创新光源技术 铸造大国重器——记深圳综合粒子设施研究院徐中民研究员

  在我们日常生活中随处可见，比如放大镜、照相机、摄像机、投影仪等仪器，其中都涉及到光学元件。它们用到的只是常规的光学技术，而科学仪器则需要更为复杂而精密的技术体系。在此领域，深圳综合粒子设施研究院的徐中民研究员，始终在追寻着儿时的梦想，十余年来，他扬起创新探索的风帆，驶在光学科研的海洋上。

  “工欲善其事，必先利其器。”科学研究十分精细复杂，需要借助先进的科学仪器装置，而这些不能离开光源技术。人类的生活离不开光，人类发展至今，对光的研究伴随着文明史的发展，光作为现代科技文明的象征，对人们的生活产生了重大影响。尤其是激光的广泛应用，带来了一系列创新创造，推动了人类科学进步和经济社会发展。

  从电光源和激光器，发展到同步辐射光源装置和自由电子激光装置，在这其中，更强更亮的光就从另一方面代表着看见更清晰更微观的世界。徐中民作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人员，在关键光学元件设计的具体方案不断突破创新，他追寻这道闪烁着绚丽的光芒，成为铸造国之重器的科技之光。

  谈起和光学的缘分，还要从徐中民小学说起，当时，有人送给他一块凸透镜。在那个年代，这是个稀奇玩意儿，它既能放大物体，还能聚焦阳光引燃火柴头，对年幼的他来说，非常有意思。后来，徐中民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”。爱因斯坦曾说“兴趣就是最好的老师”，对凸透镜的强烈兴趣，激发了徐中民对光学的热爱之情。这种热爱之情也犹如一束明亮的光，指引着他在今后的学习和科研中不懈探索、屡创新高。

  1994年，追逐梦想的徐中民实现了自己的夙愿，考入了长春光学精密机械学院（现长春理工大学），这所学校被誉为“中国光学英才摇篮”，专为国家培养光学人才。此后四年，他在学校的国家重点学科光电工程攻读专业，凭借心中的热爱勤奋钻研，如鱼得水、成绩优异。

  1998年，徐中民本科毕业后，进入中国科学院长春光学精密机械与物理研究所攻读硕士学业，1999年，他继续在此深造光学专业。作为中国光学领域第一个研究所，长春光机所主要是做应用光学、光学工程、精密机械与仪器和发光学的研发生产。在这里学习和研究6年时间里，徐中民积累了丰富的理论知识，掌握了优秀的科研技能，树立了创新的思维能力，先后获得空间光学硕士和应用光学博士学位。

  2005年夏天，徐中民加入上海中国科学院上海应用物理研究所，当时，该研究所承担了由国家发改委、中国科学院和上海市人民政府共同投资建设的国内投资最多的大科学装置项目“上海光源项目”，也是中国大陆第一台中能第三代同步辐射光源。进入上海应物所后，徐中民全程参与了“上海同步辐射光源”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。

  彼时，徐中民初出茅庐，怀着一腔热血，激情澎湃，更是凭借自身过硬的实力，很快加入了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”，主要是做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。针对分析任务量大、人手少，以及所用Ansys经典版软件前后处理效率低影响分析进度等问题，徐中民转向新推出的Ansys Workbench版本，在可借鉴的内容很少的情况下，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，最终实现了分析平台的移植，极大提高了分析的效率。

  此后，徐中民还完成了前端区多种高热负载元件和束线光学元件的冷却计划方案设计，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计划方案。该方案在国外从来就没使用过，初期存在一定质疑和风险，但是经严密论证后，徐中民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。后来该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。而且，该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计划方案中。此外，徐中民还负责了上海光源一期的精密机械检测工作，几年时间便完成了大量精密仪器的外观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。

  2009年5月，上海光源正式对用户开放，Nature杂志称这是“中国正式加入世界级的同步辐射光源俱乐部”的门票。12月，上海光源工程顺利通过国家工艺鉴定验收，其主要性能参数均达到甚至优于设计指标，专家组对有限元分析团队的评价是“发展了具有国际领先水平的高热负载热缓释技术”。为此，徐中民作为上海光源的建设者之一，一股自豪之情油然而生。

  大科学仪器作为国之重器，凝结着众多科技工作人员的心血。上海光源一期项目结束后，徐中民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。他还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。这些重大科研项目，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更成熟，他也更加深刻认识到重大科学装置建设的重要性。

  作为同步辐射研究领域后发国家，我国和西方先进国家有着不小的技术差距，为了获得先进的设计经验，徐中民曾先后到日本、美国、德国、法国、意大利、瑞士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访问和学习，为后续研究打下了坚实基础。

  时光如白驹过隙，弹指一挥间，转眼间来到2013年，从这一年开始，徐中民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。二期工程较难度更大、技术方面的要求更高，徐中民领导小组成员攻坚克难，解决了多项技术难题。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，有力推动了光束线技术发展。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，达到了设计的基本要求。此外，他还组建了工程分析实验室，建立了晶体热变形、材料热阻特性和设备振动等测试平台。

  2018年，徐中民又参与了上海硬X射线自由电子激光装置项目，作为当时我国投资最大、建设周期最长的国家重大科学技术基础设施项目之一，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，他顺利完成了FEL－Ⅲ束线关键光学元件初步的有限元热分析，为后续逐步优化提供了重要依据。

  2021年，徐中民完成了上海光源二期工程分析的所有工作，随后，他全职加入深圳综合粒子设施研究院，并参与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项目，他主要负责光束线元件冷却计划方案设计及振动分析测试的工作。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，在世界各国蒸蒸日上，并对反射镜面形提出了更大挑战，徐中民在光束线设计中要解决的难题就是：在平均功率较高的情况下控制反射镜面形以保持光束的相干传输。

  对此，徐中民经过不懈研究，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。该模型对于深圳中能高重复频率X射线自由电子激光装置光学元件面形的优化补偿发挥很重要的作用，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，针对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的问题，徐中民提出了新的面形补偿方案，实现了前置镜在FEL运行在100千赫兹模式下面形误差一样能满足要求。目前，徐中民提出的各类反射镜面形补偿方案为深圳中能高重复频率X射线自由电子激光装置光束线的工程设计打下了良好基础。

  “宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来”，徐中民多年坚持不懈，以持之以恒的精神不断突破创新，在科研道路上逐光而行，研发第四代光源自由电子激光装置，为我国的科研铸造国之重器，贡献着自己的力量。（文／丁旭）