Магнитооптическое исследование поверхности

2ВВЕДЕНИЕ В данной работе обсуждается конкретно е применение автоматизиро- ванной системы в реальном научном ис следовании - магнитооптическом исследовании структуры доменных границ фе рритов-гранатов. Монокристаллические пленки ферритов-гранатов с осью легкого на- магничивания , расположенной перпендикуляр но поверхности , в настоящее время широко используются в системах магнитной записи информации на цилиндрических магнитных доменах . Быстродейст вие и надежность этих устройств во многом зависят от динам ических свойств цилиндрических магнитных доме нов , возможности управл ения их движением , что определя- ется , в основном , структурой доменных границ . Исследования доменных границ материалов с цилиндрическими магн итными доменами дали очень много важных теоретических и эксперимент альных результа тов , которые существенно улучшили понимание физики дом енных границ . Важнейшим из них является открытие структурных элемен тов 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 д есятилетия , позволили выдвинуть идею использования для кодировки информа ции не цилиндрические магнит- ные домены , а находящиеся внутри доме нных границ гораздо меньшие мик- р ообъекты - вертикальные блоховские ли нии . Огромное значение этой идеи заключается в возможности повышения на несколько порядков емкости до- менных запоминающих устройств при исполь зовании отработанной техноло- гии , применяемой при изготовлении запомин аю щих устройств на цилиндри- ческих магнитных доменах. Для получения субмикронных цилиндрических магнитных доменов при- меняют пленки толщиной 7` 0 1 мкм ; роль по верхности в формировании струк- туры доменных границ и ее свойств при этом возрастает , чт о стимулирует - 2 - исследования структуры и динамических сво йств доменных границ в припо- верхностных областях. Наиболее эффективным методом исследования локальных магнитных ха- рактеристик на поверхности ферромагни тного образца является магнитооп- тический метод микронного разрешения , кот орый широко используется для изучения отдельных доменов , доменных гран иц , их структуры . Возможности применения магнитооптических методов тесно связаны со степенью изучен- ности соо тветствующих магнитооптических эффектов , уровнем эксперимен- тальной техники , совершенством методики и сследования. Целью научной работы было исследовани е структуры доменных границ ферритов-гранатов на поверхности образца с помощью магнитооптически х эффектов Фарадея и Керра , изучение пр оцессов намагничевания доменных границ ; дальнейшее экспериментальное и те оретическое развитие динами- ческой методики исследования доменных гра ниц. 2ПОСТРОЕНИЕ АСНИ Рассмотрим ко нфигурацию нашей АСН И (рис . 1): -1 1рис . 1 . - 3 - Об ЭВМ , устройстве связи и измерит ельной аппаратуре см . "Состав- ные части АСНИ ", п .II. Приводится схема упрощенн ой экспе риментальной установки на основе магнитооптического микромагнетометра (используетс я только экваториаль- ный магнитооптический эффект Керра ). Сущно сть явления , изучаемого в эксперименте : при изменении величины магн итного поля , приложенного к по верхности объекта , меняется коэффиц иент отражения поверхности. -2 1рис . 2 Луч света от источника 1 (в качестве источника - галогенная лампа в кварцевом стекле ), проходя через кол лиматор 2, попадает в контроль- ный анализатор интенсивности 3 (фотоэлемент , пропускающий большую часть светового потока дальше ), который нужен для поддержания постоян- ной светимости источника (малейшее отклон ение 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 . "С оставные части АСНИ ", п .III.2) через ЦАП изменяет светимость ист очника , 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 микр оскопа ); 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 АЦ П ; чем больше коэффициент отражения поверхности 7, тем больший фототок возникае т в фотоэлементе 8. Подлож- ка 9 фотоэлемента соединена с шаговым двигателем , который смещает фо- тоэлемент в плоскости , параллельной повер хности исследуемого объекта. Использование микро скопа позволяет пр и шаге двигателя 7` 0 1 мм добиться шага сканирования поверхности объекта пор ядка длины волны. Для каждой точки поверхности изучаетс я зависимость фототока i от величины магнитной индукции B (рис . 3). -3 0 Т.к . изменение коэффициента отра- жения весьма незначительно (отношен ие 7D 0i к среднему значению i 40 0составляет 7` 10 5-3 0, т.е . масштаб на ри с . 3 д ля удобс- тва не соблюден ), то любые , с амые незна- чительные шумы оказывают огромное влия- ние на единичное измерение ; поэ тому в 1рис . 3 0 АСНИ применена первичн ая статистическая обработка данных - т.к . шумы есть слу- чайный процесс , то после большого числ а суммирований отдельных измере- ний они пропадут . Количество измерений в серии определяется пог реш- ностью , задаваемой экспериментатором (как только экспериментальная кривая в пределах вышеупомянутой погрешн ости совпадет с "теоретичес- кой " кривой , вид которой также задаетс я 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 коэрцитив ная сила, намагниченность насыщения , остаточная намагниченность . Эти параметры опр е- деляют магнитные характеристики п о- верхности образца . Результаты удобно представить в виде трехмерного графи- 1рис . 4 0 ка зависимости коэрцитивной силы или намагниченности насыщения от коорд и- н ат поверхности x,y. В реальной рабо те это не делалось из-за недоста- точной мощности вычислительной техники (д ля каждой точки поверхности необходимо записать и обработать большое количество серий , каждая из которых состоит из 7` 01000 измерений , а та ких 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 . пере д переходом к следующей точке система ожидает , пока ЭВМ запишет полу ченные 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- л ичных экспериментов , но применение АСНИ позволило типизировать обра- ботку данных в каждом из них ; АСНИ без существенных изменений была применена также в экспериментах с ис пользованием магнитооптического эффекта Фарадея и меридианного эффекта Керра. Результаты , полученные в данной работе с использованием АСНИ , су- щественно расширили представления о стру ктуре доменных границ на по- - 6 - верхности образца , процессах их намагничи вания ; они могут быть исполь- зованы для развития теории доменных г раниц , а также при решении задач, связанных с разработкой устройств для сверхплотной записи информации. 2ПРОВЕРКА АСНИ Теперь покажем , что вышеописанная авто матизация есть не что ино е, 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 экспериментал ьных данных : обработка данных - см . п .III.2.в )г ); представление данных - см . выше. 2II. Т ехническое обеспечение : 11. ЭВМ : использовалась IBM AT 286 (т . к . эксперимент пр оводился в 1988 г ., то персональных лучше этого просто не было , а использовать большие машины с общим доступом было нецелесооб- разно ). В настоящее время целесообразно испо льзовать машину с более высокой производительностью , т . к . обр аботка больших массивов - 7 - и вывод результата в виде трехмер ного графика требует больших мощностей ; лучше всего подойдет персо нальный компьютер на базе процессора Pentium. 12. Измерительная аппаратура : см . выше. 13. Устройство связи с объектом : для связи с экспериментальной устано вкой испо льзовалась 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 позв оляет использоват ь ее как универсальное уст- ройство связи . Надо сказать , что в настоящее время в качестве устройства связи весьма выгодно испо льзовать любую из звуковых плат (SoundBlaster), т.к . в них также интегрир ованы как ЦАП, так и АЦП , а относительная дешеви зна таких плат делает их наи- более пригодными для подобных экспер иментов. 2III. Програмное обеспечение. 11. Системное : в данном случае не представляет и нтереса , т . к. операционная с истема 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 н а языке BASIC (выбор языка обусловлен тем , что п рограмное обеспечение платы DAS-16 поставлялось в виде библиотек и программ на BASIC'е ); . - 8 - г ) основная обработка - в реальной работе не проводила сь за отсутствием вычисли- тельных мощностей ; сегодня же можно к вышеописанному пакету подключить ПО для более частных задач. Наша система построена с использовани ем наиболее важных основопо- лагающих принципов п остроения классич еской АСНИ. 3Принципы построения АСНИ. 21. Комплексность : построение нашей системы обеспечивает возможность применения АСНИ на различных этапах исследований. 22. Многоуровневая организация : 1а ) объект ный уровень - управление экспериментальной установкой , регистрация данных , их оперативная обработка , накопление ; 1б ) инструментальный уровень - подключение новых вычислительных мощносте й и нового ПО ; все это присутствует в нашей с истеме ; 23. Расширяемость : 1а ) развитие АСНИ в направлении бол ее широкого применения - общий магнитный портрет поверхности , общее исследование свойств доменных границ ; 1б ) увеличение количества пользователей 0 - на мощный компь ютер можно без проблем установить несколько плат типа DAS-16, а установленная на таком к омпьютере 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 созд ании АСНИ : 0 все использованные при создании систе мы компоненты являются типич- ными для исследований в данной обл асти ; единственный уникум - экс- периментальная установка со сканирующим устройством. Т.о . наша система , как и любая А СНИ , осуществляет 1) сбор измерительной информации ; 2) вывод управляющей и нформации в экспериментальную установку ; 3) хранение и обработку информации. ш 1.5 ЛИТЕРАТУРА 1. Папорков В.А . Магнитооптическое исследовани е структуры доменных гра- ниц ферритов-гранатов : Автореф . дис . ... ка нд . 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 . Магнитооптичес кое исследование магнит ных структур при микронном разрешении . - ЖЭ ТФ , 1974, т .67, № 6(12), С .2180-2194. 4. Автоматизированные системы научных исслед ований . Принципы построе- ния . / Сост . Фомичев Н.И . - Ярославль : Яр ГУ , 1997. - 11 с. 5. Автоматизированные системы на учных исследований . Техническое обес- печение . / Сост . Фомичев Н.И . - Ярославль : ЯрГУ , 1997. - 17 с. 6. Автоматизированные системы научных исслед ований . Програмное обеспе- чение . / Сост . Фомичев Н.И . - Ярославль : ЯрГУ , 1997. - 15 с.