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.
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.