Магнитооптическое исследование поверхности

Ярославский государственный университет

 

 

 

 

 

 

 







 

                            ПО ДИСЦИПЛИНЕ

            3АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

 

 

               _ 2МАГНИТООПТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ

 

 

 

 

 

                                         студент группы Ф-21

                                               Папорков И.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

                            1Ярославль, 1998

.


                                - 1 -

 

                                2ВВЕДЕНИЕ

 

     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` 01000 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

                              ЛИТЕРАТУРА

 

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.