(Polo)automatická analýza hmotových spekter v ultra-vysokém vakuu

• Název práce v češtině: (Polo)automatická analýza hmotových spekter v ultra-vysokém vakuu
• Název v anglickém jazyce: (Semi)automatic mass spectra analysis in ultra high vacuum
• Akademický rok vypsání: 2025/2026
• Typ práce: bakalářská práce
• Ústav: Katedra fyziky povrchů a plazmatu (32-KFPP)
• Vedoucí / školitel: doc. RNDr. Viktor Johánek, Ph.D.

Zásady pro vypracování

1. Seznámení se se specifiky ultravysokého vakua, metodami jeho získávání a měření, především s kvadrupólovou hmotovou spektrometrií (QMS).
2. Studium metod zpracování hmotových spekter.
3. Návrh a vývoj software pro analýzu hmotových spekter.
4. Ověření funkčnosti a robustnosti analytického systému na reálných datech, včetně dat získaných z vlastních měření. Reálné využití ke zpracování dat z vybraného experimentu.

Seznam odborné literatury

[1] F.A. White and G.M. Wood, Mass Spectroscopy, Applications and Engineering, John Wiley & Sons (1986); H. P. Dawson (Ed.), Quadrupole Mass Spectrometry and its Applications; Elsevier Scientific Publishing Co., Amsterdam-Oxford-New York (1976)
[2] B. Jenninger et al.: Simulation and iterative deconvolution of residual gas spectra, Vacuum 183, 2021, 109876
[3] F. Mateo et al.: Automatic mass spectra recognition for Ultra High Vacuum systems using multilabel classification, Expert Systems with Applications 178, 2021, 114959
[4] C. Flores-Garrigós et al.: Reconstruction of Ultra-High Vacuum Mass Spectra Using Genetic Algorithms, Appl. Sci. 2021, 11, 11754
[5] Další literatura dle potřeby a dohody s vedoucím práce.

Předběžná náplň práce

Účelem hmotové spektrometrie je identifikace a kvantifikace molekul na základě jejich atomové hmotnosti. K analýze zředěných plynů, typické pro výzkum ve vakuových podmínkách, se nejčastěji používá kvadrupólový hmotový spektrometr (QMS). Typické spektrum QMS však kromě signálu původních molekul obsahuje i příspěvky jejich fragmentů, které vznikají při procesu ionizace původně neutrálních molekul. Výsledné spektrum je tedy konvolucí skutečného složení měřené směsi plynů s jejich fragmentačními vzorci. Intenzity jednotlivých peaků ve spektru se navíc běžně liší i o několik řádů, v úvahu je také potřeba vzít omezený rozsah měřených hmot a šum i offset přítomný v měřeném signálu.
Analýza hmotových spekter a jejich kvantitativní zpracování proto můžou být časově náročné procesy, vyžadující příslušný matematický aparát. Výrazné usnadnění a jednoznačnější interpretaci a kvantifikaci QMS dat může přinést sotware, který bere v úvahu výše zmíněné efekty a s minimem potřebných uživatelských vstupů dokáže zpracovat hmotová spektra nebo jejich časový vývoj a realisticky vyhodnotit míru spolehlivosti výstupu. K tomu je potřeba implementovat vhodné algoritmické postupy, případně částečně využít existujících nedávno vyvinutých rutin (viz seznam literatury) a dát jim podobu uživatelsky přístupného software, neboť zpracování bude muset být zřejmě poloautomatické (tj. s částečným vstupem ze strany uživatele), nikoliv plně automatické.
Tato práce je zaměřena spíše teoreticky, ale k jejímu zvládnutí je potřeba získat i praktické zkušenosti s kvadrupólovou hmotovou spektrometrií a ultravysokým vakuem. Kromě zpracování již existujících spekter bude součástí práce také změření spekter vlastních a případné otestování vyvinuté metody na běžícím experimentu.