中子屏蔽虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

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，對學(xué)生的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)要求很高。中子源輻射場的屏蔽防護(hù)是核工程類專業(yè)學(xué)生在未來工作中可能面臨的一個(gè)實(shí)際問題。因此，開展中子屏蔽實(shí)驗(yàn)對于核工程類專業(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)開展，原因是建立真實(shí)的中子源輻射場需要昂貴設(shè)備、特殊場地和專業(yè)人員等[1-3]，同時(shí)放射性管理也會帶來一系列苛刻要求；另一方面，由于安全需求，實(shí)驗(yàn)教學(xué)用中子源輻射場不能太強(qiáng)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)時(shí)間長，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)條件不滿足而無法開設(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)程序是美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室(Los Alamos National Laboratory)的蒙特卡羅(Monte Carlo,MC)小組開發(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語言編寫程序，可以模擬中子與物質(zhì)的相互作用過程，并對中子在物質(zhì)中輸運(yùn)問題進(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言，用戶可以通過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MCNP程序模擬計(jì)算中子在物質(zhì)中的輸運(yùn)過程，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常用中子源輻射場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)和《教育部關(guān)于開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》(教高函〔2018〕5號)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)探究能力和主動學(xué)習(xí)能力為目標(biāo)，設(shè)計(jì)開發(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)與開發(fā)

設(shè)計(jì)開發(fā)的中子屏蔽虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開始界面如圖2所示。點(diǎn)擊開始界面右下角的“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)行中子源輻射場屏蔽效果的模擬仿真。通過改變材料1和材料2的種類、厚度及其組合形式，可以方便地開展不同種類、不同厚度的中子慢化/屏蔽材料和材料組合對所選中子源輻射場屏蔽效果的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。需要說明的是，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，并不會直接開始仿真，但會有回顯，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

設(shè)計(jì)開發(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常用中子源輻射場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)條件不滿足而無法開設(shè)中子屏蔽實(shí)驗(yàn)的難題。設(shè)計(jì)開發(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。