中子屏蔽虚拟仿真实验系统的设计与开发

关兴彩，赵江涛，彭海波

(兰州大学 核科学与技术学院，甘肃 兰州 730000)

核学科是兰州大学的特色学科，核工程属于工学学科，对学生的实习实训要求很高。中子源辐射场的屏蔽防护是核工程类专业学生在未来工作中可能面临的一个实际问题。因此，开展中子屏蔽实验对于核工程类专业学生的培养至关重要。然而，中子屏蔽实验在目前的教学条件下很难真实开展，原因是建立真实的中子源辐射场需要昂贵设备、特殊场地和专业人员等[1-3]，同时放射性管理也会带来一系列苛刻要求；另一方面，由于安全需求，实验教学用中子源辐射场不能太强，导致实验时间长，操作难度大，实验结果不理想，难以达到预期的实验教学效果。虚拟仿真实验可以很好地解决因现实教学条件不满足而无法开设实体实验的难题，为提升实验教学质量和扎实培养学生提供了一种有效途径[4-6]。

MCNP(Monte Carlo n-particle transport code)程序是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)的蒙特卡罗(Monte Carlo,MC)小组开发并维护的一套通用计算机程序[7]。MCNP程序基于MC方法，利用FORTRAN语言编写程序，可以模拟中子与物质的相互作用过程，并对中子在物质中输运问题进行模拟计算。LabVIEW(Laboratory Visual Instrument Engineering Workbench)是一种常用的图形化编程语言，用户可以通过LabVIEW编译的程序轻松地实现数据采集、分析以及结果输出等功能，同时可以使用程序框图直观地表示复杂逻辑，开发数据分析算法以及设计自定义用户界面[8]。

因此，基于LabVIEW和MCNP，设计开发了中子屏蔽虚拟仿真实验系统。系统采用LabVIEW设计友好的人机交互界面，通过MCNP程序模拟计算中子在物质中的输运过程，实现了不同种类、不同厚度的中子慢化/屏蔽材料和材料组合对常用中子源辐射场屏蔽效果的模拟仿真以及实验结果的可视化输出。

1 设计理念与思想

根据《教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》(教高函〔2017〕4号)和《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》(教高函〔2018〕5号)的精神，结合兰州大学核学科特色和核工程类专业人才培养方案，从以学习者为中心的角度出发，以提高学生的实验探究能力和主动学习能力为目标，设计开发中子屏蔽虚拟仿真实验系统。设计思路如图1所示。

图1 中子屏蔽虚拟仿真实验系统的设计思路

2 系统设计与开发

设计开发的中子屏蔽虚拟仿真实验系统的开始界面如图2所示。点击开始界面右下角的“点击进入实验”即可进入主界面，开始实验。

虚拟仿真实验系统的主界面布局图如图3所示，分为功能区(图中左半边区域)和显示区(图中右半边区域)。显示区可以显示中子慢化/屏蔽材料的介绍和屏蔽前后中子源辐射场的中子能谱，从而实现实验结果的可视化输出。

图2 中子屏蔽虚拟仿真实验系统的开始界面

图3 中子屏蔽虚拟仿真实验系统的主界面布局图

功能区最下面的区域给出的是虚拟仿真实验系统的计算模型示意图。其中，中子源为平行面源，垂直入射到材料1的前表面。系统配备了三种典型的中子源，即241Am-9Be中子源(同位素中子源)、反应堆中子源和D-T中子源(加速器中子源)，同时给出了这些中子源的介绍。实验时，可以通过界面上的按钮自由选择中子源并了解其基本信息。

中子屏蔽/慢化材料的选择设置界面如图4所示。对于材料1和材料2，系统配备了重水、氧化铍、碳化硼、铁、铅和混凝土等6种常用的中子屏蔽/慢化材料。材料1选定后，界面右半边的显示区就会出现所选材料的介绍，以便了解材料的特点及其中子屏蔽/慢化性能。材料1和材料2选定后，它们的厚度可以在0～20 cm的数值范围内自由设置。待材料1和材料2及其厚度确定之后，点击“Simulation”按钮即可进行中子源辐射场屏蔽效果的模拟仿真。通过改变材料1和材料2的种类、厚度及其组合形式，可以方便地开展不同种类、不同厚度的中子慢化/屏蔽材料和材料组合对所选中子源辐射场屏蔽效果的虚拟仿真实验。需要说明的是，只有点击“Simulation”按钮，系统才能将输入参数调入并进行仿真，其他时候输入参数可以随意改动，并不会直接开始仿真，但会有回显，保证了系统的容错性。

模拟仿真结束后，点击“显示能谱”按钮，界面的显示区即可显示屏蔽前后中子源辐射场的中子能谱，以便查看屏蔽效果、分析实验结果、改进实验方案。同时，也可以根据自己定义的文件名(在“文件保存”中定义，后缀为.dat)查看原始的输出实验数据，以便进一步系统地分析实验结果。

图4 中子屏蔽/慢化材料的选择设置界面

3 系统运行示例

实验时，依次进行如下实验操作：①中子源选择为D-T中子源；②材料1选择重水，材料2选择碳化硼；③设置材料1和材料2的厚度分别为9 cm和3 cm；④定义保存实验结果的文件名为“Ass”；⑤点击“Simulation”按钮，等待模拟仿真的结束；⑥点击“显示能谱”按钮。以上操作完成后，得到的结果如图5所示。

图5 中子屏蔽虚拟仿真实验系统运行示例

4 结 语

设计开发了基于LabVIEW和MCNP的中子屏蔽虚拟仿真实验系统，实现了不同种类、不同厚度的中子慢化/屏蔽材料和材料组合对常用中子源辐射场屏蔽效果的模拟仿真以及实验结果的可视化输出，解决了因现实教学条件不满足而无法开设中子屏蔽实验的难题。设计开发的中子屏蔽虚拟仿真实验系统为学生自由开展实验和自主进行学习创造了良好条件，有助于激发学生的学习兴趣，培养学生的自主创新能力和实验探究能力，提高实验教学质量，全面提升兰州大学核工程类专业人才培养质量。

目前的虚拟仿真实验系统还存在一些不足之处，如配备的中子源和材料的种类少、界面的艺术视觉感不强等，以后将持续努力加以完善。此外，还将设计和开发光子和重离子与材料相互作用的虚拟仿真实验系统，建设功能更加强大的辐射防护虚拟仿真实验教学平台。