Способ малоинвазивной низкоэнергетической многолучевой записи информации на поверхности объекта с целью длительного хранения, считывания, диагностики и его реализующее устройство - пучковая система записи-считывания и хранения данных
METHOD FOR MINIMALLY INVASIVE LOW-ENERGY MULTI-BEAM RECORDING OF INFORMATION ON THE SURFACE OF AN OBJECT FOR LONG-TERM STORAGE, READING, DIAGNOSTICS, AND ITS REALIZING DEVICE IS A BEAM SYSTEM FOR RECORDING AND READING AND STORING DATA

Область техники
Изобретение относится к способам занесения информации на материальный объект, предназначенным для обеспечения длительного хранения на поверхности объектов - из числа предметов (изделий), получаемых в результате хозяйственной деятельности, а также специально изготовленных для длительного хранения информации, с возможностью быстрого получения информации в процессе считывания.
Заявленный способ может найти применение при создании и заполнении информационных носителей длительного и надежного хранения информации для текущего и будущего применений в машиностроении, авиастроении, искусстве, а также в других отраслях промышленного производства и сферах человеческой деятельности.
Предшествующий уровень техники
3
8
Патентованные [1] способы управления низкоэнергетическими пучками заряженных частиц, в том числе ионами и устройство «Маркиратор» реализующее описанные способы, позволяет получать на объекте пятно фокуса, размер шагов по поверхности и глубине с величинами порядка 1 мкм, числом частиц (ионов) в сгустке (банче, кластере, фрагменте) 10-10 и энергией ионов ≤1000 кэВ. Минимально возможный по размерам и числу частиц кластер, занесенный в приповерхностный слой объекта устройством «Маркиратор», распознается многодиапазонным сканирующим спекл-интерферометрическим устройством «Считыватель», предложенным также в [1] и реализующем методы описанные в том же патенте, как 1 бит информации. Оцененная там же удельная информационная емкость, достигаемая при записи идентифицируемых с высокой надежностью данных путем нанесения малоинвазивных идентификационных меток на изделия оценивается уровнем до 1 Мбит/кв. мм в случае использования 2-х мерных (плоскостных) меток и уровнем до 10 Мбит/куб. мм в случае 3-х мерных (объемных) меток.
Применение современных достижений в способах лазерного получения ускоренных заряженных частиц, дает непосредственную возможность распространить метод нанесения-считывания малоинвазивных приповерхностных меток на область методов, устройств и носителей для долговременного (архивного, «вечного») хранения информации.
Описание изобретения
Впервые предлагается способ и многопучковая система создающая потоки параллельных пучков ионов низких энергий (ПИНЭ) с непосредственной доставкой их к области воздействия для занесения информации организованной побитно в виде оптимальных по размерам, числу, направлению движения, средней кинетической энергии сгустков (банчей) ионов контрастного вещества, имплантируемых в приповерхностный слой объекта, выполненные в едином корпусе (многопучковый инструмент внесения данных - мПИВД). Многопучковый генератор ПИНЭ строится на основе лазерных методов получения и ускорения частиц с помощью короткоимпульсных (фемто - аттосекундных) лазеров с высокой концентрацией энергии в импульсе взаимодействующем со специальными лазерными мишенями-излучателями (МИ). В результате взаимодействия рождаются сгустки (банчи) заряженных частиц. Коллимирование и фокусировка банчей образовавшихся частиц позволяет создавать компактные генераторы ионных (ионы, электроны и гамма-кванты) банчей со средними энергиями ионов до сотен МэВ/нуклон и релятивистские электроны в сопровождении позитронов и гамма-квантов. Доставка лазерных импульсов к мишенно-фокусирующей головке (МФГ), являющейся выходным элементом для имлантации банчей и считывания записанной информации, обеспечивается гибкими световодами, что позволяет создавать компактные приборы записи данных.
Лазерное ускорение
Лазерное ускорение обеспечивается ускорением ионов кулоновским взрывом кластерных и твердотельных мишеней-излучателей (МИ). Возможны также следующие варианты лазерного ускорения:
- ускорением ионов в приповерхностном слое МИ;
- ускорением ионов радиационным давлением света;
- ускорением ионов в магнитном вихре;
- ускорением ионов на фронте бесстолкновительной ударной волны [2].
Процесс получения каким-либо (любым) методом ускоренных ионов сопровождается генерацией быстрых электронов, дальнейшее распространение которых в веществе рождает также позитроны и гамма-кванты.
В настоящее время максимальная энергия ионов, ускоренных с использованием тонких твердотельных мишеней-излучателей и фемтосекундных лазеров, составляет 40 МэВ [3], 45 МэВ [4], 160 МэВ [5] для протонов; 1 ГэВ (т.е. 83 МэВ/нуклон) для углерода [6].
10
12
Использование метода ускорения ионов кулоновским взрывом кластерных и твердотельных мишеней-излучателей (МИ) позволяет создать компактную установку с Гигаваттной мощностью в импульсе для генерации ионных (в сопровождении электронов, позитронов и гамма-квантов) банчей суммарной интенсивности 10-10 ионов/сек и средней энергией до 50 МэВ/нуклон.
С помощью перечисленных методов лазерного ускорения происходит генерация банчей со сложным ионным составом в сопровождении электронов, позитронов и гамма-квантов, что позволяет осуществлять эффективное занесение информации (маркирование, как метод создания памяти) в облучаемую часть объекта, а также осуществлять одновременно и диагностику (контроль правильности процесса и конечного результата занесения информации) облучаемой и прилегающих областей объекта [7, 8]. Кроме того, например, если сформировать протонный пучок с небольшой добавкой ионов углерода и/или кислорода, то в веществе объекта будет стимулироваться формирование оксидов/карбидов, которые будут дополнительно химически воздействовать на вещество объекта, увеличивая контрастность информационных сгустков.
Доставка импульсов формирующего лазера осуществляется по гибким световодам, вмонтированным в используемые устройства к МФГ. Мишенная часть МФГ имеет фрагментарный и секторальный характер, т.е. в нее включены фрагменты разных веществ, что обеспечивает возможность динамического выбора определенного типа ионов банча в процессе работы (разноионный состав выходного пучка) и возможности многопучковой (многоканальной) записи считывания.
Несколько десятков идентичных управляемых индивидуально каналов образуют основу полного многоканального (многопучкового) устройства записи информации, состоящего из многоканального ГПИНЭ (МКГПИНЭ), гибких световодов собранных в жгут, многоканальной управляемой оптики (МКУО) в составе многоканальной МФГ (МКМФГ). Конструкция МКМФГ, как и в одноканальном варианте, обеспечивает возможность сканирования головки как целого в телесном угле 2π (4π если необходимо) и, кроме того, на конечном участке устройство каждого канала позволяет иметь некоторый дополнительный диапазон по полярному углу (относительно оси первоначального пучка) для индивидуального синхронно-асинхронного сканирования.
Блок вычислений и управления (БВУ) управляет параметрами многопучкового устройства для лучевого внесения информации (МПУЛВМ), который является элементом ПИВД. БВУ осуществляет управление следующими характеристиками ионного (ион-электрон-позитрон-гамма-квантного) банча с помощью манипулирования параметрами лазерных импульсов и мишенной части головки:
- средняя энергия банча;
- начальная угловая расходимость банча;
- интенсивность банча;
- длительность банча;
- тип ионов (ион-электрон-позитрон-гамма-квантного) банча.
Характер подложки
В случае варианта для длительного архивного хранения информации применяются специально изготовленные пластины удовлетворяющие требованиям в зависимости от назначения.
Двухстороннее (сквозное) считывание с относительно больших глубин занесенной информации требует прозрачности в используемых для считывания диапазонах электромагнитного спектра, минимального числа химических элементов (изотопов) входящих в базовую структуру основы (подложки, носителя информации), а также минимального количество примесей. Таким образом, рекомендациями по выбору подложки при двухстороннем считывании являются - прозрачность, чистота (базового состава).
Минимальная толщина для информационно-значимого слоя вещества подложки составляет не менее 10 мкм при двухстороннем считывании и не менее 30-50 мкм для слоя обеспечивающего жесткость и долговечность носителя.
Варианты материалов при двухстороннем считывании выбираются из класса диэлектриков или полупроводников; в частности, подходящими материалами будут кристаллические и аморфные - кварц, кремний, германий и другие.
При одностороннем считывании (и естественно, ограниченной глубине занесения информации) возможно использование гораздо более широкого набора материалов, в том числе и металлов.
Плотность записи
3
3
5
5
Для минимальной чувствительности считывающего устройства при считывании 10 атомов любого выбранного для занесения элемента периодической системы в 1 куб. мкм число частиц заносимых в ячейку объемом 1 куб. мкм можно варьировать в широких пределах - 10-10 ионов (превышение уровня - 10 ионов для одной ячейки технически возможно, но потребует достаточно больших энергетических затрат и, таким образом, не всегда целесообразно).
К настоящему времени известно [9] 115 химических элементов, из них 82 находятся в достаточном количестве в земной коре и используются в производственной деятельности, кроме того, количество открытых различных изотопов элементов составляет ~3500, таким образом, оценка ~100 изотопов, которые можно использовать для обеспечения разнообразия типов информационных меток являющимся носителями бит информации, является нижней оценкой.
3
2
Достижимый в этом случае объем информации заносимой на кварцевую пластину с размерами 10×10×0.01 см (толщина рабочего слоя пластины ~10 мкм, остальная толщина для поддержания жесткости пластины при длительном хранении) составит величину порядка 1 Петабит (Пбит), или примерно 10 Терабит (Тбит)/см.
Предложенный способ использования малоинвазивной многопучковой лучевой низкоэнергетической записи информации (способ малоинвазивной многопучковой лучевой низкоэнергетической записи информации - мИМПЛНэЗИ), надежный способ воспроизведения (считывания) занесенной информации и система, реализующая данный способ позволяет впервые осуществить новый способ и устройство прецизионного занесения информации для долговременного хранения путем введения сверхмалых доз (атто - сгустков, кластеров, фрагментов) контрастных веществ в точечно подобную пространственную область облучаемой зоны объекта.
Вычисление параметров управления для пучкового устройства мИМПЛНэЗИ и контроль идентичности вносимой информации заданной изначально производится в блоке вычислений и управления за счет информации поступающей с системы мониторинга встроенной соосно с МКМФГ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент №2644121.
2. Haberberger D et al. Nature Phys. 8 95 (2012).
3. Ogura К et al. Opt. Lett. 37 2868 (2012).
4. Kim I J et al. Phys. Rev. Lett. 111 165003 (2013).
5. Hegelish В M et al., arXiv: 1310.8650.
6. Jung D et al. Phys. Plasmas 20 083103 (2013).
7. Korzhimanov A V et al. Phys. Rev. Lett. 109 245008 (2012).
8. Nishiuchi M et al. Rev. Sci. Instrum. 85 02B904 (2014).
9. https://ru.wikipedia.org/wiki/Изотопы