《核辐射探测方法》课程是核工程类专业的核心专业课程之一，是培养核科学与技术重要基础理论和方法技术课程。该课程主要包含辐射物理、核辐射探测器和核辐射测量方法三个部分内容。“***60645;***65831;***110565;***117287;***39528;***84516;***101223;***106789;***69158;***85413;***59305;***41762;***1892;***102120;***24677;***35431;***84518;***85925;***65830;***107558;***3623;***84008;***7205;***63012;***109031;***83943;***106766;***80197;饭***68604;***51680;***84457;***91059;射线在不同吸收介质中的衰减规律，测定并计算出不同吸收介质对特征能量***60645;***65831;***110567;***106792;***7205;珧***81638;***89123;⨪**63845;***59305;***41766;***101346;***1832;***123941;***65831;***39527;***65961;***14885;***33186;***1892;***101221;***65831;***110564;***99239;***39528;***84519;***114212;***107684;***120615;***84519;***106793;***29544;***24677;***59304;***97638;***87653;***55717;***24933;***61028;***103140;***98351;***115494;***101347;***678;***3624;***123941;***65830;***59558;***86758;***40998;***117731;***744;***65447;***33511;***106789;***127332;***129957;***59305;***41765;***24933;***61027;***138;

传统实验主要面临以下几个问题：1）放射源有较高的辐射危害安全风险；2）微观粒子及与物质相互作用的过程不可见；3）放射源及精密核仪器购买价格昂贵；4）放射源管理使用程序繁杂；5）放射源的种类和活度有限；6）单套实验装置需求实验空间大。因此，传统实物实验的危险性高、成本高、实验空间需求大以及设备管理使用程序繁杂等不利于高校实践教学的开展。目前全国60余所涉核高校中仅有一些老牌涉核高校有放射源库，且放射源的种类和活度较为单一，部分新兴涉核高校只能与企业单位合作开展相关实验，多数高校仅仅停留在理论教学水平，学生很难通过实践教学对相关规律和知识进行训练和探索。

近年来，3D/VR/AR技术蓬勃发展，在解决传统实践教学中面临的安全、稀缺、场地、设备、污染、临场、不可控以及成本等诸多问题方面，有着独特的价值和不俗的表现。本项目按照核工程类专业人才培养需求和实验教学大纲要求，将核物理模拟计算和数字化虚拟仿真相结合，充分利用MCNP专业模拟计算程序对射线与物质相互作用物理过程的真实模拟、3D技术的可视化模型建模以及VR技术实现实验过程的沉浸式体验，开发了可视化、沉浸式“***60645;***65831;***110565;***117287;***39528;***84516;***101223;***106789;***69158;***85414;***89125;***54757;***50600;***104102;***47076;***114663;***116709;***59305;***41762;***1903;***115493;***59303;***60452;***106918;***3623;***39527;***65957;***59305;***41767;***106786;***1829;***125864;***28837;***64488;***29093;***50595;***101;***57957;***23078;***96296;***123941;***65826;***1891;***138;

本项目的主要实验操作过程包括：1）账号验证登录，学生使用自己的姓名和学号登录实验系统；2）实验室安全知识考试，安全考试不合格将不能进行实验；3）学生带上HTC vive2 VR头盔和手柄进入虚拟实验室场景，在虚拟实验准备室场景中通过手柄选择佩戴必要的虚拟辐射安全防护和监测设备，包括个人剂量计、辐射防护服、防护眼镜等；4）进入虚拟放射源库场景，选择实验用放射源（Co-60或Cs-137放射源）；5）携带带屏蔽铅罐的放射源进入辐射物理实验室安装到虚拟实验台架的铅准直器中，开启虚拟实验设备，测量无吸收物质时的实验数据；6）先后放置Al、Fe、Cu、Pb、混泥土等五种不同材料的吸收物质，测量不同厚度不同吸收物质的实验数据；7）实验结束，将放射源放入放射源库，将佩戴的安全设备放回实验准备室，完成实验并提交。

本项目的设计思路是：采用3D建模软件构建数字化虚拟实验室场景和实验室设备与实验材料模型，采用VR技术将核物理模拟计算数据与数字虚拟实验相连接，并客观记录实验过程和实验结果，对实验过程给出综合评价，实现“微观可视化、安全无辐射”的核物理数字化虚拟仿真实验，构建VR实验实训平台。

本项目的设计方案与开发过程：按照上述思路，本项目分四个层次实现：

1）蒙特卡洛仿真层，为确保实验教学能够满足人才培养的需求，要求虚拟仿真实验的物理过程和实验数据与实物实验相一致。为此，本项目以实物实验的真实物理参数为基础，采用专业的粒子输运模拟计算软件MCNP，模拟计算了Co-60、Cs-137两种强放射源共8种活度，分别在Al、Fe、Cu、Pb、混泥土等五种吸收物质中，吸收厚度在0~10m范围条件下的实验数据，模拟数据量达到28MByte。经过对实验数据的分析与处理，结果与实物实验数据的分析与处理结果完全一致。

2）数据驱动层，为方便在Unity 3D引擎中数据的调用和获取，模拟计算获取的实验数据打包成数据库存储并编制了数据调用接口DLL动态链接库，实现可调用接口函数10余个。针对每一具体物理过程和实验细节，在Unity 3D引擎中通过动态链接库调用不同的数据函数不同参数实现，以更真实地描述物理过程，获取更真实的实验数据。

3）场景构建层，为再现真实实验场景，实验场景和设施采用的rhino软件建立基础模型，导入3dmax中贴图实现。由于目标物体都是规则形态，故采用多边形建模的方式，在模型建模前期对空间布局进行整体规划，对部件与空间的比例关系做出合理考量，通过不断的摸索和调试最终得到合理的空间布局及比例关系。场景中基本都是用4点3阶去画每一个根线条，4点3阶极顺线条组成出来极简曲面，部分用的N点5阶曲线去构建模型。共设计了包括实验准备室、放射源库、辐射物理实验室和等候大厅共四个场景，各种设备器材和辅助器材模型100多个。

4）交互层，以上述虚拟场景、设备、器材模型基础上，以Unity 3D引擎为开发平台，导入三维场景、设备与器材模型，充分利用Unity 3D的VRTK等开发包，完成与HTC vive2配套设备的接入与交互，调用DLL动态链接库，实现MCNP模拟计算数据的导入；按照实验教学大纲要求的实验操作步骤，通过C#编程代码（脚本代码文件50余个，代码量480kByte）控制设定实验过程与交互，并完整记录学生在进行虚拟仿真实验过程中的关键操作步骤和产生的实验数据，根据操作过程的记录结果情况在结束实验时自动给出实验过程评分，实现了对学生实验过程的客观监控与评价。对于实验过程中的不当操作或错误操作会有文字提示，同时也模拟有不当操作造成的辐射超标文字与声光报警，报警语音采用三维虚拟语音技术实现虚拟人声。

        同时，核工程类实验和其它高危实验项目类似，实验不仅仅是一个理论验证和知识探索的过程，实验过程的安全操作训练也是实践教学的一个重要目标，本项目采取了两种措施对学生进行安全知识的考核和训练：一是学生登录账号后需要进行在线实验安全考试并记录安全考试成绩，且考试成绩不低于90分方能进行实验，考试题目从系统题库中随机抽取，类型为选择题，选择支也随机排列；二是设置有实验准备室和放射源库两个辅助场景，要求学生在实验准备室佩戴齐备安全设备，并按规范取用放射源取源；安全设备佩戴不齐全或放射源操作不当造成辐射值超标报警则判定实验过程评分为不合格。

项目的主要创新点包括：1）首次将MCNP专业模拟计算数据与3D/VR技术相结合，实现对核物理实验过程和数据结果的真实、可视化、数字化虚拟仿真；2）对高危放射源的虚拟仿真，使学生在涉核实验实践训练中安全无辐射，充分贯彻了“辐射防护三原则”中“辐射实践正当化”的原则；3）通过MCNP模拟计算可以实现传统实验中难以实现的多种类多活度辐射源和多材料类型多规格的吸收物质，扩大了学生认知的深度和广度，提供了利于创新探索的实验条件；4）将实验室安全考试与实践训练相结合，完整记录实践操作全过程并对实践过程进行客观评分，是对实践教学的改革与创新；5）构建了核辐射虚拟仿真实验实训平台，后续可以在此平台基础上，采用本实验的相关实现技术，开发更多涉核类数字化虚拟仿真项目。

本项目采用的技术与难点在于：1）MCNP模拟不同放射源在不同吸收物质不同吸收厚度的实验数据，该部分实验数据与实物实验数据高度吻合，能反映真实射线与物质相互作用的过程和实验结果，MCNP模拟计算模型的建立、模拟计算和模拟数据的处理是本项目的难点之一。2）MCNP模拟计算数据库的建立以及与Unity 3D引擎接口函数动态链接库的编程、调用与实现，为充分展现真实的射线与物质的相互作用详细过程，需要结合实验实验设备和材料的真实物理参数，编写大量的过程接口函数；3）三维数字化建模时，当模型太大、曲面太多、尺寸参数的准确性和精准度不高以及重合面时会有破面产生，因此需要通过3轴空间的仔细检查清理后，尽量降低破面的存在；4）以HTC vive2作为沉浸式交互虚拟硬件，采用Unity作为开发工具，在虚拟场景中对虚拟设备和虚拟实验材料的控制，实现虚拟仿真实验过程的操作；其中在VR虚拟环境中进行大量精确控制性的交互，是设计的一大难点；5）如何避免颗粒问题，在VR环境中的屏幕分辨率带来的颗粒感，避免画质变得粗糙，也是一个比较困难的问题。

为增强虚拟仿真实验的真实性体验，本项目制作了与真实实验室高度一致的模型，模型设计采用的是建模软件Rhino，通过制作大量的规则和不规则单体模型，搭建整个场景。在建立实验场景的过程中，综合考虑模型的干涉和匹配关系以及交互要求，形成复杂的装配体模型，通过模型后处理、贴图、仿真、渲染，达到与真实场景和设备相一致的三维模型。主要包括：实验室场景、放射源库、核仪器设备、辐射防护设备、实验台架、实验材料、设备连接线缆、取源机器人、视频监控、报警器、电视、洗手槽以及装饰性绿植等。

        开发软件平台采用的是专业游戏引擎Unity 3D，利用了VRTK开发包，完成HTC vive设备的接入与交互。本项目开发过程中使用了多个Unity 3D自带的Camera摄像头组件，完成第一人称视角、放射源库实时监控和放射源取放追踪等功能；使用VideoPlayer组件，实现了多媒体视频播放，学生可以在实验室中观看虚拟仿真实验室的介绍视频，以及实验操作过程视频；使用OBI-Advanced fluids for Unity流体插件解决了实验室洗手槽洗手时逼真的水流效果；通过调用百度语音合成SDK，合成虚拟人语音，用于危险操作语音提示；使用Ultimate Game Tools画绳插件，实现了实验操作中连接仪器设备线缆时的逼真体验；使用Itween动画插件，实现了取源机器人小车自动寻道动画效果。此外，还通过代码控制实现了大部分的交互和控制过程、实验操作过程的记录与保存、MCNP模拟计算数据的调用以及实验数据的实时动态变化等。实现了整个项目总体效果上逼真、高效、操作交互方便。

        本项目的教学目标是，学生通过沉浸式虚拟仿真实验，能够掌握实验室安全知识和放射源及涉源实验过程的安全操作，掌握核仪器仪表的使用方法和基本操作，在此基础上能充分理解***60645;***65831;***110564;***99239;***39528;***84519;***106791;***114212;***107684;***120615;***84519;***106791;***39527;***65960;***127463;苯***115494;***58150;***63566;***80240;***18938;***129372;觉***39476;***35128;***55770;***18977;***67911;***64039;***18814;***48124;***51577;***92675;***121188;***129492;***72109;***18990;***6638;***96583;***108856;***55632;***51536;***100756;***92617;***39476;***35183;***104760;***55632;***50099;射线能量的衰减系数，比较不同吸收物质间吸收曲线的差异，激发学生通过实验探索辐射物理的基本定理、规律的兴趣。通过本项目的训练，学生应能够应用***60645;***65831;***110564;***99239;***39528;***84519;***114212;***107684;***120615;***84519;***106791;***106789;***130726;***117543;***65960;***61091;***101;***130727;***4135;***129384;***61861;膦***123939;***104;***30949;***27878;***3624;***123941;***65830;***59558;***86756;***99240;***123941;***65833;***101542;***43300;***101223;***106789;***17254;***118949;***96615;***33513;***97193;***9775;***115493;***105896;***16229;***18406;***62501;纨***30949;***27878;***93798;***4655;***115495;***51621;***66086;***3621;***96615;***33511;***73444;***99556;***100004;***110246;***37735;***106789;***130661;廨***24678;***69795;***138;