Реферат: Магнитооптическое исследование поверхности
Название: Магнитооптическое исследование поверхности Раздел: Рефераты по физике Тип: реферат |
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. 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.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. |