一种具备谱学功能的扫描隧道显微镜实验装置设计与教学应用

该文研制了一种具备谱学功能的扫描隧道显微镜实验教学装置。装置采用紧凑的对称式结构设计和高刚性材料,具有漂移小、噪声低的优点,结合减震隔音设计,能够在课堂环境下稳定实现对多种材料表面的原子分辨成像。隧道电流的一阶微分谱直接反映了样品表面的电子态密度信息,可以帮助学生理解隧道电流信号。该装置集成了锁相放大功能,可以实现隧道电流-偏压谱及其一阶微分谱的测量,拓展了扫描探针显微实验的教学内容和教学深度。

Hg_(0.72)Cd_(0.28)Te扫描隧道谱的模型解释

本工作利用截面扫描隧道显微镜(XSTM)研究了分子束外延生长的Hg_(0.72)Cd_(0.28)Te薄膜。扫描隧道谱(STS)测量表明,此碲镉汞材料的电流-电压(I/V)隧道谱呈现的零电流平台宽度(隧道谱表观带隙)比其实际材料带隙增大约130%,说明存在明显的针尖诱导能带弯曲(TIBB)效应。扫描隧道谱三维TIBB模型计算发现低成像偏压测量时获取的I/V隧道谱数据与理论计算结果有令人满意的一致性。然而较大成像偏压时所计算的I/V谱与实验谱线在较大正偏压区域存在一定偏离。这是目前的TIBB模型未考虑带带隧穿、缺陷辅助隧穿等碲镉汞本身的输运机制对隧道电流的影响造成的。

用于扫描隧道显微镜的低噪声前置电流放大器

前置电流放大器是扫描隧道显微镜的重要部件之一,其性能对于扫描隧道显微镜系统的基本操作及新功能开发至关重要.本文详细分析了影响前置电流放大器性能的因素,通过筛选噪声极低的运放芯片和电路结构优化,设计了一款针对扫描隧道显微镜系统的前置电流放大器.该放大器最灵敏档位(1 GΩ)的噪声低至4 fA/(Hz)1/2,带宽为2.3 kHz,具有10 MΩ,100 MΩ和1 GΩ三个测量量程并且可以通过控制信号实现自动切换,测量范围覆盖pA—μA量级的隧穿电流.利用该前置电流放大器展示了扫描隧道显微镜系统的主要功能,包括表面形貌表征、扫描隧道谱测量以及原子搬运,并探索了隧穿电流中散粒噪声的测量.通过散粒噪声随隧穿电流的变化关系,得到隧穿结中散粒噪声的法诺因子约等于1,验证了简单金属隧穿结中电子隧穿满足泊松过程,为表面电子关联体系的高精度表征提供了基础.

超高真空低温强磁场扫描隧道显微镜的原理及其在石墨烯量子点中的应用

扫描隧道显微镜具有原子级实空间分辨与原位电子态密度探测能力,是材料表面结构及性质表征的常用工具,特别是在近20年来以石墨烯为代表的二维材料电学性质的研究中发挥了重要作用.本文介绍了扫描隧道显微镜的基本原理以及超高真空低温强磁场扫描隧道显微镜的关键技术,并且以石墨烯量子点的特性为例,介绍了超高真空低温强磁场扫描隧道显微镜在石墨烯量子点的制备、电学性质的表征以及量子点中准束缚态在磁场作用下的演化研究中的应用.

利用扫描隧道显微术对SrTiO_(3)(001)上生长CoSe/FeSe异质界面结构和谱学研究

硒化铁/钛酸锶(001)(FeSe/SrTiO_(3)(001),FeSe/STO)中界面增强的超导电性一直是近些年凝聚态物理领域的热点问题之一,基于FeSe薄膜构筑异质界面是调控其超导电性和构筑新奇量子物态的重要手段。本文报道了利用分子束外延在SrTiO_(3)(001)衬底上制备了高质量硒化钴-硒化铁(CoSe/FeSe)纵向异质结的方法,利用扫描隧道显微镜和扫描隧道谱详细研究了该异质界面的电子性质和电子态密度的实空间分布。由于CoSe/FeSe界面存在强烈的电荷转移,FeSe处于过掺杂状态,导致FeSe/STO界面相互作用已不满足非绝热近似,以及FeSe中超导电性的消失。空间依赖的扫描隧道谱显示,CoSe/FeSe的异质界面边缘处出现了晶向依赖的边缘电子态和边角电子态,这些边界上的电子态受到CoSe/FeSe界面电荷转移效应的调制。该研究为基于单层FeSe/STO界面超导电性的调控及量子结构的构筑提供了借鉴。

基于三维激光扫描技术的竣工盾构隧道渗漏水检测

渗漏水是隧道常见的病害,长期渗漏会导致隧道结构开裂、裂缝、钢筋腐蚀,威胁到隧道运营安全,因此对其检测一直受到重视。本文利用三维激光扫描技术实现了竣工盾构隧道渗漏水的位置及面积的自动检测。首先采用架站式三维激光扫描仪采集竣工隧道点云,基于修正后的反射强度值生成隧道衬砌表面灰度图,再采用膨胀法与腐蚀法对灰度图像进行预处理;然后利用连通域算法计算渗漏水位置及其面积;最后结合实际工程验证本文方法的实用性及准确性。结果表明,应用本文方法竣工隧道的渗漏水检测准确率达92%。

3D激光扫描技术在凿岩台车隧道施工中的应用与分析

在隧道钻爆法施工中,需要严格控制超欠挖,使隧道实际轮廓尽可能与设计轮廓吻合,从而达到提高施工质量和降低施工成本的目的。通过3D激光扫描仪,智能凿岩台车能够快速、精确地实现定位;应用基于时间漂移原理的脉冲激光测距,获取点云数据,对点云数据处理后,重构隧道三维结构模型;应用切片算法,得到隧道轮廓断面图,得出超欠挖数据等成果。结果表明,在施工过程中,通过对3D激光扫描成果进行分析,能够快速判别引起超欠挖的原因,及时优化钻孔方案与爆破方案,为控制超欠挖提供支持,从而促进隧道施工信息化、智能化的发展,全面提高隧道施工水平。

SLAM激光扫描技术在地铁隧道竣工测量中的应用

轴线偏差和断面测量一直是隧道竣工测量的两个重要指标。传统使用全站仪或断面仪进行测量的方式不仅作业效率低,采集的数据量也较少,难以反映隧道内的真实情况,无法满足隧道竣工测量的要求。本文提出了一种基于SLAM手持激光扫描仪进行地铁隧道竣工测量的方法,并在上海市某在建地铁隧道内进行了现场试验。比较激光点云后处理得到的断面中心与设计数据,二者平均点位精度小于3 cm。这表明使用SLAM手持激光扫描仪进行地铁隧道竣工测量的方法有效可行,精度能够满足竣工测量的要求,具有广阔的应用前景。

基于移动三维激光扫描技术的地铁隧道接触网导高检测新方法

[目的]地铁隧道内接触网导高是保证列车正常受电的重要参数,需定期进行检测。针对其他导高检测方式存在的误差大、精度低的问题,需提出基于移动三维激光扫描技术的地铁隧道接触网导高检测新方法。[方法]基于移动三维激光扫描技术提出了导高检测的新方法,分析了误差来源;提出通过在移动式三维激光扫描仪上增设刚性倾斜组件来改变扫描仪激光线入射角度,进而减少隧道断面点云模型的毛刺数量,并采用等角兰勃特投影来获取隧道真实点云模型。与导高仪检测结果进行对比,以验证其导高检测精度是否满足相关要求。[结果及结论]基于移动式三维激光扫描技术建立的隧道断面点云模型存在毛刺,是因激光脚点垂直入射接触网发生散射和漫反射导致的。增加倾斜组件,可有效减少隧道断面点云模型的毛刺数量。移动式三维激光扫描仪与导高仪的导高检测数据对比结果表明,基于移动式三维激光扫描技术的导高检测精度基本在±3 mm以内,能够满足相关规范对导高检测的精度要求。

基于激光扫描点云的盾构隧道结构横截面变形提取方法研究

目前工程与研究从点云中提取的横截面变形指标仍以收敛变形为主,难以反映接头作用下盾构隧道结构“分段连续”的变形特征。为从点云中充分挖掘盾构隧道横截面变形特征,提出从三维点云提取位移场并通过位移场表征盾构隧道结构横截面变形的方法。该方法以接头为界对盾构隧道每块管片的轮廓分别在极坐标系使用傅里叶函数拟合,对各期点云拟合后的曲线按相同密度划分网格,并将网格节点处的坐标相减,求得衬砌结构各管片位移场。通过整环足尺试验与数值模拟,分别验证该方法提取径向、切向变形的可靠性。通过理论分析与数值试验,讨论该方法应用过程中拟合函数、测量误差、参考系选取等关键因素对变形提取结果的影响。结果表明:1)用于拟合的傅里叶函数阶数越高,拟合管片轮廓越精细。2)在测距误差作用下,使用高阶数的傅里叶函数易产生过拟合现象,增加变形提取误差。3)通过工程示范展示该方法在实际盾构隧道工程中的应用效果,证明了其用于实际工程的可行性。

三维激光扫描辅助隧道大变形控制研究

为解决在高地应力软岩大变形隧道控制研究中,传统监测方法有限断面有限点、监测结果以点带面、难以发现最大最小平均变形,无法为隧道初支优化调整提供有效数据支撑等问题,以沙嫰山二号隧道为依托,采用三维激光扫描仪对隧道初期支护进行全息变形监测,获取隧道初期支护的变形全貌,并进行沉降收敛和断面轮廓变形分析。同时依据三维激光变形监测结果,设计适应隧道变形特征的限阻耗能支护结构,对软岩大变形隧道初期支护破坏问题进行控制。结果表明:(1)三维激光扫描仪与全站仪沉降监测方差为3.03 mm、收敛监测方差为3.42 mm,两种仪器监测精度相当;(2)三维激光扫描仪监测结果显示,初期支护左侧出现受围岩剪切滑移带影响的局部鼓出问题,鼓出影响范围为左拱脚至左拱腰,且沿里程方向呈现明显的时空效应,监测段初期支护变形包络结果显示,拱顶左侧变形平均值35.2 cm、右侧变形平均值16.4 cm;(3)依据三维激光扫描仪监测结果不对称的设计限阻耗能支护结构,与设计支护段相比,对初期支护破坏取得了较好的控制效果,同时通过变形加速度来判断隧道变形速率的发展,避免累计变形和变形速率预警中假型性预警现象。

三维激光扫描技术在地铁隧道管片收敛监测中的应用研究

文章简单介绍了三维激光扫描的技术原理以及数据获取和数据处理过程,同时以实际工程为例详细探讨了其在隧道结构收敛监测中的应用。通过分析得出该技术的测量成果精度完全能够满足相关规范要求,与此同时其作业模式较传统的方式更为快速准确,这将使得测量的作业效率会大大提高。另外获取的隧道点云数据为可重复利用数据,在后续大量的数字化建设工作中可以提供数据基础,这就可以避免很多不必要的数据采集工作。

盾构隧道衬砌缺损移动扫描检测方法研究

研究目的:衬砌缺损病害状况是盾构隧道健康状态评估的重要参考依据。传统人工巡检方法受环境和人为因素影响大、检测效率低且易发生漏检。车载移动扫描技术已在隧道收敛和错台等结构病害检测中得到应用,本文充分发挥其“多方面应用”的特点,研究利用该技术获取的三维激光点云准确、快速地检测隧道衬砌缺损病害的方法,用以辅助运维管理部门及时掌握相关信息开展修缮工作。研究结论:(1)对盾构隧道激光点云采用圆柱模型建立投影关系可实现三维点云向二维图像的跨模态转换,有效提升数据处理效率;(2)将点云的位置信息和深度信息融合创建深度图像,能够突出衬砌缺损区域的视觉对比度,从而快速判识衬砌缺损病害;(3)经工程实例验证,本研究成果的检测准确率高于传统人工巡检方法,可应用于盾构隧道表观病害检测领域。

沙特NEOM隧道项目3D扫描断面监测关键技术研究

基于沙特NEOM隧道支洞项目的施工方案以及3D扫描仪的功能特点,提出一套高精度3D扫描与BIM技术相互结合,用于挪威法隧道施工断面监测的方法和流程,并在实际运用中验证了其科学性与可靠性。建立开挖支护工作流程并明确断面扫描规范要求。制定3D扫描断面监测的总体目标,确定所使用的软硬件及监测的主要流程,详细阐述扫描数据采集与处理的方法流程。重点研究扫描断面分析与报告生成的流程,将扫描仪与全站仪监测数据、点云与BIM模型进行对比分析,并对监测结果进行评价。结果表明,3D扫描技术可完全满足挪威法隧道施工断面监测的各项要求,且监测精度和监测效率大大优于传统的监测手段。

三维激光扫描技术在人防隧道开挖中的应用

对既有人防隧道的扩挖改造是提高城市土地利用效率的重要举措。在工程实施过程中,如何指导开挖是一项重要内容。人防隧道的不规则性增加了准确测量的难度。常规的全站仪测量方法存在着效率低下、采集信息量有限等问题,不能很好地满足使用需求。因此采用三维激光扫描仪进行数据采集,三维激光扫描仪可在短时间内获得大量点云数据,充足的数据量保证了数据分析的准确性。通过对隧道点云数据进行整体开挖情况分析,可以直观地得到现场的需开挖情况。对隧道点云数据进行局部开挖情况分析,可以获得任意里程处的需开挖情况及开挖方量,保障了现场施工的顺利进行。

基于三维激光扫描的隧道衬砌厚度及混凝土用量计算方法

为实现施工过程中隧道衬砌厚度控制,在三维激光扫描技术的基础上,提出了基于激光扫描点云的隧道衬砌厚度及混凝土用量计算方法。采用三维激光扫描仪获取隧道毛洞、初期支护、二次衬砌内表面的三维点云,对这些数据进行坐标转换、切割处理,并根据本文提出的计算方法对处理后的数据进行分析,得到衬砌的计算厚度及混凝土用量。经现场试验验证,本文的计算方法能够快速计算出衬砌厚度及混凝土用量,并能确定衬砌超厚、欠厚的位置;初期支护、二次衬砌的混凝土计算用量与实际用量分别相差0.90%、0.59%。本文的计算方法准确、有效,能够用于施工期间隧道衬砌厚度和混凝土用量的实时检测。

基于三维激光扫描仪的圆形横截面隧道测量规划

为解决圆形横截面隧道几何形状的测量和规划问题,本文提出一种扫描圆形截面隧道的方法。该方法不但考虑了影响扫描质量的几个因素(隧道尺寸、扫描密度、扫描步长、入射角和扫描仪位置),并且可以最大化扫描距离和角度采样间隔,从而在最短工作时间内达到一定的测量精度。通过在实际隧道中进行扫描测量,证明了所提方法的有效性。

三维激光扫描技术在岩溶隧道中的应用及处治方案探讨

以乌蒙山区大永高速新坪隧道为例,通过对隧道岩溶段进行三维激光扫描建模,结合大地电磁物探技术测试结果及地勘资料,探明了溶洞位置、规模及分布情况,并利用地质雷达探明了隧底及周边岩溶发育情况。结合相关资料,提出了溶洞回填及桥跨溶洞两种处治方案,并进行了综合比选,推荐了溶洞回填处治方案。

高速公路隧道断面3D激光扫描监测技术实践研究

高速公路隧道工程施工中需要采取措施监控隧道围岩变形情况,当前工程实践中通常采用单点检测方式,但该方式实际应用时存在一定局限性。为探究高速公路隧道工程施工中隧道断面病害监测技术,文章依托四川九绵高速公路桂溪隧道工程,分析了3D激光扫描测量技术检测超欠挖检测、变形监测、初期支护中的应用效果,结果显示采用该方式开展超欠挖控制监测时能够全面、快速、精准获取所需信息,实现了风险的快速识别和及时防控,具有良好应用效果。

三维激光扫描技术在铁路隧道施工中的应用研究

利用三维激光扫描技术对铁路隧道施工开挖、初支和二衬等各阶段轮廓进行扫描,获取点云数据,经数据处理形成隧道点云模型,与隧道设计BIM模型结合,准确分析、计算隧道开挖超欠挖情况、初支平整度、初支净空侵限、二衬混凝土用量和二衬净空侵限等问题。为隧道施工超前支护形式调整、预留变形量调整和爆破设计方案优化提供基础数据,建议将基于三维激光扫描技术的隧道断面质量检测纳入工序管理,并继续探索更高效的三维激光扫描技术与装备。