Master's Thesis

Active electromagnetic compensation system of external fields for SEM

Final Thesis 13.89 MB

Author of thesis: Bc. Martin Balabán

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Ondřej Sháněl, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jiří Přinosil, Ph.D.

Abstract:

This thesis presents the design, implementation, and experimental verification of an active compensation system for the suppression of external electromagnetic interference in scanning electron microscopes. The thesis begins by introducing the principles of image formation in scanning electron microscopy and analyzing the mechanism by which external alternating electromagnetic fields adversely affect the resulting image. The fundamental limitations that constrain all active compensation systems are then described, namely the spatial mismatch between the field measured at the sensor and the field acting on the electron beam, and the temporal mismatch between the measurement of the external field and the application of the corresponding correction to the beam. The design of a complete compensation system is subsequently introduced, combining a sensitive fluxgate magnetometer for field measurement, custom-designed signal-conditioning electronics, and software for calibration and for the generation of the compensation signal. The system was integrated with a commercial scanning electron microscope and characterized through a series of experiments under controlled electromagnetic disturbance. The results confirm a substantial suppression of the image distortion caused by external interference, with a suppression factor of 68× achieved at the calibrated frequency, matching the cancellation factors specified for commercially available systems. The measurements further reveal the limitations of the proposed system in terms of the frequency and amplitude of the external disturbance.

Keywords:

scanning electron microscopy, electron beam, scanning waveform, SEM image formation, fluxgate sensor, electromagnetic field compensation

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Proč se v systému nevyskytují sudé harmonické frekvence. Student na otázky odpověděl.

Language of thesis

English

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Physical Engineering

Study programme

Physical Engineering and Nanotechnology (N-FIN-P)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (místopředseda)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
prof. Mgr. Dominik Munzar, Dr. (člen)
doc. Mgr. Adam Dubroka, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jan Čechal, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Petráček, Dr. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Ondřej Sháněl, Ph.D.

Komplexní a aktuální téma v elektronové mikroskopii potlačení vlivu vnějších polí bylo studentem zpracováno přehledně a strukturovaně na velmi vysoké úrovni s jasně uchopitelnými závěry s přidanou hodnotou pro další vývoj k praktickému vužití.

 

Postup řešení a praktická realizace byly provedeny v týmu, kdy student sám a proaktivně koordinoval kolegy pomáhající s vývojem nezbytného HW.

 

Student pracoval samostně a proaktivně.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jiří Přinosil, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá návrhem, implementací a aktivního kompenzačního systému pro potlačení vnějších elektromagnetických rušení v rastrovacích elektronových mikroskopech. Hlavním přínosem práce je zejména experimentální prokázání, že vnitřní skenovací systém mikroskopu lze efektivně využít jako aktivní prvek pro potlačení elektromagnetického rušení s výkonem srovnatelným s komerčními externími systémy. Práce vykazuje znaky vynikající inženýrské a vědecké činnosti. Vyzdvihl bych zejména tyto aspekty práce: inovativnost řešení s vysokým komercializačním potenciálem, multidisciplinární a komplexní přístup (od teoretického návrhu, přes návrh HW modulu a jeho realizaci a tvorbu grafického uživatelského rozhraní) a rovněž výbornou metodiku ověření dosažených výsledků pomocí vlastního skriptu Flag Analyzer. Autor v práci dále zveřejňuje i nezdary, které vytyčují slepé cesty pro budoucí výzkum. Na kompletním řešení se podíleli vedle autora i dva spolupracovníci, jejichž dál práce autor poctivě přiznává (programování FPGA, a spolupráce na návrhu a implementaci HW). 

Mezi slabší části navrženého prototypu patří jeho frekvenční a prostorová limitace, neboť kvůli fixnímu nastavení časového zpoždění funguje optimálně jen v úzkém pásmu okolo kalibrační frekvence (nad 110 Hz účinnost strmě klesá) a vyžaduje manuální re-kalibraci při každém pohybu zdroje rušení v prostoru. Systém navíc do měření zanáší drobný parazitní harmonický šum, který by mohl limitovat zobrazení při nejvyšších sub-nanometrových rozlišeních.

I přes uvedené limitace, které jsou u prototypu v rané fázi vývoje pochopitelné, práce dalece přesahuje standardní požadavky kladené na diplomové práce. Autor prokázal mimořádné inženýrské schopnosti. Zadání práce považuji za splněné. Po formální stránce je práce rovněž na výborné úrovni.

. 
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. V práci uvádíte, že kvůli pevně nastavenému časovému zpoždění je systém efektivní primárně v úzkém pásmu okolo kalibrační frekvence (např. 60 Hz) a nad 110 Hz jeho účinnost strmě klesá. Jakým způsobem byste navrhoval upravit architekturu v FPGA nebo celkové zpracování signálu, aby systém dokázal v reálném čase kompenzovat širokopásmové elektromagnetické rušení nebo více různých rušivých frekvencí současně?
  2. Jak moc ovlivňuje změna pozice zdroje rušení kompenzační schopnost navrženého řešení?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová