книги из ГПНТБ / Миловзоров, В. П. Электромагнитные устройства автоматики учебник

дования показали [2.9], что предварительно доведенный до насыще­ ния образец пленки после снятия поля остается, как правило, в одно­ доменном состоянии не только по толщине, но и по всей площади плен­ ки (рис. 12.11, а). Необходимо близкое к критическому значение поля противоположной полярности, чтобы образовались зародыши доменов с намагниченностью, направленной в противоположную сторону ( они

Рис. 12.1 і. Доменная структура при перемагничивании тон­ копленочного образца

отмечены на рис. 12.11, б частой штриховкой). Обычно зародыши возникают на краях пленки, и при напряженностях, приблизительно равных критической, происходит их сильный рост (рис. 12.11, в), в ре­ зультате которого вся пленка переходит в новое однодомённое состоя­ ние (рис. 12.11, г). На рис. 12.12, а приведен один из квадрантов астро­ иды, где показаны области значений напряженности внешнего поля

Рис. 12.12. Области перемагннчивания тонкой пленки:

'/ — когерентным вращением; / / — некогерентным вращением; /// — смете* нисм границ

(в относительных проекциях 1іл и hT), которым соответствует различный преобладающий характер перемагннчивания для реальных пленок.

Скорость перемагннчивания пленки за счет смещения границ про­ исходит относительно медленно и составляет единицы микросекунд. При некогерентном вращении этот процесс осуществляется быстрее в десятки и сотни раз. Перемагничивание когерентным вращением самое быстрое и происходит за единицы наносекунд.

290

записи, поданного в момент спадания импульса hT и создающего напря­ женность + hji или —hji. Одна полярность соответствует единице, другая — нулю запоминаемого числа. Величина необходимой напря­ женности кл зависит от hT и может быть определена по астроиде. При считывании информации, например, подачей нового импульса hT век­ тор намагниченности, отклоняющийся из положения а = 0 или а = = 180° к положению а = 90°, наводит в выходной обмотке щВЬІХ э. д. с. той или иной полярности в зависимости от хранившегося в элементе числа. Величины hjj и hT можно подобрать так, что после считывания информация стираться не будет.

Схема конструкции такого ЗУ показана на рис. 12.14, а. Набор чис­ ловых линеек ДЮЗУ типа 2 D можно выполнить как с одним, так и с двумя пятнами на бит, подобно МОЗУ на кольцевых сердечниках.

дили при условии, что такой элемент находился во внешнем поле с на­ пряженностью, одинаковой во всех точках пленки.

В схеме ЗУ, приведенной на рис. 12.14, а., внешнее поле создается током, протекающим по проводу-шине, расположенному на некотором расстоянии над пленкой. Такое поле очень неравномерно, и это надо учитывать при выборе формы тонкопленочного элемента.

292

г)

Рис. 12.14. Конструктивные схемы ЗУ на тонких пленках

на быть достаточна, чтобы создать требуемую напряженность в точке наиболее удаленной от проводника. ’

Таким образом, тонкопленочные элементы целесообразно выпол­ нять не круглой, а прямоугольной формы, которая позволяет при та­ ком же размере элемента вдоль проводника разместить наибольший объем ферромагнитного материала в зоне, где напряженность еще до­

статочна для перемагничивания, и этим повысить величину выходного сигнала при считывании.

Помимо этого экспериментально установлено, что погрешность в расположении осей легкого намагничивания отдельных элементов

уменьшается, если прямоугольные элементы вытянуты вдоль оси тпѵлного намагничивания.

На основании изложенного можно сделать вывод, что конструкция

показанная на рис. 12.14, в, обладает лучшими характеристиками чем конструкция рис. 12.14, а.

В плоских тонкопленочных элементах для изготовления обмоток может быть применен печатный монтаж.

Увеличению сигнала при считывании способствует замыкание маг­ нитного потока через соседнюю с основной плоскую пленку, напылен­ ную на другой подложке и расположенную так, чтобы проводникишины находились между основной и замыкающей пленками.

Кроме рассмотренных плоских магнитных пленок не менее перспек­ тивны цилиндрические магнитные пленки, которые напыляют или осаж­ дают электролитическим способом на посеребренную наружную по­ верхность стеклянных трубочек, внутри которых располагают уп­ равляющие провода, либо непосредственно на медную проволоку.

Цилиндрическая форма пленки обладает рядом преимуществ Ьлагодаря такой форме достигается хорошее магнитное сцепление между обмотками и пленкой, появляется возможность использования

многовитковых обмоток, создающих равномерное поле, обеспечивается замкнутость магнитопровода.

На рис. 12.14, г схематически показан один из элементов такой кон­ струкции—т о р и с т о р. Ось легкого намагничивания пленки на­ правлена по окружности цилиндра. Принцип работы схемы тористопа тот же, что и схем рис. 12.14, а и б. Импульс тока в обмотке wTотклоняет вектор намагниченности в направлении оси цилиндра. Импульс тока

вобмотке w3an, подаваемый в момент окончания импульса обмотки wT

взависимости от знака «подталкивает» вектор намагниченности в на­ правлении или +л, или —Л, и после окончания импульсов этот вектоп

Считывание происходит при подаче нового импульса в wT когда вектор J отклоняется от оси легкого намагничивания Л в сторону осиѴ и наводит в обмотке швых э. д. с. того или иного знака.

294

Замкнутость магнитопровода в устойчивом состоянии (когда век­ тор J направлен по окружности цилиндра) обеспечивает нечувствитель­ ность таких элементов к полям рассеяния соседних элементов, которые появляются в моменты записи и считывания (когда магнитный поток, направленный вдоль оси цилиндра, замыкается по воздуху). Это поз­ воляет выполнять цилиндрические пленки более толстыми, чем пло­ ские пленки и получать почти па порядок выше амплитуду сигналов в выходных обмотках.

Недостатками тонкопленочных элементов являются технологиче­ ские трудности их изготовления, чувствительность к механическим на­ пряжениям, а также относительно большая емкостная связь между рядом идущими проводами записи и считывания. Но несмотря на это тонкопленочные магнитные элементы являются перспективными уст­ ройствами, позволяющими создавать малогабаритные и экономичные вычислительные машины с временем цикла запись — считывание по­ рядка 100—200 нсек.

§ 12.7. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ТОНКИХ МАГНИТНЫХ ПЛЕНКАХ

Наряду с использованием тонких магнитных пленок в запоминающих устройствах ведутся исследования по возможности построения на их основе ло­ гических схем.

Одним из наиболее реальных направлений является использование узких полосок магнитной пленки с продольной осью легкого намагничивания [2.10І, окруженных материалом со значительно большей, чем у пленок коэрцитивной

А

4

til

Б

ff)

Рис. 12.15. Варианты узлов логических схем:

а — зарождение нового домена (В) под действием поля одного зуб­

ѳ — объединение двух каналов; г — разветвление канала

силой. Последний способствует устойчивому образованию и продвижению вдоль полоски домёна в виде зубца, что соответствует минимуму магнитостатической энергии при указанной структуре элемента.

Продвижение такого домёна осуществляется внешним полем, направленным так, что оно раздвигает границы, образующие зубец, и проводит домён к посту­ пательному движению в направлении зубца. Противоположное поле, сближая границы, продвигает домён в другую сторону. Если внешнее поле приложено под

295

некоторым углом к оси легкого намагничивания, то зубец домена будет продви­ гаться также под углом к этой оси, но меньшим, чем угол, составленный осью

с внешним полем.

Зубцы доменов создают поля рассеяния, взаимодействие которых подобно полюсам магнита: разноименные зубцы притягиваются, стремясь слиться и об­ разовать единый домен, а одноименные отталкиваются. Поэтому домен одной полоски может индуцировать домен в другой полоске с противоположным направ­

лением намагниченности.

На рис. 12.15 показано несколько вариантов узлов элементарных логичес­ ких схем на тонких магнитных пленках.

§ 12.8. О С О Б Е Н Н О С Т И Ф Е Р Р И Т О В Р Е Д К О З Е М Е Л Ь Н Ы Х М Е Т А Л Л О В И И Т Т Р И Я

Одним из перспективных направлений в развитии элементов маг­ нитной техники, предназначенных для хранения и обработки инфор­ мации в виде двоичного кода, является исследование и создание эле­ ментов, основанных на перемещении и взаимодействии магнитных до­ менов в монокристаллической однородной магнитной среде.

Малые размеры магнитных домёнов (единицы и десятки микрон), большая подвижность доменных границ, возможность осуществления разнообразных логических элементов и их изготовление интегральной и тонкопленочной технологией роднят магнитные элементы этого типа с микроэлектроникой. Причем, как в микроэлектронике, требуются высокая чистота и однородность монокристаллической структуры маг­ нитной среды.

Основой магнитных элементов, принципы создания которых рас­ сматриваются в следующих параграфах, являются монокристаллы редкоземельных металлов и элемента иттрия. Редкоземельные метал­ лы и иттрий образуют ферриты двух групп.

Первая группа, называемая о р т о ф е р р и т а м и , характери­ зуется общей формулой Ме20 3 • Fe20 3 (MeFe03), где Me — атомы ука­ занных элементов. Ортоферриты обладают структурой, изображенной на рис. 12.16. Находят применение как одноэлементные, так и сме­ шанные ортоферриты (биферриты редкоземельных металлов).

Вторую группу называют ф е р р и т а м и - г р а н а т а м и , так как ее кристаллы имеют структуру минерала граната (более сложную, чем ортоферриты), элементарная ячейка которой содержит 96 атомов кислорода, 24 атома названных элементов и 40 железа. Общая формула ферритов-гранатов (Ме03)3 (Fe20 3)5.

Обе группы материалов относятся к ферритам с относительно сла­ быми магнитными свойствами (индукция насыщения порядка 1,0 стл), которые определяются разностью намагниченностей пары почти антипараллельных спиновых систем. Кристаллы имеют единственное на­ правление легкого намагничивания и обладают сильной одноосной ани­ зотропией.

Элементы, принцип создания которых рассмотрен далее, целесооб­ разно называть монокристаллическими доменными магнитными эле­ ментами. Их называют также интегральными магнитными элемен­ тами или просто ортоферритами.

296

Основа монокристаллических домённых элементов представляет собой пластинку толщиной в несколько сотых миллиметра, вырезан­ ную из монокристалла ортоферрита или феррита-граната таким обра­ зом, что ось легкого намагничивания перпендикулярна плоскости пла­

стинки. Монокристаллы обычно выращивают из расплава феррита в окиси свинца.

При охлаждении пластинки ортоферрита, предварительно нагретой выше точки Неэля, в ней образуются так называемые л а б и р и н т ­ н ы е или п о л о с о в ы е д о м е н ы (рис. 12.17, а). Если пер­ пендикулярно к поверхности пластинки приложить магнитное поле, называемое п о л е м с м е щ е н и я , то полосовые домены превратят-

Рис. 12.16. Элементарная ячейка ортоферрита:

лишь в ограниченном диапазоне полей смещения. Чрезмерное поле смещения вызывает сжатие и исчезновение доменов; при уменьшении этого поля диаметр доменов увеличивается и, достигая неустойчивого размера, цилиндрические домёны перестраиваются в полосовые.

Устойчивость цилиндрических доменов достигается благодаря дей­ ствию двух противоположных сил. Одна из них обусловлена энергия­ ми поля смещения и доменных границ (эти составляющие стремятся уменьшить соответственно объем домена и площадь доменной границы). Другая обусловлена магнитостатической энергией и стремится увели­

(рис. 12.17, в), Js — намагниченность насыщения ортоферрита и ow — плотность энергии доменной границы, то полную энергию цилиндри­ ческого домена можно записать так 12.12]:

297

где первый член — энергия объема домена в поле смещения, второй — энергия боковой поверхности (границы) домена и третий —магнитоста­

тическая энергия.

Приравняв нулю производную от W по радиусу г и разделив все члены на 4яр0//Л , получим условие равновесного состояния домена

Обозначим второй член выражения (12.18) через напряженность поля Hw, вносимую энергией доменной границы,[а третий—через напря-

Рис. 12.17. Доменная структура пластинки ортоферрита

женность HD, которую можно рассматривать как некоторую усреднен­ ную напряженность магнитостатического поля, направленную навстре­ чу полю смещения.

Анализ состояния домена удобно провести графически, представив

радиус домена будет увеличиваться, так как магнитостатическая энер­ гия, как указано ранее, стремится увеличить поверхность границы дэмена, а при

домен будет сжиматься.

На рис. 12.18 представлены зависимости слагаемых выражения (12.19) от радиуса домена.

293

При отсутствии пол я смещения, т. е. Н = 0 (рис. 12.18, а), сущест­ вует одна точка пересечения /. Однако она соответствует неустойчи­ вому состоянию домена. В самом деле, при отклонении радиуса домена от равновесного состояния гх до значения rt возникает неравенство (12.20) и домен будет продолжать расти пока структура не превратится в структуру с полосовыми доменами.

Рис. 12.18. Определение устойчивости цилиндрического домена

При наличии поля смещения (рис. 12.18, б) появляется точка 2, удовлетворяющая так же, как и /, условию (12.19). Нетрудно убе­

при котором возможно появление устойчивого домена наименьшего диаметра, равного 1,2 ld. При отклонении толщины пластинки от этого размера наименьший диаметр, как показано на рис. 12.19, возрастает.

В табл. 12.1 приведены экспериментальные и вычисленные пара­ метры некоторых одноэлементных и смешанных ортоферритов.

299