Master's Thesis

Prediction of LMIS Component Lifetime in Electron Microscopes

Final Thesis 3.2 MB

Author of thesis: Ing. Lukáš Kaprál

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Radek Hranický, Ph.D.

Reviewer: Ing. Ivana Burgetová, Ph.D.

Abstract:

The Liquid metal ion source (LMIS) is a key component of focused ion beam (FIB) systems used in dual-beam electron microscopes. However, the LMIS lifetime is highly variable due to complex interactions among mechanical wear, electronic stability, and operational duty factors. This thesis presents a comprehensive study on LMIS lifetime prediction through data-driven modeling. Drawing on operational data from real diagnostic data, maintenance data, and diagnostic software, the project integrates theoretical insights primarily from domain-specific technical descriptions, supplemented by empirical survival data. The theoretical background covers LMIS physics, emission mechanisms, and failure modes, including emission oscillation and overcurrent. Exploratory data analysis identifies key predictors influencing source degradation, including operation time, extractor voltage, and heating cycles. A predictive model based on regression and machine learning techniques is developed and validated using real-world data, achieving reliable lifetime estimation within defined confidence bounds.

Keywords:

Electron microscope, LMIS, Data Science, Machine learning

Date of defence

22.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student nejprve prezentoval výsledky, kterých dosáhl v rámci své práce. Komise se poté seznámila s hodnocením vedoucího a posudkem oponenta práce. Student následně odpověděl na otázky oponenta a na další otázky přítomných. Komise se na základě posudku oponenta, hodnocení vedoucího, přednesené prezentace a odpovědí studenta na položené otázky rozhodla práci hodnotit stupněm A.

Topics for thesis defence

  1. Řešil jste v rámci Vaší implementace nějakým způsobem reprodukovatelnost svých experimentů?

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Information Technology and Artificial Intelligence (MITAI)

Specialization

Cybersecurity (NSEC)

Composition of Committee

doc. Mgr. Kamil Malinka, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Ondřej Ryšavý, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Zbyněk Křivka, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Ivan Homoliak, Ph.D. (člen)
Ing. Libor Polčák, Ph.D. (člen)
Ing. Radek Hranický, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Radek Hranický, Ph.D.

Student řešil netriviální firemní zadání s vysokou praktickou relevancí, které vyžadovalo i porozumění řadě technikálií mimo obor IT. Oceňuji především aktivní přístup studenta, systematický postup, iterativní experimentování a vhodně zvolené metriky. Dosažené výsledky považuji za velmi dobrý základ pro další rozvoj a praktické využití.


Pozitivně hodnotím také skutečnost, že nad rámec zadání student vytvořil také praktickou aplikaci pro vizualizaci výsledných predikcí společně s původními průběhy signálů.


Celkově práci hodnotím jako velmi kvalitní a prakticky přínosnou.


Navrhuji tedy hodnocení stupněm "A".

Evaluation criteria Verbal classification
Informace k zadání

Jedná se o firemní zadání pro společnost Thermo Fisher Scientific, které si student sám navrhl na základě praktického problému, kterému firma čelí. Pan Kaprál hledal způsoby jak u elektronových mikroskopů na základě provozních a diagnostických logů predikovat okamžik selhání komponenty LMIS.

Zadání považuji za obtížnější, neboť vyžadovalo poměrně detailní porozumění specifické technické doméně, práci s nečistými průmyslovými daty a návrh prediktivního systému, pro který dosud neexistovalo jiné řešení.

Aktivita při dokončování

Práce byla dokončena v rozumném předstihu před termínem odevzdání. Její obsah jsem připomíkoval a mé připomínky student následně zapracoval.

Publikační činnost, ocenění
Práce s literaturou

Student využil doporučené literatury a další relevantní zdroje si samostatně dohledal. Výběr vhodných pramenů zde byl náročnější, neboť elektronové mikroskopy jsou převážně proprietární systémy a ne vždy je pro dílčí komponenty volně dostupná relevantní dokumentace.

Aktivita během řešení, konzultace, komunikace

Student byl během řešení aktivní a velmi samostatný. Práci průběžně konzultoval jak se mnou, tak se zástupci firmy. Dohodnuté termíny plnil a na konzultace docházel vždy dobře připraven.

Points proposed by supervisor: 95

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Ivana Burgetová, Ph.D.

V rámci diplomové práce student řešil problém predikce životnosti LMIS součástek, pro který zatím žádný použitelný přístup neexistuje. Student navrhl a implementoval celý proces potřebný pro realizaci predikce - od přípravy datasetu, přes extrakci rysů, trénování modelů až po rozhodovací nadstavbu, která vyhodnocuje jednotlivé pravděpodobnosti poruchy a řeší spuštění alarmů. Vytvořený postup je plně funkční a dosahuje rozumné přesnosti. Vzhledem ke komplexnosti celého řešení navrhuji hodnocení stupněm A.

Evaluation criteria Verbal classification Points
Rozsah splnění požadavků zadání

Evaluation level: zadání splněno

Rozsah technické zprávy

Evaluation level: je v obvyklém rozmezí

Prezentační úroveň technické zprávy

Logická struktura technické zprávy je dobrá a jednotlivé kapitoly na sebe dobře navazují. Lepšímu pochopení textu ale brání to, že text se občas vyhýbá konkrétním informacím - např. nejsou uvedeny přesné počty trénovacích a testovacích vzorků, vytvořené atributy jsou popsány poněkud mlhavě, stejně jako algoritmus použitý pro ohlášení alertů. Tyto informace v textu práce chybí, pravděpodobně z důvodu ochrany vlastního know-how. 

75
Formální úprava technické zprávy

Po jazykové stránce se jedná o kvalitní práci s několika drobnými prohřešky (zdvojené členy apod). Z typografického hlediska se jedná o standardní práci. 

85
Práce s literaturou

Výběr studijních pramenů je dobrý a vybrané zdroje dobře pokrývají řešenou problematiku. Převzaté prvky jsou řádně odlišeny od vlastních výsledků a úvah.

88
Realizační výstup

V rámci realizačního výstupu student vytvořil sadu skriptů, která umožňuje predikci životnosti LMIS součástek. Skripty řeší získání potřebných informací z dostupných logů o využití těchto součástek a jejich zpracování do použitelného tvaru. Dále řeší extrakci vhodných atributů - systém využívá jak numerické atributy, tak i textové zprávy z logů, které kóduje dvěma různými způsoby. Dále řeší trénování dvou různých typů klasifikačních modelů a dále pak ještě rozhodovací logiku, která pracuje nad výstupy získanými klasifikátory pro jednotlivé pracovní cykly. Pro snadnější využití dosažených výsledků byla také vytvořena aplikace, která pro vstupní logy zobrazí predikce natrénovaného modelu a rozhodovací logiky. Realizační výstup je plně funkční. 

99
Využitelnost výsledků

Práce přináší použitelné řešení predikce životnosti součástek LMIS. Vzhledem k tomu, že jiné řešení v této oblasti neexistuje, tak navržený způsob s přesností predikce 0,78 může být využitelný v praxi. Za důležitý přínos považuji také vytvoření vstupní datové sady z dostupných logů. Informace z těchto logů totiž nejsou snadno a přímočaře použitelné. 

Náročnost zadání

Evaluation level: obtížnější zadání

V rámci řešení diplomové práce se student věnoval predikci životnosti LMIS součástek. Práce vyžadovala poměrně detailní studium problematiky těchto součástek, aby student mohl navrhnout vhodné prediktory jejich životnosti. Proto považuji toto zadání za mírně obtížnější.

Topics for thesis defence:
  1. Řešil jste v rámci Vaší implementace nějakým způsobem reprodukovatelnost svých experimentů?
Points proposed by reviewer: 93

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová