關(guān)興彩，趙江濤，彭海波

(蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

核學(xué)科是蘭州大學(xué)的特色學(xué)科，核工程屬于工學(xué)學(xué)科，對(duì)學(xué)生的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)要求很高。中子源輻射場(chǎng)的屏蔽防護(hù)是核工程類專業(yè)學(xué)生在未來(lái)工作中可能面臨的一個(gè)實(shí)際問(wèn)題。因此，開(kāi)展中子屏蔽實(shí)驗(yàn)對(duì)于核工程類專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)至關(guān)重要。然而，中子屏蔽實(shí)驗(yàn)在目前的教學(xué)條件下很難真實(shí)開(kāi)展，原因是建立真實(shí)的中子源輻射場(chǎng)需要昂貴設(shè)備、特殊場(chǎng)地和專業(yè)人員等[1-3]，同時(shí)放射性管理也會(huì)帶來(lái)一系列苛刻要求；另一方面，由于安全需求，實(shí)驗(yàn)教學(xué)用中子源輻射場(chǎng)不能太強(qiáng)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，操作難度大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想，難以達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以很好地解決因現(xiàn)實(shí)教學(xué)條件不滿足而無(wú)法開(kāi)設(shè)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的難題，為提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和扎實(shí)培養(yǎng)學(xué)生提供了一種有效途徑[4-6]。

MCNP(Monte Carlo n-particle transport code)程序是美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Los Alamos National Laboratory)的蒙特卡羅(Monte Carlo,MC)小組開(kāi)發(fā)并維護(hù)的一套通用計(jì)算機(jī)程序[7]。MCNP程序基于MC方法，利用FORTRAN語(yǔ)言編寫程序，可以模擬中子與物質(zhì)的相互作用過(guò)程，并對(duì)中子在物質(zhì)中輸運(yùn)問(wèn)題進(jìn)行模擬計(jì)算。LabVIEW(Laboratory Visual Instrument Engineering Workbench)是一種常用的圖形化編程語(yǔ)言，用戶可以通過(guò)LabVIEW編譯的程序輕松地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析以及結(jié)果輸出等功能，同時(shí)可以使用程序框圖直觀地表示復(fù)雜邏輯，開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)分析算法以及設(shè)計(jì)自定義用戶界面[8]。

因此，基于LabVIEW和MCNP，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了中子屏蔽虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用LabVIEW設(shè)計(jì)友好的人機(jī)交互界面，通過(guò)MCNP程序模擬計(jì)算中子在物質(zhì)中的輸運(yùn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了不同種類、不同厚度的中子慢化/屏蔽材料和材料組合對(duì)常用中子源輻射場(chǎng)屏蔽效果的模擬仿真以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可視化輸出。

1 設(shè)計(jì)理念與思想

根據(jù)《教育部辦公廳關(guān)于2017-2020年開(kāi)展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》(教高函〔2017〕4號(hào))和《教育部關(guān)于開(kāi)展國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》(教高函〔2018〕5號(hào))的精神，結(jié)合蘭州大學(xué)核學(xué)科特色和核工程類專業(yè)人才培養(yǎng)方案，從以學(xué)習(xí)者為中心的角度出發(fā)，以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力和主動(dòng)學(xué)習(xí)能力為目標(biāo)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中子屏蔽虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 中子屏蔽虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的中子屏蔽虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)始界面如圖2所示。點(diǎn)擊開(kāi)始界面右下角的“點(diǎn)擊進(jìn)入實(shí)驗(yàn)”即可進(jìn)入主界面，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主界面布局圖如圖3所示，分為功能區(qū)(圖中左半邊區(qū)域)和顯示區(qū)(圖中右半邊區(qū)域)。顯示區(qū)可以顯示中子慢化/屏蔽材料的介紹和屏蔽前后中子源輻射場(chǎng)的中子能譜，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可視化輸出。

圖2 中子屏蔽虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)始界面

圖3 中子屏蔽虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主界面布局圖

功能區(qū)最下面的區(qū)域給出的是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計(jì)算模型示意圖。其中，中子源為平行面源，垂直入射到材料1的前表面。系統(tǒng)配備了三種典型的中子源，即241Am-9Be中子源(同位素中子源)、反應(yīng)堆中子源和D-T中子源(加速器中子源)，同時(shí)給出了這些中子源的介紹。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以通過(guò)界面上的按鈕自由選擇中子源并了解其基本信息。

中子屏蔽/慢化材料的選擇設(shè)置界面如圖4所示。對(duì)于材料1和材料2，系統(tǒng)配備了重水、氧化鈹、碳化硼、鐵、鉛和混凝土等6種常用的中子屏蔽/慢化材料。材料1選定后，界面右半邊的顯示區(qū)就會(huì)出現(xiàn)所選材料的介紹，以便了解材料的特點(diǎn)及其中子屏蔽/慢化性能。材料1和材料2選定后，它們的厚度可以在0～20 cm的數(shù)值范圍內(nèi)自由設(shè)置。待材料1和材料2及其厚度確定之后，點(diǎn)擊“Simulation”按鈕即可進(jìn)行中子源輻射場(chǎng)屏蔽效果的模擬仿真。通過(guò)改變材料1和材料2的種類、厚度及其組合形式，可以方便地開(kāi)展不同種類、不同厚度的中子慢化/屏蔽材料和材料組合對(duì)所選中子源輻射場(chǎng)屏蔽效果的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。需要說(shuō)明的是，只有點(diǎn)擊“Simulation”按鈕，系統(tǒng)才能將輸入?yún)?shù)調(diào)入并進(jìn)行仿真，其他時(shí)候輸入?yún)?shù)可以隨意改動(dòng)，并不會(huì)直接開(kāi)始仿真，但會(huì)有回顯，保證了系統(tǒng)的容錯(cuò)性。

模擬仿真結(jié)束后，點(diǎn)擊“顯示能譜”按鈕，界面的顯示區(qū)即可顯示屏蔽前后中子源輻射場(chǎng)的中子能譜，以便查看屏蔽效果、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案。同時(shí)，也可以根據(jù)自己定義的文件名(在“文件保存”中定義，后綴為.dat)查看原始的輸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)一步系統(tǒng)地分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖4 中子屏蔽/慢化材料的選擇設(shè)置界面

3 系統(tǒng)運(yùn)行示例

實(shí)驗(yàn)時(shí)，依次進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)操作：①中子源選擇為D-T中子源；②材料1選擇重水，材料2選擇碳化硼；③設(shè)置材料1和材料2的厚度分別為9 cm和3 cm；④定義保存實(shí)驗(yàn)結(jié)果的文件名為“Ass”；⑤點(diǎn)擊“Simulation”按鈕，等待模擬仿真的結(jié)束；⑥點(diǎn)擊“顯示能譜”按鈕。以上操作完成后，得到的結(jié)果如圖5所示。

圖5 中子屏蔽虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行示例

4 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于LabVIEW和MCNP的中子屏蔽虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了不同種類、不同厚度的中子慢化/屏蔽材料和材料組合對(duì)常用中子源輻射場(chǎng)屏蔽效果的模擬仿真以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可視化輸出，解決了因現(xiàn)實(shí)教學(xué)條件不滿足而無(wú)法開(kāi)設(shè)中子屏蔽實(shí)驗(yàn)的難題。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的中子屏蔽虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為學(xué)生自由開(kāi)展實(shí)驗(yàn)和自主進(jìn)行學(xué)習(xí)創(chuàng)造了良好條件，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力和實(shí)驗(yàn)探究能力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，全面提升蘭州大學(xué)核工程類專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

目前的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還存在一些不足之處，如配備的中子源和材料的種類少、界面的藝術(shù)視覺(jué)感不強(qiáng)等，以后將持續(xù)努力加以完善。此外，還將設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)光子和重離子與材料相互作用的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，建設(shè)功能更加強(qiáng)大的輻射防護(hù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。