G
┌10 1.pcx 150,90
G
┌20 2.pcx 150,100
G
┌30 3.pcx 80
G
┌40 4.pcx 80
ш2
рославский государственный университет
Dlq9hd.pdr
1 1 1
2 0Е2 0Ф2 0Е2 0Р2
0А2 0Т
Dcm6337.pdr
3 1 1
ПО
ПЛИНЕ
3АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
_2МАГНИТООПТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ
студент группы Ф-21
Папорков
.В.
1Ярославль, 1998
.
- 1 -
2ВВЕДЕНИЕ В данной работе обсуждается конкретное применение автоматизиро-
анной
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
ремя 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-
тся, 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
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
озможности 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-
рхностных
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
арадея 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).
ущность 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
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
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
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
плоскости, параллельной
поверхности исследуемого объекта.
спользование
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
личины
магнитной индукции B (рис. 3).
┌30
.к. изменение коэффициента
отра-
жения весьма незначительно (отношение 7D0i
к среднему значению i40
0составляет 7`
105-30, т.е.
масштаб на рис. 3 для удобс-
тва не соблюден), то любые, самые незна-
чительные шумы оказывают огромное
лия-
ние на единичное измерение; поэтому в
1рис. 30
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
7D0i от B представляет собой петлю гистерезиса (рис.4):
┌40
начит,
мы можем определить та-
кие величины, как
коэрцитивная сила,
намагниченность насыщения, остаточная
намагниченность. Эти
параметры опре-
деляют магнитные характеристики по-
рхности образца.
зультаты удобно
представить в виде трехмерного графи-
1рис. 40
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
ремя, 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-
ичную
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
арадея и меридианного эффекта Керра. Результаты,
полученные в данной работе с использованием АСНИ, су-
щественно расширили представления о структуре доменных границ на по-
- 6 -
рхности
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
ышеописанная 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.
оретические исследования и методики:
отражены в литературе [1]-[3]. 12. Алгоритм
проведения эксперимента: см.
ыше. 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
ысокой производительностью,
т. к. обработка больших массивов
- 7 - и
ывод результата в виде трехмерного графика требует больших
мощностей; лучше всего подойдет персональный компьютер на базе
процессора Pentium. 12.
змерительная аппаратура: см.
ыше. 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-
атели, 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.
асширяемость: 1а) развитие АСНИ в
направлении более широкого применения - общий магнитный
портрет поверхности, общее
исследование свойств доменных
границ; 1б) увеличение количества
пользователей0 - 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.
ипизация 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)
ывод управляющей информации в экспериментальную установку;
3)
хранение и обработку информации.
ш1.5
АТУРА
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
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. -
рославль: ЯрГУ, 1997. - 11 с.
5.
Автоматизированные системы научных исследований. Техническое обес- печение. / Сост. Фомичев Н.И. -
рославль: ЯрГУ, 1997. - 17 с.
6.
Автоматизированные системы научных исследований. Програмное обеспе- чение. / Сост. Фомичев Н.И. -
рославль: ЯрГУ, 1997. - 15 с.
