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. 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.вг 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 BASICе 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, 612, 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.