Магнитооптическое исследование поверхности

В данной работе обсуждается конкретное применение автоматизиро;

ванной системы в реальном научном исследовании — магнитооптическом.

исследовании структуры доменных границ ферритов-гранатов.

Монокристаллические пленки ферритов-гранатов с осью легкого на;

магничивания, расположенной перпендикулярно поверхности, в настоящее.

время широко используются в системах магнитной записи информации на.

цилиндрических магнитных доменах. Быстродействие и надежность этих.

устройств во многом зависят от динамических свойств цилиндрических.

магнитных доменов, возможности управления их движением, что определя;

ется, в основном, структурой доменных границ. Исследования доменных.

границ материалов с цилиндрическими магнитными доменами дали очень.

много важных теоретических и экспериментальных результатов, которые.

существенно улучшили понимание физики доменных границ. Важнейшим из.

них является открытие структурных элементов доменных границ: верти;

кальных и горизонтальных блоховских линий, и определение их влияния на.

динамику доменных границ. Успехи в изучении микроструктуры доменных.

границ, достигнутые в последние два десятилетия, позволили выдвинуть.

идею использования для кодировки информации не цилиндрические магнит;

ные домены, а находящиеся внутри доменных границ гораздо меньшие мик;

рообъекты — вертикальные блоховские линии. Огромное значение этой идеи.

заключается в возможности повышения на несколько порядков емкости до;

менных запоминающих устройств при использовании отработанной техноло;

гии, применяемой при изготовлении запоминающих устройств на цилиндри;

ческих магнитных доменах.

Для получения субмикронных цилиндрических магнитных доменов при;

меняют пленки толщиной 7` 0 1 мкм; роль поверхности в формировании струк;

туры доменных границ и ее свойств при этом возрастает, что стимулирует.

— 2 ;

исследования структуры и динамических свойств доменных границ в припо;

верхностных областях.

Наиболее эффективным методом исследования локальных магнитных ха;

рактеристик на поверхности ферромагнитного образца является магнитооп;

тический метод микронного разрешения, который широко используется для.

изучения отдельных доменов, доменных границ, их структуры. Возможности.

применения магнитооптических методов тесно связаны со степенью изучен;

ности соответствующих магнитооптических эффектов, уровнем эксперимен;

тальной техники, совершенством методики исследования.

Целью научной работы было исследование структуры доменных границ.

ферритов-гранатов на поверхности образца с помощью магнитооптических.

эффектов Фарадея и Керра, изучение процессов намагничевания доменных.

границ; дальнейшее экспериментальное и теоретическое развитие динами;

ческой методики исследования доменных границ.

2ПОСТРОЕНИЕ АСНИ.

Рассмотрим конфигурацию нашей АСНИ (рис. 1):

?1.

1рис. 1.

.

— 3 ;

Об ЭВМ, устройстве связи и измерительной аппаратуре см. «Состав;

ные части АСНИ ", п.II.

Приводится схема упрощенной экспериментальной установки на основе.

магнитооптического микромагнетометра (используется только экваториаль;

ный магнитооптический эффект Керра). Сущность явления, изучаемого в.

эксперименте: при изменении величины магнитного поля, приложенного к.

поверхности объекта, меняется коэффициент отражения поверхности.

?2.

1рис. 2.

Луч света от источника 1 (в качестве источника — галогенная лампа.

в кварцевом стекле), проходя через коллиматор 2, попадает в контроль;

ный анализатор интенсивности 3 (фотоэлемент, пропускающий большую.

часть светового потока дальше), который нужен для поддержания постоян;

ной светимости источника (малейшее отклонение от контрольного уровня.

приведет к большим погрешностям в результатах); сигнал от контрольного.

анализатора интенсивности идет на вход АЦП; при изменении показателя.

анализатора управляющая программа (см. «Составные части АСНИ » ,.

п.III.2) через ЦАП изменяет светимость источника, добиваясь строго.

.

— 4 ;

постоянной светимости; т. о. в АСНИ осуществляется обратная связь.

После анализатора 3 луч, проходя через светофильтр 4 и поляризатор 5,.

попадает в микроскоп 6 (для удобства на рис. 2 показан лишь объектив.

микроскопа); в фокальной плоскости объектива расположен объект иссле;

дования 7, к которому приложено магнитное поле B; величина B меняется.

экспериментатором через ЦАП. И наконец, луч попадает в фотоэлемент 8,.

сигнал с которого идет на вход АЦП; чем больше коэффициент отражения.

поверхности 7, тем больший фототок возникает в фотоэлементе 8. Подлож;

ка 9 фотоэлемента соединена с шаговым двигателем, который смещает фо;

тоэлемент в плоскости, параллельной поверхности исследуемого объекта.

Использование микроскопа позволяет при шаге двигателя 7` 0 1 мм добиться.

шага сканирования поверхности объекта порядка длины волны.

Для каждой точки поверхности изучается зависимость фототока i от.

величины магнитной индукции B (рис. 3).

?3 0 Т.к. изменение коэффициента отра;

жения весьма незначительно (отношение 7D 0i.

к среднему значению i 40 0составляет 7`.

10 5−3 0, т. е. масштаб на рис. 3 для удобс;

тва не соблюден), то любые, самые незна;

чительные шумы оказывают огромное влия;

ние на единичное измерение; поэтому в.

1рис. 3 0 АСНИ применена первичная статистическая.

обработка данных — т.к. шумы есть слу;

чайный процесс, то после большого числа суммирований отдельных измере;

ний они пропадут. Количество измерений в серии определяется погреш;

ностью, задаваемой экспериментатором (как только экспериментальная.

кривая в пределах вышеупомянутой погрешности совпадет с «теоретичес;

кой «кривой, вид которой также задается экспериментатором, шаговый.

двигатель смещается на следующую точку).

.

— 5 ;

Зависимость 7D 0i от B представляет собой петлю гистерезиса (рис.4):

?4 0 Значит, мы можем определить та;

кие величины, как коэрцитивная сила,.

намагниченность насыщения, остаточная.

намагниченность. Эти параметры опре;

деляют магнитные характеристики по;

верхности образца. Результаты удобно.

представить в виде трехмерного графи;

1рис. 4 0 ка зависимости коэрцитивной силы или.

намагниченности насыщения от коорди;

нат поверхности x, y. В реальной работе это не делалось из-за недоста;

точной мощности вычислительной техники (для каждой точки поверхности.

необходимо записать и обработать большое количество серий, каждая из.

которых состоит из 7` 1 000 измерений, а таких точек поверхности — огром;

ное число).

В настоящее время, используя мощную ЭВМ, можно значительно уско;

рить процесс накопления, обработки и представления данных; сам экспе;

римент займет меньше времени, т.к. перед переходом к следующей точке.

система ожидает, пока ЭВМ запишет полученные данные и проведет их пер;

вичную обработку.

Результатом данного эксперимента является так называемый магнит;

ный портрет поверхности.

Следует отметить, что научная работа состояла из множества раз;

личных экспериментов, но применение АСНИ позволило типизировать обра;

ботку данных в каждом из них; АСНИ без существенных изменений была.

применена также в экспериментах с использованием магнитооптического.

эффекта Фарадея и меридианного эффекта Керра.

Результаты, полученные в данной работе с использованием АСНИ, су;

щественно расширили представления о структуре доменных границ на по;

— 6 ;

верхности образца, процессах их намагничивания; они могут быть исполь;

зованы для развития теории доменных границ, а также при решении задач,.

связанных с разработкой устройств для сверхплотной записи информации.

2ПРОВЕРКА АСНИ.

Теперь покажем, что вышеописанная автоматизация есть не что иное,.

как АСНИ. Покажем, что все составные части и принципы построения АСНИ.

соответствуют нашей системе автоматизации.

3Составные части АСНИ.

2I. Научно-методическое обеспечение.

11. Теоретические исследования и методики:

отражены в литературе [1]-[3].

12. Алгоритм проведения эксперимента:

см. выше.

13. Обработка и представление экспериментальных данных:

обработка данных — см. п.III.2.в)г);

представление данных — см. выше.

2II. Техническое обеспечение:

11. ЭВМ:

использовалась IBM AT 286 (т. к. эксперимент проводился в 1988.

г., то персональных компьютеров лучше этого просто не было, а.

использовать большие машины с общим доступом было нецелесооб;

разно).

В настоящее время целесообразно использовать машину с более.

высокой производительностью, т. к. обработка больших массивов.

— 7 ;

и вывод результата в виде трехмерного графика требует больших.

мощностей; лучше всего подойдет персональный компьютер на базе.

процессора Pentium.

12. Измерительная аппаратура:

см. выше.

13. Устройство связи с объектом:

для связи с экспериментальной установкой использовалась плата.

DAS-16 (Data Acquisition Board) с 12-битным преобразователем.

производства Keithley Metrabyte Corporation; на плате интегри;

рованы как цифро-аналоговый, так и аналого-цифровой преобразо;

ватели, что позволяет использовать ее как универсальное уст;

ройство связи. Надо сказать, что в настоящее время в качестве.

устройства связи весьма выгодно использовать любую из звуковых.

плат (SoundBlaster), т.к. в них также интегрированы как ЦАП,.

так и АЦП, а относительная дешевизна таких плат делает их наи;

более пригодными для подобных экспериментов.

2III. Програмное обеспечение.

11. Системное:

в данном случае не представляет интереса, т. к.

операционная система может быть любой (в нашей АСНИ — MS-DOS),.

сложный интерфейс не нужен;

12. Проблемное:

а) управление объектом,.

б) сбор информации,.

в) первичная обработка,.

все эти функции выполняла программа, написанная на языке BASIC.

(выбор языка обусловлен тем, что програмное обеспечение платы.

DAS-16 поставлялось в виде библиотек и программ на BASIC «е);

.

— 8 ;

г) основная обработка ;

в реальной работе не проводилась за отсутствием вычисли;

тельных мощностей; сегодня же можно к вышеописанному пакету.

подключить ПО для более частных задач.

Наша система построена с использованием наиболее важных основопо;

лагающих принципов построения классической АСНИ.

3Принципы построения АСНИ.

21. Комплексность:

построение нашей системы обеспечивает возможность применения АСНИ.

на различных этапах исследований.

22. Многоуровневая организация:

1а) объектный уровень ;

управление экспериментальной установкой, регистрация данных, их.

оперативная обработка, накопление;

1б) инструментальный уровень ;

подключение новых вычислительных мощностей и нового ПО;

все это присутствует в нашей системе;

23. Расширяемость:

1а) развитие АСНИ в направлении более широкого применения ;

общий магнитный портрет поверхности, общее исследование свойств.

доменных границ;

1б) увеличение количества пользователей 0 ;

на мощный компьютер можно без проблем установить несколько плат.

типа DAS-16, а установленная на таком компьютере мультизадачная.

операционная система позволит нескольким пользователям одновре;

менно осуществлять различные эксперименты.

.

— 9 ;

24. Адаптируемость:

наша система легко модернизируется с учетом конкретных особенностей.

исследовательской задачи.

25. Типизация инженерных решений при создании АСНИ: 0.

все использованные при создании системы компоненты являются типич;

ными для исследований в данной области; единственный уникум — экс;

периментальная установка со сканирующим устройством.

Т.о. наша система, как и любая АСНИ, осуществляет.

1) сбор измерительной информации;

2) вывод управляющей информации в экспериментальную установку;

3) хранение и обработку информации.

ш1.5.

1. Папорков В. А. Магнитооптическое исследование структуры доменных гра;

ниц ферритов-гранатов: Автореф. дис… канд. физ.-мат. наук. ;

М., 1990. — 20 с.

2. Кринчик Г. С., Чепурова Е. Е., Папорков В. А. Магнитооптическое иссле;

дование структуры доменных границ в ферритах-гранатах. — М., 1990.

— 52 с.

3. Кринчик Г. С., Бенидзе О. М. Магнитооптическое исследование магнитных.

структур при микронном разрешении. — ЖЭТФ, 1974, т.67, № 6(12),.

С.2180−2194.

4. Автоматизированные системы научных исследований. Принципы построе;

ния. / Сост. Фомичев Н. И. — Ярославль: ЯрГУ, 1997. — 11 с.

5. Автоматизированные системы научных исследований. Техническое обес;

печение. / Сост. Фомичев Н. И. — Ярославль: ЯрГУ, 1997. — 17 с.

6. Автоматизированные системы научных исследований. Програмное обеспе;

чение. / Сост. Фомичев Н. И. — Ярославль: ЯрГУ, 1997. — 15 с.