Bachelor's Thesis

Design and verification of low temperature parts of UHV SEM/SPM stage

Final Thesis 1.94 MB

Author of thesis: Ing. Tomáš Pola

Acad. year: 2015/2016

Supervisor: Ing. Pavel Urban, Ph.D.

Reviewer: Ing. Ivan Vlček, Ph.D.

Abstract:

This thesis focuses on experimental verification  and experimental-based improvements of designed low temperature parts of stage of the UHV SEM/SPM microscope, which operates in temperature range from 20 K to 700 K. The main focus is on the functionality verification of thermal insulation pad (InBallPad) as well as on the effect of length and contact quality of braid on minimal achievable temperature. The contact quality of sample holder with sample carrier realized with two springs is investigated together with influence of thermal contact resistances on achievable temperature. The thesis also contains a calculation model used for cooldown times and minimal temperature estimation. In the conclusion of this work several future experiments are suggested which could explain some of the observed, yet unexpected, phenomena.

Keywords:

Helium flow cryostat, UHV SEM/SPM stage, thermal insulation pad, braid, cooled sample holder, thermal contact resistance

Date of defence

23.06.2016

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (B3901-3)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (B-FIN)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Pavel Urban, Ph.D.

Bakalářská práce je věnována ověření a optimalizaci navržených nízkoteplotních částí UHV SEM/SPM mikroskopu vyvíjeného v rámci projektu AMISPEC, Centra kompetence TAČR. Pracovní teplota mikroskopu má být proměnná v rozsahu 20 K až 700 K. Práci student prováděl v ÚPT AV ČR v.v.i. v týmu Skupiny kryogeniky a supravodivosti. Oproti původnímu zadání bakalářské práce se student, po dohodě se školitelem, nevěnoval konstrukčnímu návrhu, jelikož bylo nutné provést řadu experimentů za účelem ověření funkčnosti a optimalizace již navržených dílů nízkoteplotních částí mikroskopu členy týmu, který se na vývoji podílí. V předložené práci považuji za užitečné uvedení schematického obrázku 2.1 s koncepcí řešení nízkoteplotní části stolku mikroskopu a diskuzi, byť velmi stručnou, k různým možným variantám koncepce chlazení v SPM (obr. 2.2). Dále jsou to záznamy prochlazování první verze návrhu držáku vzorku s elektrickým kontaktováním paletky vzorku pro budoucí měření elektrických vlastností vzorku a teploty paletky, viz obrázek 3.7. Ke škodě práce je, že její sepisování nebylo zahájeno s dostatečným předstihem a postrádá tím detailnější rozbor výpočetního modelu pro odhad doby prochlazování (a také ohřevu) pro uvažovaný rozsah pracovní teploty, viz kapitola 3.3.3. Podrobnější analýza modelu by také vyvážila detailní teoretický úvod o vlastnostech materiálů a mechanismech sdílení tepla při kryogenních teplotách, které by mohly být na základě modelového výpočtu vhodně diskutovány. Na druhou stranu musím ocenit styl psaní a srozumitelnost vyjadřování autora práce, které značí evidentní vhled do problematiky bakalářské práce. Předloženou práci považuji za zdařilou a doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené vysledky 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 B
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Ivan Vlček, Ph.D.

Cíle předkládané bakalářské práce jsou dva: získání znalostí z oblasti návrhů kryotechnických zařízení autorem práce a jejich využití při návrhu a ověření prvků nízkoteplotní části UHV SEM/SPM mikroskopu. Téma je řešeno v rámci projektu AMISPEC, Centra kompetence TAČR, na jednom ze spolupracujících pracovišť, konkrétně ve Skupině kryogeniky a supravodivosti při ÚPT AV ČR, v.v.i.
Práce je věnována testování  a ověřování funkčnosti prvků nízkoteplotní části, a to konkrétně izolační podložce využívající kuličkové podpěry, měděnému lanku (braidu) jako tvárnému prvku pro přenos tepla a držáku vzorku. To, že se autor nevěnuje návrhu prvků nízkoteplotní části je sice v rozporu se zadáním, ale je pochopitelné, že návrh prvků musel být proveden zkušenějšími  členy týmu. Posoudit přínos autora je vzhledem k předloženému textu složité, svůj konkrétní přínos autor stručně zmiňuje pouze v závěru. Autor prokázal schopnost interpretovat výsledky a vyvozovat z nich závěry. Dosažené výsledky jsou využitelné pro další modifikace a vývoj testovaných prvků.  Práce je logicky uspořádána. V první části s názvem Teoretický úvod autor prezentuje fyzikální jevy a materiálové charakteristiky důležité pro kryogenní oblast. Druhá část práce popisuje nízkoteplotní část SEM/SPM mikroskopu a testovací aparaturu. Třetí část je věnována experimentům. Po grafické stránce je práce na velmi dobré úrovni. V některých případech jsou obrázky méně názorné (obr. 3.1, 3.2), případně chybí (např. obr. braidu). Text je psaný věcně s minimem chyb. Rozsah použité literatury je odpovídající, na straně 15 dole chybí číslo odkazu.
Celkově práci hodnotím klasifikačním stupněm B a doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita C
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Popište prosím jakým způsobem jste řešil model popsaný v kapitole 3.3.3, jak probíhal výpočet, v jakém prostředí (Matlab, vlastní program)? V textu zmiňujete, že je možné se snadno dopustit chyby špatnou volbou kroku, jak jste vyřešil tento problém?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová