Bachelor's Thesis

Structural Optimization of a Kaufman-Type Ion Source

Final Thesis 9.42 MB Appendix 11.65 MB

Author of thesis: Bc. Kryštof Kubín

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Jindřich Mach, Ph.D.

Reviewer: Ing. Stanislav Voborný, Ph.D.

Abstract:

The subject of this bachelor’s thesis is design of a compact Kaufman-type ion source with beam diameter of 30 mm. The intended application is primarily in-situ cleaning of samples in UHV chambers. The design of the ion source is based mostly on sources designed by the original author, Harold R. Kaufman, and on the current Kaufman-type ion sources used at IPE FME. In comparison with the current sources, some design innovations have been incorporated in the designed prototype such as continuous cylindrical anode or electrostatic grids which are seated between sapphire balls. As a part of the design, basic calculations of the magnetic field in the ion source and of the parameters of plasma discharge and the ion beam have been made. The magnetic field has also been numerically simulated. Also, a 3D CAD model and drawings of the designed ion source have been made as well as a CAD model of the current secondary ion source.

Keywords:

Ion source, ion beam, Harold Kaufman, ion beam sputter deposition, ion beam etching

Date of defence

18.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: - elektrostatické mřížky - ochrana safírových kuliček u elektrod vůči naprašování Student na otázky odpověděl.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Fundamentals of Mechanical Engineering (B-ZSI-P)

Specialization

Fundamentals of Mechanical Engineering (STI)

Composition of Committee

prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (předseda)
prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. Mgr. Miroslav Černý, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miroslav Bartošík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Petr Bábor, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jindřich Mach, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jakub Zlámal, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Jindřich Mach, Ph.D.

Student Kryštof Kubín se ve své bakalářské práci zabýval optimalizací iontového zdroje Kaufmanova typu. V rámci řešení práce se seznámil s problematikou iontových zdrojů, nastudoval potřebné teoretické základy a získané poznatky následně využil při návrhu konstrukčních úprav zdroje.

Významnou součástí práce bylo vytvoření kompletního 3D modelu iontového zdroje a zpracování výkresové dokumentace na úrovni umožňující jeho realizaci. Přestože student nepochází z fyzikálně zaměřeného studijního oboru, dokázal si potřebnou problematiku rychle osvojit a úspěšně ji aplikovat při řešení zadaného úkolu.

Po celou dobu práce postupoval samostatně, zodpovědně a profesionálně. Prokázal schopnost analyzovat technické problémy, navrhovat vhodná řešení a dotahovat zadané úkoly do úspěšného konce.

Na základě kvality zpracování, samostatného přístupu a dosažených výsledků doporučuji bakalářskou práci Kryštofa Kubína k obhajobě a hodnotim pismenkem A.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Stanislav Voborný, Ph.D.

Po přečtení bakalářské práce a srovnámím s jejími cíli uvedenými v zadání jsem byl překvapen. Student měl podle druhého cíle vytvořit 3D model stávajícího iontového zdroje a podle třetího jej dále optimalizovat. Ve skutečnosti došlo k návrhu v podstatě nového zdroje Kaufmanova typu do jiných podmínek, především jeho významného zmenšení a úprav konstrukce. Zde se mi zdá, že došlo k posunu od zadání (avšak v pozitivním smyslu). Čtvrtý cíl, tj. seznámení se s procesem depozice wolframových vrstev naprašováním, jsem v práci nenašel. Rozsah provedených návrhových prací však přesahuje běžný standard bakalářských prací obdobného zaměření. Je škoda, že student úpravu třetího cíle a vynechání čtvrtého v práci nezdůvodnil.
Je pozitivní, že se student nesnažil obejít fyziku. Pomocí přibližných vztahů z literatury se snažil odvodit základní parametry navrhovaného iontového zdroje, byť zjednodušeně. Student se v práci odkazuje na velké množství literatury, se kterou skutečně pracoval.
Domnívám se, že mohlo být vhodněji zvoleno členění textu do příslušných kapitol. Některé kapitoly (2, 5) jsou velmi rozsáhlé, zatímco další velmi krátké (3, 4).
Při některých výpočtech jsou výsledky uváděny s přesností na tři platné číslice, přestože vstupní veličiny jsou známy pouze přibližně. U silně zjednodušených modelů by bylo vhodnější uvádět výsledky s nižší přesností, která lépe odpovídá použité metodice.
U empirických a semiempirických vztahů obsahujících numerické konstanty by bylo vhodné důsledně uvádět použité jednotky veličin, případně jednotky samotných konstant, aby byla zajištěna jednoznačná aplikovatelnost vztahů. (např. str. 27 chybně uvedený vztah 5.7).
V kapitole 5.4.1 není dostatečně vysvětlen postup výpočtu magnetického obvodu, zejména význam korekcí použitých při odhadu efektivních ploch magnetického toku. Čtenář tak může mít obtíže se sledováním fyzikální podstaty použitého modelu.
Uvedené připomínky nesnižují celkově vysokou úroveň předložené práce. Autor prokázal schopnost samostatně řešit technicky náročný problém, orientovat se v odborné literatuře a navrhnout realizovatelné konstrukční řešení. S ohledem na rozsah provedených prací a kvalitu dosažených výsledků doporučuji práci k obhajobě a hodnotím ji klasifikačním stupněm A.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment B
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. Bylo nutné při konstrukci zdroje využít radiální magnet u spodní části anody?
  2. Můžete vytvořit jednoduchý obrázek nebo schéma a lépe vysvětlit podmínku pro magnetické toky v okolí nástavců magnetu?
  3. Pro iontové zdroje využívající plazma je důležitým provozním parametrem také tlak v komoře iontového zdroje. Pokud bude tento zdroj používán v UHV komorách pro čištění vzorků, nebude provozní tlak zdroje příliš vysoký? V textu práce nebyla problematika provozního tlaku zmíněna.

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová