項目工程分析小組，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目7條束線有限元分析及優(yōu)化。當時分析任務(wù)量很大，團隊人手不足，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，團隊負責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，終于實現(xiàn)了分析平臺的移植，顯著提高了團隊分析的效率。

接著，徐中民再接再厲完成了前端區(qū)多種高熱負載元件和束線光學元件的冷卻方案設(shè)計，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)疑和風險，但經(jīng)嚴密論證后，證明其能夠使光學元件的面形提高一個量級，大大增強了團隊信心。后來這一方法又應(yīng)用于上海光源其他線站的光學元件上，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，徐中民還負責了上海光源一期的精密機械檢測工作，在幾年里完成了大量精密儀器的外形尺寸及運動參數(shù)的標定，確保了設(shè)備的可靠性，并且還參與了光束線前端區(qū)的準直測量工作。

“正是在上海光源一期多個崗位上的鍛煉實踐，使我對光束線設(shè)計中的光學、機械和控制等多個部分的內(nèi)容有了更深刻的認識，這對有限元分析方面的探索也有很好的促進作用。”徐中民說自己十分幸運能在從業(yè)之初就參與這樣重大的項目，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收，主要性能參數(shù)均達到或優(yōu)于設(shè)計指標，專家組對有限元分析團隊的評價是“發(fā)展了具有國際先進水平的高熱負載熱緩釋技術(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。

獨挑大梁擔重任 不畏挑戰(zhàn)克難關(guān)

有了在上海光源一期中的學術(shù)與技術(shù)積淀，徐中民隨后又作為系統(tǒng)負責人承擔了國家蛋白設(shè)施“五線六站”、超高分辨寬能段光電子實驗系統(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)指標與總體性能均達到了國際同類線站的先進水平；“夢之線”也成為當時國際上性能最好的光電子實驗系統(tǒng)之一，并幫助科學家首次從實驗上發(fā)現(xiàn)了外爾費米子。

一次次獨挑大梁的項目經(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基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)中堅持交流與創(chuàng)新緊密結(jié)合、不畏挑戰(zhàn)迎難而上的重要性。

在承擔上海光源晶體加工實驗室建設(shè)任務(wù)中，徐中民曾作為訪問學者到日本國立高能物理研究機構(gòu)（KEK）交流學習，為上海光源制訂了晶體加工實驗室的發(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，填補了上海光源無晶體加工能力的空白，為后續(xù)實驗室的發(fā)展打下了基礎(chǔ)。

在從2013年開始作為工程分析系統(tǒng)負責人承擔上海光源二期16條束線有限元熱分析及優(yōu)化及測試工作時，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)導團隊成員攻關(guān)不輟，參與解決了許多技術(shù)難題。例如，超導扭擺器前端區(qū)高熱負載元件、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。團隊成功解決了所有束線的高熱負載問題，保證了二期工程成功實現(xiàn)了線站的正常出光，達到了設(shè)計要求。此外，他還組建了工程分析實驗室，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，徐中民還進行了深入的科學研究，并多方申請經(jīng)費支持。其間，他除了得到上海光源運行經(jīng)費支持外，還獲得了國家自然科學基金的經(jīng)費資助。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術(shù)報告。

2018年起，徐中民參與上海硬X射線自由電子激光裝置項目。這一項目是中國當時投資最大、建設(shè)周期最長的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目之一，是上?？苿?chuàng)中心及張江綜合性國家科學中心的核心創(chuàng)新項目。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)鍵光學元件初步的有限元熱分析，為后續(xù)進一步的優(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）項目，負責光束線元件冷卻方案設(shè)計及振動分析測試的工作?！毙熘忻裾f。彼時，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，正在全球多個國家蓬勃發(fā)展，同時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償?shù)淖冃蔚纫蛩毓餐饔孟路寸R面變形的MHCKF數(shù)學模型及優(yōu)化處理算法。通過在數(shù)學模型中搜索擾動項，可以更加快速地獲得面形誤差最小化時施加在各個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)化非常耗時的問題。這一模型對于S3FEL光學元件面形的優(yōu)化補償發(fā)揮非常重要的作用，可輕易實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)鏡在FEL運行在1兆赫茲模式下高度誤差RMS值達到亞納米尺度，及斜率誤差RMS小于50納弧度的目標。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償方案，令難題迎刃而解，實現(xiàn)了前置鏡在FEL運行在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償方案為S3FEL光束線的工程設(shè)計打下了良好基礎(chǔ)。

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

招賢納士鑄利器 優(yōu)勢互補謀轉(zhuǎn)化

古人云：“工欲善其事，必先利其器?！笨茖W研究精細復(fù)雜，往往需要借助先進的科學儀器設(shè)備。大科學裝置作為國之重器，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，并成功促進了生命科學、材料科學、醫(yī)學、微電子等學科的進步發(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)早期加入大科學裝置設(shè)計建設(shè)隊伍的一員，徐中民走過了自己從少年時把玩小小凸透鏡，到青年時鑄造科研利器的科學之路。他十分希望這份熱愛能夠繼續(xù)傳遞。扎實的專業(yè)基礎(chǔ)、深入研究的興趣、獨立思考的能力、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。未來，徐中民希望攜手更多有志之士，強強聯(lián)合鑄利器，將紙面上的研究成果落到實際，共同為我國新一代國之重器的建設(shè)運行添磚加瓦，讓第四代光源照亮更繽紛的未知科學領(lǐng)域。