CC BY
84
ОПТИМАЛЬНАЯ ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ИМПУЛЬСНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ДЛЯ СТИРАНИЯ ЗАПИСАННОЙ ИНФОРМАЦИИ НА МУЛЬТИФЕРРОИДНЫХ МАТЕРИАЛАХ НЖМД
Хлопов Борис Васильевич,
д.т.н., начальник отдела, ФГУП "ЦНИРТИ им. академика АИ.Берга", Москва, Россия, hlopovu@yandex.ru
Шашурин Василий Дмитриевич,
д.т.н., профессор. зав. кафедрой "Технологии приборостроения", МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия, shashurin@bmstu.ru
Самойлович Михаил Исаакович,
д.м.н., начальник отдела, Центральный научно-исследовательский технологический институт "Техномаш", Москва, Россия, samoylovich@cnititm.ru
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 16-07-00642А).
Ключевые слова: мультиферроидные материалы, носитель информации, магнитная система, коэрцитивная сила, тонкопленочный слой.
Проведены исследования по уточнению оптимальной длительности импульсного магнитного поля для стирания записанной информации на мультиферроидных материалах жестких магнитных носителях. Рассмотрены два вида записи параллельная плоскости диска и нормальная с перпендикулярным направлением вектора поля записи к диску. В основу исследования был положен метод намагничивания мультиферроидного материала магнитного носителя информации путем воздействия на него внешним импульсным магнитным полем. Установлено, что для гарантированного стирания информации в полеобразующей системе стирающего устройства должно создаваться магнитное поле с длительностью импульса, обеспечивающей изменение магнитного состояния тонкопленочного слоя мультиферроиднонго материала магнитного носителя информации. Рассмотрены физические свойства и устойчивость намагниченного состояния тонкопленочных слоев типовых образцов магнитных дисков. По результатам проведенного исследования тонкопленочных мультиферроидных материалов, напыленных на подложку типового диска носителя информации было уточнено значение коэрцитивной силы насыщения (Нк=450 КА/м) магнитных материалов. Рассмотрена конструкция жестких магнитных дисков и ослабление внешнего импульсного магнитного поля элементами конструкции жесткого магнитного диска. При внешних импульсных воздействиях магнитным полем, превышающим коэрцитивную силу тонкопленочного слоя мультиферроиднонго материала жесткого магнитного диска на элементы конструкции, решающую роль для ослабления магнитного поля играет электрическая проводимость материала. В этих условиях рассматривалось действие частотного экранирования с учётом спектра частот составляющих используемый магнитный импульс. Толщина скин-слоя растет с уменьшением частоты и увеличением длительности стирающего импульса. В то же время добротность контура полеобразующей системы, создающего магнитное поле, уменьшается с уменьшением частоты, что приводит к снижению пикового значения тока в контуре и, в конечном счёте, к уменьшению стирающего поля. С учетом этих условий проведены расчеты и моделирование процесса изменения формы и длительности воздействующего на магнитный носитель импульса. По результатам расчетов и моделирования определялись наилучшие оптимальные параметры амплитуда и длительность стирающего импульса магнитного поля. Проведенные эксперименты на типовых образцах носителей информации подтвердили результаты исследований. Даны рекомендации для выбора параметров стирающих импульсов. Значение напряженности импульсного магнитного поля должно превышать значение коэрцитивной силы тонкопленочного слоя мультиферроидного материала носителя информации, а по-леобразующие системы стирающих устройств с учетом количества витков и ослабления внешнего импульсного магнитного поля элементами жесткого магнитного носителя информации должны иметь оптимальное значение длительности импульса в пределах от 1,0 мс до 4,5 мс.
Для цитирования:
Хлопов Б.В., Шашурин В.Д., Самойлович М.И. Оптимальная длительность импульсного магнитного поля для стирания записанной информации на мультиферроидных материалах НЖМД // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2016. - Том 10. - №4. -С. 31-36.
For citation:
Khlopov B.V., Shashurin V.D., Samoylovich M.I. The optimum duration of a pulse magnetic field for deleting of the written-down information on the multiferroic materials winchesters. T-Comm. 2016. Vol. 10. No.4, рр. 31-36. (in Russian)
Введение
Наиболее распространены дна вида записи - параллельная и перпендикулярная, различающиеся ориентацией вектора поля записи Нз относительно плоскости носителя. Наиболее распространенными способами стирания записи являются размагничивание и намагничивание мультиферро-идного материала магнитного носителя информации путем воздействия на него внешним импульсным магнитным полем [1]. В случае параллельной записи на магнитном носителе (ПЖМД) воздействие внешнего намагничивающего или размагничивающего поля в плоскости корпуса диска неодинаково для различных участков носителя, что приводит к остаточной намагниченности на тонкопленочном слое мультиферроидного материала магнитного диска [2]. Низкая надежность стирания, обусловленная тем, что перемагничи-вание ячеек с различной исходной ориентацией векторов намагниченностей (соответствующих нулю и единице записанного двоичного кода) происходит несимметричным образом, то есть углы между направлением стирающего поля и направлениями векторов намагниченности М„° и М,,' существенно различаются. Не идеальность нрямоугольности петли гистерезиса мультиферроидного материала магнитного носителя приводит к остаточной разности намагниченностей указанных ячеек, которая может быть использована для восстановления записи. Исследование но определению оптимального значения длительности импульсного магнитного поля па носитель информации является актуальной задачей, а материалы исследования должны использоваться при разработке устройств -экстренного стирания информации. Для достижения данной цели решались задачи:
— уточнялись условия при которых возможно иеремагничивание мулыиферроидных магнитных материалов типовых носителей информации;
— определялось влияние конструкционных элементов НЖМД на ослабление внешнего импульсного магнитного поля;
— уточнялась область возможного получения наилучших параметров стирающего устройства, в котором может быть реализована оптимальная длительность стирающего импульса внешнего магнитного поля.
Магнитная восприимчивость гон ко плен очных слоев
мультмферроидмых магнитных материалов,
применяемых в системах внешней памяти жестких
магнитных дисков
Для гарантированного старания информации полеобра-зующие системы стирающих устройств должны иметь значения амплитуды и длительности импульса, облучающего магнитного поля, обеспечивающие изменение магнитных состояний тонкопленочных слоев мультиферроидных материалов магнитных носителей информации. Описанные [1, 2] гистерезисные петли характерны для достаточно медленных процессов перемагничивания, при которых сохраняется квазиравновесная связь между М и Н для соответствующих ме-тастабильных состояний, и называются квазистатическими (или просто статическими). Характерные времена, при которых указанные процессы можно считать квазистатическими определяются известным соотношением:
т=27г> (1)
№
где у — 2,8 МГц/Э (13 = 79,3 А/м) - гиромагнитное отношение. Для характерных значений поля, равных коэрцитивной силе (при которых и возможно перемагничивание образца), величина Т составляет 10 е. Таким образом, рассмотренное квазистатическое приближение будет справедливо для импульсных магнитных полей с фронтами нарастания, существенно превышающими эту величину. Магнитотвердыми принято считать ферромагнитные материалы, обладающие высокой коэрцитивной силой Н. & 103—1 О А/м. Эти материалы применяются для постоянных магнитов, для гистере-Зиеных двигателей и магнитной записи. Устойчивость намагниченного состояния и физические свойства тонкопленочных слоев исследовались на типовых образцах дисков с покрытием материалами следующих составов: барий-ферритовый Ba*l-'e; О?; железосодержащие Kcj04; i'cCr; FeNb; FeSnO; FeTi; титаната железа FeTi:Oj; феррита состава Ni(|?Zn,i?Fe:04; металлов и их сплавов - Ni3Fe; NhFe+куб.; Fe; FeNb; NbFe3 + рентгеноаморфные фазы металлов; куб. фазы NÍ+FePd3 + ре итге но аморфна я фаза металлов, (или Ni+Fe+Pd). Проведенные исследования состояния "РОНкопленочных слоев мультиферроидных магнитных материалов, применяемых в системах внешней памяти жестких магнитных дисков, позволили уточнить значение коэрцитивной силы материала [2,31- По результатам проведенного исследования тонкопленочных мультиферроидных материалов, напыленных на подложку типового диска носителя информации была уточнена коэрцитивная сила насыщения Нк=450 КА/м магнитных материалов.
Влияние защитных экранирующих элементов
конструкции жестких дисков на значения внешнего
импульсного магнитного поля
Ослабление внешнего импульсного магнитного поля элементами ПЖМД зависит от многих факторов: геометрических размеров корпуса, толщины материала экранирующих элементов, формы и длительности воздействующего импульса [4]. Конструкция жестких дисков, объединяет в одном защитном корпусе носитель информации, устройство чтения и записи, а также, интерфейсную часть. Элементы конструкции НЖМД, с дополнительными рёбрами жёсткости, металлическими накладками, алюминиевыми подложками дисков с топ коп л елочным покрытием мультиферроид-ным магнитным материалом обладают экранирующими свойствами [5]. При внешних импульсных воздействиях магнитным полем на элементы конструкции НЖМД решающую роль для ослабления внешнего магнитного поля играет электрическая проводимость материала [3]. В этих условиях необходимо рассматривать действие частотного экранирования с учётом всего спектра частот составляющих используемый импульс. Толщина скин-слоя растет с уменьшением частоты (увеличением длительности стирающего импульса). В то же время добротность контура полеобра-зующей системы, создающего магнитное поле, также уменьшается с уменьшением частоты, что приводит к снижению пикового тока в контуре и, в конечном счёте, к уменьшению стирающего поля. Таким образом, для снижения потерь значения напряженности магнитного поля в кожухе длительность импульса необходимо увеличивать, а для увеличения значения пикового тока в контуре её необходимо уменьшать.
T-Comm Том 10. #4-2016
Т-Сотт Уо1.10. #4-2016
4,5 мс. Увеличение длительности стирающего магнитного поля в полле образую щей системе приведет к большим неоправданным энергетическим изменениям и конструкторской рабочей документации накопителя энергии.
Амплитудные и частотные характеристики
магнитного импульса стирающего устройства
Амплитуда переменного магнитного поля круговой частоты ю уменьшается с проникновением в немагнитный проводник на глубину ъ по закону
Я(г)/Я0=ех р(-г/3)г (9)
где Я0 - амплитуда поля на поверхности проводника, а
- глубина СКИН-СЛОЯ, Гн/м _ мапшт]!ая
постоянная, р - удельное сопротивление проводника.
Для защитного кожуха из алюминия "л ~ ' Ом*м.
При использовании импульсного магнитного поля необходимо рассматривать действие частотного экранирования с учётом всего спектра частот составляющих используемый импульс [3,7]. Для этого необходимо представить исходный импульс в виде интеграла Фурье с воздействием на каждую его спектральную компоненту по закону (9,10) и последующим восстановлением результирующего импульса посредством обратного преобразования Фурье с учётом фазовых сдвигов каждой спектральной компоненты.
Будем считать импульс прямоугольным, с длительностью Т, Тогда его зависимость от времени можно представить с помощью обратного Фурье преобразования следующего вида:
/(0= \г{с»>-ш<ь
(П)
где
5т(<у772)
со
(13)
Изменённый экраном импульс теперь записывается в виде Фурье интеграла от соответствующих частотных компонент;
(14)
Время 1/1
Рис. 3. Зависимость амплитуды Нс и формы импульса от его длительности Т. 1 - исходный импульс амплитуды Н0; 2 - Т = 1 мс, Н/Но = 0,84; 3 - Т = 50 мке, Н^Нц = 0,48; 4 - Т = 5 мке, НУН0 = 0,12; 5 - Т = 1 мке, Нс/Н0 = 0,03.
Экран алюминиевый, толщиной 1 мм
Из приведенного рисунка 3 видно, что по мере прохождения через слой металла импульс магнитного поля длительностью 1ме не только уменьшается по амплитуде, но и расширяется, что легко объяснимо ослаблением высокочастотных компонент импульса [8].
*0) = 2
со (12)
- результат прямого Фурье преобразования импульса прямоугольной формы.
После взаимодействия с экраном все частотные составляющие импульса (11) уменьшатся в соответствии с формулами (9) и (10):
0,6
V
5 П.5
I
0,4
0,3 42
АМцМ / 1,2
АМцМ Д166 ■ и
Численное интегрирование по формуле (14) даёт возможность рассчитать значение Нс амплитуды и форму изменённого импульса магнитного поля. На рисунке 3 приведены кривые для трёх значений длительности импульса, демонстрирующие изменение амплитуды экранированного импульса с максимальным значением Не.
0123 + 66769
Г,'Гц
Рис, 4. Зависимость ослабления магнитного поля от частоты
Из рисунка 3 видно как фильтрация высоких частот, производимая экраном (формулы (9, 10, 15) приводит к уменьшению амплитуды импульса и его расшшванию. Отметим, что в расчетах не принималась во внимание конкретная реализация формы исходного импульса. Экспериментально полученный эффект подтвержден за счёт экранирования металлическим экраном импульса идеальной прямоугольной формы магнитного поля со значением напряженности 450 КА/м [9]. При использовании конкретных источников магнитного поля в формулы (12-14) несложно внести соответствующие коррективы, учитывающие форму исходного импульса. Как известно, амплитуда волны магнитного поля уменьшается с проникновением в проводник на глубину г по закону
Т-Сотт Том 10. #4-2016
Иф= Я(й))ехр(-г/ф (15)
где и (со) - амплитуда поля на поверхности проводника, а глубина скин слоя:
8=ф1(^стт) \ (16)
11оследнюю формулу (6.2) можно представить в виде: | = 5033 ^р'и!' > О7)
где р - удельное сопротивление проводника, а ( = тИл -циклическая частота.
Для корпусов из алюминиевых сплавов рлмцм= 3,45-10'" Ом-м,/),7/й£= 3,4-! О" Ом-м, С учетом этого ¿>ЛМцН -
2,96/77 ( 2,93/^7
(мм), где ( - частота волны в кГц.
При н > Нк, что для АМцМ и Д16К составляет от 300 до 500 Э (от 2,4 до 4 кА/м)
Ослабление ехр(-г/5) приведено в таблице 2.
Таблица 2
Марка материала кожуха /= 100 Гц /= 1 кГц /= 100 кГц /= 1 МГц
АМцМ-1,2 0,8797 0,6667 0,0174 0
АМцМ-1,5 0,8519 0,6024 0,0063 0
Д16Б-1,5 0,8505 0,5993 0,0060 0
В таблице 2 приведены расчетные и подтвержденные экспериментально значения зависимости ослабления магнитного поля в преобразующей системе от изменений значений частоты импульсного магнитного поля при различных возможных условиях экранирования [9,10]. Таким образом, на частоте I кГц при толщине металла 1,2 мм и // > корпус из АМцМ ослабляет поле на 33,33 %, при толщине металла 1,5 мм и Н>Н^ корпус из АМцМ или ослабляет поле на 39,76 % или 40,07 % соответственно.
Зависимости ослабления магнитного поля алюминием марки АМцМ при толщине 1,2 и 1,5 мм и сплава Д16Б-1,5 (при напряженности магнитного поля порядка 1000 А/м) для частот 100 Гц и 1 кГц приведены на рисунке 4. Как видно из приведенных зависимостей, для реальных толщин металлических защитных кожухов их влияние на величину магнитного поля будет незначительно при магнитных полях.
Заключение
I. Длительность импульсного магнитного поля для стирания записанной информации на мультиферроидных материалах НЖМД зависит от частоты, емкости накопителя и электрических свойств магнитного экранирования материала. Чем ниже частота, тем слабее действует экран, тем большей толщины приходится его делать для достижения
одного и того же экранирующего эффекта.
2. Для гарантирован но го стирания информации значение напряженности импульсного магнитного поля должно превышать значение коэрцитивной силы тонкопленочного слоя мультиферроидного материала носителя информации, а полеобразующие системы стирающих устройств с учетом количества витков должны иметь оптимальное значение длительности импульса в пределах от I мс до 4,5 мс.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант К» ¡6-07-00642А).
J1 итера тур а
1. Гуляев Ю.В., Герус C.B., Митягин Ал.Ю., Митягин Ан.Ю., Муравьев Э.Н., Хлопов Б.В. Уничтожение информации с накопителей на жестких магнитных дисках // Инженерная физика. - 2004. -№2, -С.2-12.
2. Хлопов Б.В.. Самойлова B.C. , Юрьев И.А. Изменения состояния тонкопленочных слоев магнитных материалов, применяемых в системах внешней памяти жестких магнитных дисков //Телекоммуникации и транспорт, 2015, №12. - С.5-1 !.
3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. -М.: Наука. 1982. -С.279, 283, 620.
4.Хлопов Б.В.. Фесенко М.В.. Митягин А.Ю. Влияние экранирования при воздействии импульсных магнитных полей на жесткие магнитные носители информации / Труды XV Международной науч.-техн. конф. «Высокие технология в промышленности России", 2009.-С. 223-227,
5. Гуляев /O.S., Митягин Ал.Ю.. Хлопов Б.В. Разработка и создание аппаратуры дня уничтожения информации с магнитных носителей // Инженерная физика. — 2010, - №1. - С. 36-39.
6. Хлопов Б.В.. Тимирязева МП.. Митягин А.Ю. Исследование влияния импульсных магнитных полей на сохранение информации на винчестерах / Труды XIV Международной науч.-техн. конференция «Высокие технологии в промышленности России». -М.: изд. ОАО "ЦНИТИ-Техномаш", 2008. С. 248.
7. Roy A.G.. Jeong S., Laugh!in D.E. High-coercivily CoCrPl-Ti perpendicular media by in situ mterdiffusion of CrMn ultratbin overlay-ers // IHt-E Transactions on Magnetics. - 2002. - Vol. 38, No. 5, Part I, -Pp. 2018- 2020,
8. Митягин А.Ю.. Соколовский A.A., Хчопов Б.В. Особенности стирания информации с многодисковых винчестеров импульсным магнитным полем. Технология и конструирование в электронной аппаратуре, Украина, №1 (85), 2010.-С. 14-17.
9. Митягин А.Ю,, Соколовский A.A., Хлопов Б.В. Экспериментальное исследование качества и полноты уничтожения информации с жестких магнитных дисков // Международная научно-техническая конференция " Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности". Том I. Сусс, Тунис, 2006, С. 38-43,
10. Гуляев Ю.В., Хпопив Б. В.. Митягин A JO., Соколовский A.A. Влияние внешних магнитных полей на информационную магнитную структуру современных жестких дисков // Hано-микросистемная техника. № 11,2010, С. 10-14.
THE OPTIMUM DURATION OF A PULSE MAGNETIC FIELD FOR DELETING OF THE WRITTEN-DOWN INFORMATION ON THE MULTIFERROIC MATERIALS WINCHESTERS
Khlopov B.V., Federal State Unitary Enterprise TsNIRTI im. akademika A. I. Berga, Russian Federation, Moscow, Russia, hlopovu@yandex.ru Shashurin V.D., MGTU of N.E. Bauman, Moscow, Russia, shashurin@bmstu.ru Samoylovich M.I., Central research institute of technology "Technomash", Moscow, Russia, samoylovich@cnititm.ru
Abstract
In the real work researches on specification of optimum duration of a pulse magnetic field for deleting of the written-down information on the multiferroic materials rigid magnetic carriers are conducted. Two types of record parallel and normal with the perpendicular direction of a vector of a writing field to a disk are considered. The method magnetization of multiferroic material of a magnetic data carrier by impact on him by an external pulse magnetic field has been the basis for research. It is established that for the guaranteed deleting of information in field forming system of the erasing device the magnetic field with duration of an impulse providing change of a magnetic condition of a thin-film layer multiferroic material of a magnetic data carrier has to be created. Physical properties and stability of the magnetized condition of thin-film layers of standard samples of magnetic disks are considered. By results of the conducted research thin-film the multiferroic of the materials which are raised dust on a substrate of a standard disk of a data carrier value of coercive force of saturation (the Tax Code of =450 KA/m) of magnetic materials has been specified. The design of hard magnetic drives and weakening of an external pulse magnetic field is considered by elements of a design of a hard magnetic drive. At external pulse influences by the magnetic field exceeding the coercive force of a thin-film layer multiferroic material of a hard magnetic drive on design elements, the crucial role for weakening of a magnetic field is played by electric conductivity of material. In these conditions action of frequency shielding taking into account a range of frequencies of components the used magnetic impulse was considered. Thickness a skin layer grows with reduction of frequency and increase in duration of the erasing impulse. At the same time good quality of the contour of field forming system creating a magnetic field decreases with reduction of frequency that leads to decrease in peak value of current in a contour and, eventually, to reduction of the erasing field. Taking into account these conditions calculations and modeling of process of change of a form and duration of the impulse influencing the magnetic carrier are carried out. By results of calculations and modeling the best optimum parameters amplitude and duration of the erasing impulse of a magnetic field were defined. The made experiments on standard samples of data carriers have confirmed results of researches. Recommendations for the choice of parameters of the erasing impulses are made. Value of intensity of a pulse magnetic field has to exceed value of coercive force of a thin-film layer of multiferroic material of a data carrier, and field forming systems of the erasing devices taking into account quantity of rounds and weakening of an external pulse magnetic field elements of a rigid magnetic data carrier have to have optimum value of duration of an impulse ranging from 1,0 ms to 4,5 ms.
Keywords: multiferroic materials, data carrier, magnetic system, coercive force, thin-film layer.
References
1. Gulyaev Yu.V., Gerus S.V., Mityagin Al. Yu., Mityagin An. Yu., Muravyev E.N., Hlopov B.V. Destruction of information from stores on hard magnetic drives//Engineering physics. 2004. No. 2. Pp. 2-12. (in Russian)
2. Hlopov B.V, Samoylova V.S., Yuryev I.A. Changes of a condition of thin-film layers of the magnetic materials applied in systems of external memory rigid magnetic disc.//Telecommunications and transport, 2015, No. 12. Pp. 5-11. (in Russian)
3. Landau L.D., Lifshits E.M. Electrodynamics of continuous environments. Moscow. Science. 1982. Pp. 279, 283, 620. (in Russian)
4. Hlopov B.V., Fesenko M.V., Mityagin A.Yu. Influence of shielding at impact of pulse magnetic fields on rigid magnetic data carriers. Works XV International scientifically - technical conference." HIGH TECHNOLOGIES IN the INDUSTRY of RUSSIA", 2009. Pp. 223-227. (in Russian)
5. Gulyaev Yu.V., Mityagin Al.Yu., Hlopov B.V. Development and creation of the equipment for destruction of information from magnetic carriers / Engineering physics. 2010. No. 1. Pp. 36-39. (in Russian)
6. Hlopov B.V., Temiryazeva M.P., Mityagin A.Yu. Research of influence of pulse magnetic fields on saving information on winchesters / Works XIV International scientifically - technical conference "High technologies in the industry of Russia", prod. JSC TsNITI-Tekhnomash, Moscow, 2008, p. 248 (in Russian)
7. Roy A.G., Jeong S., Laughlin D.E. High-coercivity CoCrPt-Ti perpendicular media by in situ interdiffusion of CrMn ultra-thin overlayers / IEEE Transactions on Magnetics. 2002. Vol. 38. No. 5. Part 1. Pp. 2018-2020.
8. Mityagin A.Yu., Sokolovsky A.A., Hlopov B.V. Features of deleting of information from multidisk winchesters pulse magnetic field. Technology and designing in the electronic equipment, Ukraine, No. 1 (85). 2010. Pp. 14-17. (in Russian)
9. Mityagin A.Yu., Sokolovsky A.A., Hlopov B.V. A pilot study of quality and completeness of destruction of information with rigid magnetic discs / The International scientific and technical conference" Information technologies and modeling of devices and technical processes for ensuring quality and reliability". Vol. 1. Pp. 38-43, Sousse, Tunis. 2006. (in Russian)
10. Gulyaev Yu.V., Hlopov B.V., Mityagin A.Yu., Sokolovsky A.A. Influence of external magnetic fields on information magnetic structure of modern hard drives. Magazine "Nano-microsystem Equipment". No. 11. 2010. Pp. 10-14, 2010. (in Russian)
