Методы визуализации магнитных полей носителей информации
Источник: http://www.epos.ua/
Информация, будь то игры, рабочие документы или корпоративная база данных, является самой важной составляющей любой компьютерной системы. Ежегодно человечество производит порядка 5 экзабайт (5 миллиардов Гбайт) оригинальной информации, из этого огромного количества более 80% передается и сохраняется при непосредственном участии накопителей, использующих принципы магнитной записи. Для сравнения, 1 Мбайт данных соответствует приблизительно 300 стандартным текстовым страницам формата А4. При плотности записи 300 Гбайт/кв. дюйм, анонсированной недавно компанией Toshiba, на поверхности площадью меньше троллейбусного талончика можно сохранить 90 миллионов листов печатных материалов.
Приведенные факты свидетельствуют о существовании у человечества, если так можно выразиться, «магнитно-информационной зависимости», вызванной отсутствием в настоящее время технологий, которые могли бы стать реальной альтернативой магнитному хранению информации. По оценкам аналитиков, в обозримом будущем перспективы избавиться от такой зависимости в компьютерной индустрии не предвидится, более того, с каждым годом она только возрастает.
Достижения в технике цифровой магнитной записи опираются на результаты фундаментальных исследований, проводимых в последние десятилетия компаниями-производителями магнитных накопителей. Разработаны материалы, обладающие высокой степенью однородности формы и размеров магнитных доменов, что позволило существенно снизить уровень структурного (магнитного) шума носителя и, вследствие этого, повысить плотность записи. Исследования магниторезистивного эффекта привели к созданию более чувствительных головок, способных регистрировать намагниченность уменьшившихся битов.
Несмотря на бурный рост возможностей устройств хранения данных на магнитных носителях физические основы магнитной записи и стирания остаются неизменными.
Физические основы магнитной записи и стирания информацииВ качестве среды записи в магнитных носителях выступают ферромагнетики, отличительной особенностью которых является наличие микроскопических однородно намагниченных объемов вещества, называемых доменами. В отсутствие внешнего поля хаотично ориентированные магнитные моменты отдельных доменов взаимно компенсируют друг друга, поэтому результирующее поле ферромагнетика близко к нулю.
Зависимость намагниченности ферромагнитных материалов от внешнего магнитного поля имеет нелинейный характер и описывается так называемой петлей гистерезиса (рис.1).
Рис. 1. Петля гистерезиса ферромагнетика
При включении внешнего магнитного поля H домены, направление спонтанной намагниченности которых совпадает с направлением поля, начинают увеличиваться в размерах, что приводит к отличной от нуля результирующей намагниченности М. При увеличении поля ферромагнетик переходит в состояние насыщения, при котором дальнейшее возрастание поля уже не приводит к изменениям в его доменной структуре и росту его намагниченности. В этом состоянии, которое характеризуется намагниченностью насыщения Ms, магнитные моменты всех доменов ориентированы одинаково, вдоль направления внешнего магнитного поля. Если намагниченный до насыщения образец начать размагничивать, уменьшая внешнее поле, то из-за необратимого смещения границ доменов даже в его отсутствие сохраняется некоторая намагниченность Mr, называемая остаточной.
Использование зависимости остаточного намагничивания ферромагнитных материалов от величины внешнего намагничивающего поля и лежит в основе процесса записи информации на магнитные носители. Запись информации осуществляется путем последовательного воздействия внешнего магнитного поля, изменяющегося по закону информационного сигнала, на различные участки носителя, а её считывание - путем последовательной регистрации остаточного намагничивания этих участков.
При пропускании тока через обмотку записывающей головки вокруг нее возникает магнитное поле рассеяния, которое воздействует на прилегающую к ней область ферромагнитного рабочего слоя движущегося магнитного носителя. Под воздействием этого поля происходит переориентация элементарных магнитных полей доменов. Домены, намагниченность которых ориентированы вдоль направления внешнего поля, начинают расти, поглощая соседние, состояние которых менее энергетически выгодно. После прекращения воздействия поля записи изменения в размерах и ориентации магнитных доменов частично сохраняются. При периодическом изменении поля записи в рабочем слое носителя возникает цепочка чередующихся участков с противоположными направлениями намагниченности, которые соприкасаются друг с другом одноименными полюсами (рис.2в).
а) Ток записи
б) Изменения намагниченности
в) Распределение намагниченности
г) Напряжение считывания
Таким образом формируется магнитная сигналлограмма - последовательность намагниченных участков на рабочей поверхности носителя, однозначно соответствующая временному распределению амплитуд информативного сигнала. Именно это пространственное распределение зон остаточной намагниченности регистрирует затем головка считывания. Следует отметить, что в цифровой магнитной записи при считывании детектируются не сами зоны остаточной намагниченности той или иной полярности, а переходы между ними (рис. 2г).
Задача уничтожения информации на магнитном носителе, заключающаяся в разрушении созданных при записи следов остаточной намагниченности, решается либо перемагничиванием носителя, либо намагничиванием его до состояния насыщения.
На практике первое решение (перемагничивание) реализуют применением специальных головок стирания, которые воздействуют на носитель постоянным или переменным магнитным полем. В технике цифровой магнитной записи, в частности в жестких дисках, головка стирания, как правило, не используется - новая информация записывается непосредственно поверх старой, затирая ее. Эти способы достаточно просты, но, кроме значительных затрат времени (сопоставимых со временем записи), они не обеспечивают высокой надежности уничтожения информации. Возможными причинами этого могут быть недостаточно высокий уровень стирающего поля, несовпадение форматов записи и стирания, неточность позиционирования головки в последовательных циклах записи, дефекты носителей и головок и др.
Для решения второй задачи (намагничивания магнитных носителей до состояния насыщения) обычно используются специализированные устройства - намагничиватели, принцип действия которых состоит в воздействии на носитель одним или серией мощных импульсов магнитного поля. Напряженность создаваемого намагничивателем поля может изменяться в зависимости от типа накопителя, но она всегда превышает значение поля насыщения Hs для конкретного материала рабочего слоя. Поэтому носитель равномерно намагничивается до насыщения по всей поверхности, что обеспечивает полное уничтожение информации. Недостатком такого подхода является то, что некоторые типы накопителей, например, жесткие диски, при таком воздействии выходит из строя и дальнейшее их использование становится невозможным.
Методы визуализации магнитных полей носителей
В некоторых случаях, например, в случае гарантийной замены неисправного накопителя, содержащего конфиденциальную информацию, необходимо существование уверенности в том, что информация гарантированно уничтожена. Под гарантированным уничтожением информации с магнитного носителя будем понимать такое изменение его магнитной структуры, при котором невозможно считывание информации стандартными средствами накопителя, а ее восстановление с помощью специальных средств и методов экономически нецелесообразно. Таким образом, чтобы оценить надежность удаления данных, необходим инструмент, позволяющий зарегистрировать и измерить происходящие в процессе уничтожения изменения.
Задача гарантированного уничтожения информации встает далеко не перед каждым пользователем. А вот восстанавливать информацию приходилось многим. Обычно утерянные в результате ошибок оператора или действия вирусов данные восстанавливают с помощью специализированных утилит. Задача усложняется при выходе накопителя из строя. В случае неисправности его электронных компонентов ее можно решить заменой микросхемы, перепрошивкой firware и т.п. Если же повреждены рабочие поверхности, то стандартными методами восстановить информацию практически невозможно. Как и в случае гарантированного уничтожения, необходим инструмент, который обеспечил бы доступ к информации на физическом уровне.
Таким инструментом являются методы визуализации магнитных полей рассеяния, позволяющие создавать визуальное представление рабочих поверхностей носителя с разрешением, достаточным для побитового исследования информации. В настоящее время разработано более десяти различных методов визуализации. В отличие от принятого в технике магнитной записи трактования понятия «сигналограмма» как временного распределения амплитуд сигнала записи/считывания, техника визуализации данных на магнитных носителях использует другой подход. Под магнитной сигналограммой понимается пространственное распределение амплитуд остаточной намагниченности, что дает возможность «увидеть» данные на носителе. В этой статье рассмотрены те методы визуализации, которые наиболее часто используются для исследования магнитных полей рассеяния магнитных носителей.
Метод Биттера
Это самый старый из известных методов визуализации магнитных полей. Ф. Биттер использовал его для исследования магнитной структуры материалов еще в 1930г., когда еще не была сформирована теория магнитных доменов, поэтому в публикациях говорилось просто о неоднородностях в ферромагнетиках.
Рис. 3. Изображения доменов в монокристалле железа
То, что на полученных Биттером изображениях (рис. 3) были действительно домены, только в 1949г. доказали ученые одной из исследовательских лабораторий «Белл компани».
Чтобы понять суть метода, достаточно вспомнить известный школьный эксперимент, в котором на лист бумаги насыпают железных опилок, а внизу располагают магнит. В результате можно «увидеть» магнитное поле магнита, поскольку опилки выстраиваются вдоль его силовых линий.
Биттер усовершенствовал эту технологию, применив вместо опилок коллоидную суспензию магнитных частиц, каждая из которых по форме напоминает микроскопическую иглу размерами всего несколько микрон. Пребывая во взвешенном состоянии и практически не испытывая трения, такие частицы могут быстро переориентироваться в зависимости от направления приложенного поля. Если нанести на намагниченную поверхность тонкий слой суспензии, они концентрируются вдоль участков образца, где намагниченность меняет свой знак, формируя так называемые картины Биттера, которые можно наблюдать с помощью оптического микроскопа. Для достижения большего контраста образец иногда помещают в небольшое внешнее магнитное поле, направленное вдоль его поверхности.
Разрешение метода определяется, в основном, размерами магнитных частиц и составом раствора, и в меньшей мере разрешающей способностью используемого микроскопа. Раньше приготовление суспензии было одним из сложнейших этапов подготовки и проведения эксперимента - получение продукта с заданными характеристиками требовало терпения и специальных навыков исследователя. Сейчас ее изготовление поставлено на промышленную основу. В лучших образцах коммерческих суспензий размеры магнитных частиц составляют порядка 10 нм, что лежит за пределом разрешающей способности оптических микроскопов. При проведении исследований с использованием таких суспензий оптические микроскопы заменяют электронными, а разрешение метода в этом случае достигает 100 нм.
Позволяя быстро и с достаточно высоким разрешением визуализировать магнитные поля, метод Биттера в то же время имеет существенный недостаток - удалить магнитную суспензию с намагниченной поверхности абсолютно невозможно, т.е. метод Биттера является разрушающим. Тем не менее, он широко применяется на практике в приложениях контроля и оценки эффективности уничтожения информации, хранящейся на магнитных носителях. Компания ЕПОС использовала этот метод при исследовании надежности уничтожения информации на жестких дисках станцией комплексного технического обслуживания накопителей СКТО НЖМД.
Описание эксперимента
На пластину жесткого диска с помощью шприца наносится пара капель коллоидной суспензии частиц Fe2O3. Затем с помощью специального покровного стекла суспензия размазывается тонким слоем по ее поверхности, на которой в отраженном свете проявляется магнитный контраст (рис. 4). Его, в принципе, достаточно, чтобы даже невооруженным взглядом оценить наличие или отсутствие информации - на рисунке четко видны сервометки, разделяющие диск на сектора.
 |  |
| a) | б) |
При 800-кратном увеличении оптического микроскопа становятся четко различимы отдельные сервометки, несколько хуже выделяются дорожки с данными, записанные более слабым полем (рис. 5а). Затем диск был помещен в камеру размагничивания СКТО НЖМД, где на него в течение 0,1 сек воздействовал мощный импульс магнитного поля напряженностью 350кА/м. Этот импульс намагнитил поверхность пластины диска до состояния насыщения, полностью уничтожив на нем все данные, даже служебную разметку (рис. 5б).
 |  |
| a) | б) |
а) исходное изображение;
б) изображение после воздействия импульсного магнитного поля.
Таким образом, метод Биттера представляет собой недорогой и эффективный способ контроля уничтожения информации, обеспечивающий возможность работы даже с современными высокоплотными накопителями. К его достоинствам можно также отнести возможность визуализировать большие участки рабочих поверхностей магнитных носителей, что позволяет за один цикл измерений получить полное изображение пластины жесткого диска или дискеты. Практическое применение метода ограничивается его разрушающим воздействием, т.е. после «просмотра» носителя использовать его по прямому назначению (для хранения данных) уже нельзя.
Магнитооптические методы
Магнитооптические методы визуализации, в отличие от предыдущего метода, не являются разрушающими, они основаны на явлении поворота плоскости поляризации отраженного от намагниченного материала (эффект Керра) или проходящего через магнитооптическую среду (эффект Фарадея) света. Среди них наиболее перспективными для исследования магнитных носителей являются методы визуализации магнитных полей носителей при использовании пленок феррит-гранатов.
Основным элементом устройства визуализации на феррит-гранатовых пленках является магнитооптический кристалл (МОК), осуществляющий преобразование магнитных полей рассеяния носителя в световое распределение, соответствующее их величине и положению в пространстве. Его структура приведена на рис. 6.
Рис. 6. Структура магнитооптического кристалла
Пленка феррит-гранатов выращивается на подложке из галий-гадолиниевого граната, верхняя грань которого просветляется для увеличения контраста наблюдаемой картины. Снизу на кристалл наносится зеркальнозащитный слой для увеличения его износостойкости и коэффициента отражения.
В отсутствие внешнего магнитного поля в МОК существует пространственная лабиринтная доменная структура, причем направления намагниченности в соседних доменах противоположны и перпендикулярны поверхности кристалла. В отличие от ферромагнетиков, локальное намагничивание пленки феррит-гранатов во внешнем поле происходит путем вращения вектора магнитного момента, а не смещения доменных границ. Поэтому при помещении кристалла в магнитное поле он быстро перестраивается в соответствии с его пространственными и амплитудными характеристиками, а после снятия поля возвращается в невозмущенное (исходное) состояние.
На рис. 7 представлен вариант схемы МО визуализации, работающей в отраженном свете.
Рис. 7. Магнитооптическая визуализация в отраженном свете
Свет от источника собирается конденсорной линзой, проходит через поляризатор и, отражаясь от полупрозрачного зеркала, попадает на МО кристалл, прижатый к поверхности исследуемого носителя. Его поле рассеяния воздействует на феррит-гранатовую пленку и перестраивает в ней лабиринтную доменную структуру в соответствии со структурой сигналограммы. Поэтому поляризованный свет, проходя через МОК, вследствие эффекта Фарадея поворачивает плоскость поляризации в зависимости от того, через какой домен кристалла проходит свет. После отражения от зеркальнозащитного слоя свет снова проходит через кристалл, и плоскость его поляризации опять поворачивается на тот же угол и в ту же сторону, что и при первом прохождении. Таким образом, двойное прохождение света через МОК удваивает угол поворота плоскости поляризации света, увеличивая тем самым чувствительность к магнитному полю. Отраженный от зеркальнозащитного слоя свет проходит через полупрозрачное зеркало и анализатор (поляризационный фильтр), преобразующий модуляцию света по плоскости поляризации в модуляцию света по интенсивности, которая затем регистрируется оптическим устройством наблюдения.
Пространственное разрешение магнитооптического метода визуализации на пленках феррит-гранатов лежит в пределах от долей до единиц микрон и достигает максимума при минимальном расстоянии между кристаллом и поверхностью носителя, что объясняется быстрым затуханием поля рассеяния при увеличении этого расстояния. Из-за достаточно высокой жесткости магнитооптического кристалла его сложно плотно прижать его к поверхности пластины жесткого диска, что приводит к снижению разрешения, поэтому метод используется преимущественно для изучения низкоплотных гибких магнитных носителей, таких как дискеты и магнитные ленты.
В настоящее время магнитооптический метод на пленках феррит-гранатов используется для восстановления информации, исследования подлинности и контроля целостности магнитных записей. Общеизвестна уязвимость дискет к различного рода дефектам и внешним магнитным воздействиям. При малейших нарушениях структуры дорожек записи информацию с таких носителей считать стандартными средствами уже нельзя. Магнитооптические методы, действуя на более низком уровне, позволяют восстановить казалось бы утерянные данные. На рис. 8 приведен пример повреждения структуры магнитной сигналограммы гибкого диска, поддающийся восстановлению с помощью магнитооптических методов.
Рис. 8. Повреждения дорожек, восстанавливаемые МО методами
Несмотря на повреждения фрагментов дорожек записи, делающие невозможным считывание при помощи дисковода, физически информация сохранилась, что обеспечивает возможность ее восстановления.
Нередко случается, что утрата информации происходит по вине пользователя. Удалив случайно файл или папку, он начинает пробовать восстановить данные с помощью общедоступных утилит. При неквалифицированном подходе это может только навредить - поверх восстанавливаемых данных записываются новые, что значительно осложняет процесс восстановления, так как штатными средствами носителя считать такую информацию практически невозможно. Из-за неточности позиционирования головок записи дорожки в последовательных циклах записи никогда точно не накладываются, что приводит к возникновению зон остаточной информации на краях дорожки (рис. 9). Визуализировав такие зоны, можно восстановить удаленную информацию.
Рис. 9. Восстановление предыдущей записи.
1,2 - остатки предыдущих записей; 3 - новая запись
В структуру многих форматов записи заложено существование междорожечных защитных промежутков, предотвращающих наложение и взаимное влияние дорожек. Информация считывается только с информационных дорожек, а сигнал от междорожечных промежутков рассматривается как шум и, соответственно, подавляется. Поэтому, если с помощью специальной головки записать в защитном интервале некие (конфиденциальные) данные, то стандартными устройствами они считываться не будут, что дает возможность маскировать их записью несекретной информации. Пример такой несанкционированной записи приведен на рис. 10. Дорожки 1 и 2 соответствуют формату записи, а между ними более тонкой головкой сделана несанкционированная запись 2.
Рис. 10. Несанкционированная запись в междорожечном промежутке.
1,3 - форматные дорожки; 3 - несанкционированная запись в междорожечном промежутке
Обзор других возможностей и областей применения МО методов и средств дан в работе [3].
Более высокого разрешения (до 100 нм) позволяет достичь еще один магнитооптический метод визуализации магнитных полей - микроскопия Керра. В таком микроскопе поворот плоскости поляризации светового пучка происходит не при прохождении МО кристалла, а при его отражении непосредственно от рабочей поверхности носителя. Однако полученные с помощью микроскопа Керра изображения имеют более низкий контраст, а стоимость оборудования значительно выше, поэтому на практике для исследования магнитных носителей чаще используют магнитооптический метод визуализации на феррит-гранатовых пленках.
Магнитная силовая микроскопия
Магнитная силовая микроскопия (МСМ) - это одна из самых «молодых» технологий визуализации магнитных полей и, в то же время, одна из наиболее перспективных. Несмотря на сложность используемых физических принципов, работу магнитного силового микроскопа можно легко объяснить, проведя аналогию с патефоном. Как и в патефоне, в таком микроскопе тонкая игла движется по некой «дорожке», цепляясь за «неровности» магнитного рельефа образца. Но, в отличие от патефона, отклонения иглы скрывают в себе не музыку, а картину поля рассеяния.
На пространственное разрешение магнитного силового микроскопа влияют множество факторов: выбор зонда, чувствительность электронной схемы, используемый режим измерений и др. Типичные МСМ имеют разрешение 30 нм, некоторые модели позволяют достичь значения 10 нм. Но такое высокое разрешение имеет и негативную сторону - довольно сложно позиционировать участок измерения на образце, а размеры получаемых изображений составляют всего от единиц до десятков микрон (рис. 11).
Рис. 11. МСМ изображение поверхности жесткого лиска. Размер «скана» 70х70мкм.
Метод не обеспечивает высокую скорость получения результатов, но дает возможность их количественной оценки. Поскольку МСМ изображения содержат информацию как о топографии, так и о магнитных свойствах поверхности, то для правильной их интерпретации необходимо выделить из общей картины магнитную составляющую. Эта задача требует сложных вычислений, но в большинстве современных микроскопов она решается во встроенном контроллере.
В настоящее время благодаря высокой чувствительности и разрешению магнитная силовая микроскопия становится одним из наиболее популярных инструментов для исследования ферромагнитных материалов. Единственным сдерживающим фактором является высокая стоимость измерительных устройств, которая может доходить до полумиллиона долларов.
Заключение
Методы визуализации магнитных полей являются эффективным инструментом исследования магнитных носителей информации. С развитием технологий магнитной записи область их применения все расширяется. Метод Биттера позволяет осуществлять быстрый и эффективный контроль уничтожения информации, обеспечивая визуализацию даже современных высокоплотных жестких дисков. Магнитооптические методы, обладающие более низким разрешением, используются для восстановления информации и контроля несанкционированных записей преимущественно гибких магнитных носителей с низкой плотностью записи. Магнитная силовая микроскопия, обеспечивающая субмикронное разрешение, используется для исследования магнитных характеристик носителей и головок, при разработке новых материалов для магнитной записи.
В табл. 1 приведены основные характеристики рассмотренных методов визуализации, позволяющие принять решение об их использовании для анализа конкретного магнитного носителя.
Таблица 1. Основные характеристики методов визуализации магнитных полей
| Методы Биттера | Магнитооптические методы | МСМ | |
| Макс. разрешение | 100 нм | 100 нм | 10 нм |
| Типичное разрешение | 400 нм | 500 нм - 2 мкм | 40 нм |
| Время | 0,03 сек | 10-8 - 1 сек | 1 сек - 10 мин |
| Толщина образца | нет ограничений | нет ограничений | нет ограничений |
| Внешнее поле | нет ограничений | нет ограничений | 800 кА/м |
| Работа на воздухе | + | + | + |
| Возможность количественной оценки | - | + | + |
| Сложность | низкая | средняя | средняя |
Когда затрагиваются вопросы восстановления информации, оценки эффективности ее уничтожения, контроля несанкционированных записей, во многих случаях речь идет о конфиденциальной информации, составляющей государственную или коммерческую тайну. Работа с информацией такой категории должна регламентироваться государством, однако украинские законодатели, занятые политической борьбой, до сих пор не создали правовой базы, регулирующих эти вопросы, что во многих случаях ограничивает практическое применение методов визуализации.
Статья опубликована на сайте: 30.05.2012