Методы визуализации магнитных полей носителей информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методы визуализации магнитных полей носителей информации

С.Р. Коженевский

Рассмотрены современные методы визуализации магнитных полей рассеяния магнитных носителей информации и их приложения в технике цифровой магнитной записи. Приведены описание и результаты эксперимента по оценке эффективности уничтожения информации методом Биттера. визуализация магнитное поле биттер

Ключевые слова: визуализация, магнитный носитель, магнитная запись, метод Биттера, коллоидная суспензия, магнитооптический метод, визуализация на пленках феррит-гранатов, магнитооптческий кристалл, магнитная силовая микроскопия, восстановление информа-ции, уничтожение информации.

Информация, будь то игры, рабочие документы или корпоративная база дан-ных, является самой важной составляющей любой компьютерной системы. Еже-годно человечество производит порядка 5 экзабайт (5 миллиардов Гбайт) ориги-нальной информации, из этого огромного количества более 80 % передается и сохраняется при непосредственном участии накопителей, использующих принципы магнитной записи [1]. Для сравнения, 1 Мбайт данных соответствует приб-лизительно 300 стандартным текстовым страницам формата А4. При плотности записи 300 Гбайт/кв. дюйм, анонсированной недавно компанией Toshiba, на по-верхности 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 от-сутствием в настоящее время технологий, которые могли бы стать реальной аль-тернативой магнитному хранению информации. По оценкам аналитиков, в обоз-римом 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, обладаю-щие высокой степенью однородности формы и размеров магнитных доменов, что позволило существенно снизить уровень структурного (магнитного) шума носи-теля и, вследствие этого, повысить плотность записи. Исследования магниторе-зистивного эффекта привели к созданию более чувствительных головок, способ-ных регистрировать намагниченность уменьшившихся битов.

Несмотря на бурный рост возможностей устройств хранения данных на маг-нитных носителях физические основы магнитной записи и стирания остаются неизменными.

Физические основы магнитной записи и стирания информации

В качестве среды записи в магнитных носителях выступают ферромагнетики, отличительной особенностью которых является наличие микроскопических одно-родно намагниченных объемов вещества, называемых доменами. В отсутствие внешнего поля хаотично ориентированные магнитные моменты отдельных доме-нов взаимно компенсируют друг друга, поэтому результирующее поле ферромаг-нетика близко к нулю.

Зависимость намагниченности ферромагнитных материалов от внешнего маг-нитного 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 спонтан-ной намагниченности которых совпадает с направлением поля, начинают увели-чиваться в размерах, что приводит к отличной от нуля результирующей намагни-ченности М. При увеличении поля ферромагнетик переходит в состояние насыще-ния, 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 до-менов 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 от-сутствие сохраняется некоторая намагниченность Mr, называемая остаточной [2].

В основе процесса записи информации на магнитные носители лежит исполь-зование зависимости остаточного намагничивания ферромагнитных материалов от величины внешнего намагничивающего поля. Запись информации осуществ-ляется путем последовательного воздействия внешнего магнитного поля, изменя-ющегося по закону информационного сигнала, на различные участки носителя, а ее считывание -- путем последовательной регистрации остаточного намагничи-вания этих участков.

При пропускании тока через обмотку записывающей головки вокруг нее воз-никает 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 ориентирована вдоль направ-ления внешнего поля, начинают расти, поглощая соседние, состояние которых ме-нее энергетически выгодно. После прекращения воздействия поля записи изме-нения в размерах и ориентации магнитных доменов частично сохраняются. При периодическом изменении поля записи в рабочем слое носителя возникает це-почка чередующихся участков с противоположными направлениями намагничен-ности, которые соприкасаются друг с другом одноименными полюсами (рис. 2в).

а)

б)

в)

г)

Рис. 2. Эпюры сигналов записи, считывания и зоны смены знака намагниченности в носителе:

а) ток записи; б) изменение намагниченности; в) распределение намагниченности;

г) напряжение считывания

Таким образом формируется магнитная сигналлограмма -- последователь-ность намагниченных участков на рабочей поверхности носителя, однозначно соответствующая временному распределению амплитуд информативного сигнала. Именно это пространственное распределение зон остаточной намагниченности регистрирует затем головка считывания [2]. 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 (сопоста-вимых со временем записи), они не обеспечивают высокой надежности унич-тожения информации. Возможными причинами этого могут быть недостаточно высокий уровень стирающего поля, несовпадение форматов записи и стирания, неточность позиционирования головки в последовательных циклах записи, дефек-ты 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 создавае-мого намагничивателем поля может изменяться в зависимости от типа накопи-теля, но она всегда превышает значение поля насыщения Hs для конкретного материала рабочего слоя. Поэтому носитель равномерно намагничивается до на-сыщения по всей поверхности, что обеспечивает полное уничтожение инфор-мации. Недостатком такого подхода является то, что некоторые типы накопи-телей, 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 сущест-вование уверенности в том, что информация гарантировано уничтожена с магнит-ного носителя. Под этим будем понимать такое изменение его магнитной струк-туры, при котором невозможно считывание информации стандартными средст-вами накопителя, а ее восстановление с помощью специальных средств и методов экономически нецелесообразно. Таким образом, чтобы оценить надежность уда-ления данных, необходим инструмент, позволяющий зарегистрировать и изме-рить происходящие в процессе уничтожения изменения.

Задача гарантированного уничтожения информации встает далеко не перед каждым пользователем. А вот с проблемой ее восстановления приходилось стал-киваться многим. Обычно утерянные в результате ошибок оператора или дейст-вия вирусов данные восстанавливают с помощью специализированных утилит. Задача значительно усложняется при выходе накопителя из строя. В случае не-исправности его электронных компонентов ее можно решить заменой микросхе-мы, 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 ин-формации. В настоящее время разработано более десяти различных методов ви-зуализации. В отличие от принятого в технике магнитной записи трактования понятия «сигналограмма» как временного распределения амплитуд сигнала запи-си/считывания, техника визуализации данных на магнитных носителях исполь-зует другой подход. Под магнитной сигналограммой понимается пространст-венное распределение амплитуд остаточной намагниченности, что дает возмож-ность «увидеть» данные на носителе. В этой статье рассмотрены те методы визуа-лизации, 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 1930 г., когда еще не была сформирована теория магнитных доменов, поэтому в публикациях говорилось просто о неоднородностях в ферромагнетиках.

То, что на полученных Биттером изображениях (рис. 3) были действительно домены, только в 1949 г. доказали ученые одной из исследовательских лабора-торий «Белл компани» [3].

Чтобы понять суть метода, достаточно вспомнить известный школьный экс-перимент, в котором на лист бумаги насыпают железные опилки, а внизу распо-лагают магнит. В результате можно «увидеть» магнитное поле магнита, посколь-ку опилки выстраиваются вдоль его силовых линий.

Биттер усовершенствовал эту технологию, применив вместо опилок коллоид-ную суспензию магнитных частиц, каждая из которых по форме напоминает мик-роскопическую иглу размерами всего несколько микрон. Пребывая во взвешен-ном 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, то частицы кон-центрируются вдоль участков образца, где намагниченность меняет свой знак, формируя так называемые картины Биттера, которые можно наблюдать с по-мощью оптического микроскопа. Для достижения большего контраста образец иногда помещают в небольшое внешнее магнитное поле, направленное вдоль его поверхности [3].

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 ха-рактеристиками 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 невоз-можно, т.е. метод Биттера является разрушающим. Тем не менее, он широко применяется на практике в приложениях контроля и оценки эффективности унич-тожения информации, хранящейся на магнитных носителях. Компания ЕПОС использовала этот метод при исследовании надежности уничтожения информации на жестких дисках станцией комплексного технического обслуживания накопи-телей СКТО НЖМД.

Описание эксперимента

На пластину жесткого диска с помощью шприца наносится пара капель кол-лоидной 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.

а)б)

Рис. 4. Пластина жесткого диска с нанесенной на ней магнитной суспензией: а) исходное изображение; б) то же, увеличение 30

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 помещается в камеру размагничивания СКТО НЖМД, где на него в течение 0,1 сек воздействует мощный импульс магнитного поля напряженностью 350 кА/м. Этот импульс намагни-чивает поверхность пластины диска до состояния насыщения, полностью уничтожая на нем все данные, даже служебную разметку (рис. 5б).

а) б)

Рис. 5. Участок жесткого диска в районе сервометок, увеличение 800: 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 рабо-ты 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 по-лучить полное изображение пластины жесткого диска или дискеты. Практиче-ское 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 метода Биттера, не являются разрушающими, они основаны на явлении поворота плоскости поляри-зации отраженного от намагниченного материала (эффект Керра) или проходя-щего через магнитооптическую среду (эффект Фарадея) света. Среди них наибо-лее перспективными для исследования магнитных носителей являются методы визуализации магнитных полей носителей при использовании пленок феррит-гранатов.

Основным элементом устройства визуализации на феррит-гранатовых плен-ках является магнитооптический кристалл (МОК), осуществляющий преобразо-вание магнитных полей рассеяния носителя в световое распределение, соответ-ствующее 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 наблю-даемой картины. Снизу на кристалл наносится зеркальнозащитный слой для уве-личения его износостойкости и коэффициента отражения [4].

В отсутствие внешнего магнитного поля в МОК существует пространст-венная лабиринтная доменная структура, причем направления намагниченности в соседних доменах противоположны и перпендикулярны поверхности кристалла. В отличие от ферромагнетиков, локальное намагничивание пленки феррит-гра-натов во внешнем поле происходит путем вращения вектора магнитного момента, а не смещения доменных границ [5]. Поэтому при помещении кристалла в магнитное поле он быстро перестраивается в соответствии с его пространственными и амплитудными характеристиками, а после снятия поля возвращается в не-возмущенное (исходное) состояние.

На рис. 7 представлен вариант схемы магнитооптической визуализации, рабо-тающей в отраженном свете [6].

Рис. 7. Магнитооптическая визуализация в отраженном свете

Свет от источника собирается конденсорной линзой, проходит через поля-ризатор и, отражаясь от полупрозрачного зеркала, попадает на МОК, 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 поля-ризации 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 сторо-ну, 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 зеркальноза-щитного слоя свет проходит через полупрозрачное зеркало и анализатор (поляри-зационный 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 дос-тигает максимума при минимальном расстоянии между кристаллом и поверх-ностью носителя, что объясняется быстрым затуханием поля рассеяния при увеличении этого расстояния. Из-за достаточно высокой жесткости магнитоопти-ческого кристалла его сложно плотно прижать 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 [6].

Рис. 8. Повреждения дорожек, восстанавливаемые магнитооптическими методами

Несмотря на повреждения фрагментов дорожек записи, делающие невоз-можным считывание при помощи дисковода, физически информация сохрани-лась, 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, [6]). 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 междорожеч-ных 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 [6]. 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; 2 -- несанкционированная запись в междорожечном промежутке

Обзор других возможностей и областей применения магнитооптических методов и средств дан в работе [4].

Более высокого разрешения (до 100 нм) позволяет достичь еще один магнито-оптический метод визуализации магнитных полей -- микроскопия Керра. В таком микроскопе поворот плоскости поляризации светового пучка происходит не при прохождении МОК, а при его отражении непосредственно от рабочей поверх-ности 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 анало-гию 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. Более подробно конструкция и работа МСМ описаны автором в [7], здесь же мы остановимся на практических аспектах использования метода.

На пространственное разрешение магнитного силового микроскопа влияют множество факторов: выбор зонда, чувствительность электронной схемы, исполь-зуемый режим измерений и др. Типичные МСМ имеют разрешение 30 нм, некото-рые модели позволяют достичь значения 10 нм. Но такое высокое разрешение имеет и негативную сторону -- довольно сложно позиционировать участок изме-рения на образце, а размеры получаемых изображений составляют всего от единиц до десятков микрон (рис. 11).

Метод не обеспечивает высокую скорость получения результатов, но дает возможность их количественной оценки. Поскольку МСМ-изображения содержат информацию как о то-пографии, так и о магнитных свойствах пове-рхности, то для правильной их интерпретации необходимо выделить из общей картины маг-нитную составляющую. Эта задача требует сложных вычислений, но в большинстве сов-ременных микроскопов она решается во вст-роенном контроллере.

В настоящее время благодаря высокой чувствительности и разрешению магнитная си-ловая микроскопия становится одним из наи-более популярных инструментов для исследо-вания ферромагнитных материалов. Единст-венным сдерживающим фактором является высокая стоимость измерительных устройств, которая может доходить до полумиллиона долларов.

Заключение

Методы визуализации магнитных полей являются эффективным инструмен-том исследования магнитных носителей информации. С развитием технологий магнитной записи область их применения все расширяется. Метод Биттера позво-ляет осуществлять быстрый и эффективный контроль уничтожения информации, обеспечивая визуализацию даже современных высокоплотных жестких дисков. Магнитооптические методы, обладающие более низким разрешением, исполь-зуются 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.

Ниже в таблице приведены основные характеристики рассмотренных методов визуализации, позволяющие принять решение об их использовании для анализа конкретного магнитного носителя.

Основные характеристики методов визуализации магнитных полей

Когда затрагиваются вопросы восстановления информации, оценки эффек-тивности ее уничтожения, контроля несанкционированных записей, во многих случаях речь идет о конфиденциальной информации, составляющей государст-венную или коммерческую тайну. Работа с информацией такой категории должна регламентироваться государством, однако украинские законодатели, занятые политической борьбой, до сих пор не создали правовой базы, регулирующей эти вопросы, что во многих случаях ограничивает практическое применение методов визуализации.

Литература

1. Yoshimasa Miura. Information Storage for the Broadband Network Era - Fujitsu's Challenge in Hard Disk Drive Technology // FUJITSU Scientific & Technical Journal. -- 2002. -- № 12. -- Р. 111-125.

2. Лауфер М.В., Крыжановский И.А. Теоретические основы магнитной записи сигналов на движущийся носитель. -- К.: Вища школа, 1982. -- 270 с.

3. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические применения: Пер. с японского. -- М.: Мир, 1987. -- 419 с.

4. Агалиди Ю.С., Левый С.В. Магнитооптические средства для решения задач защиты информации, записанной на магнитных носителях. (http://www.bezpeka.com/)

5. Вишневский В.Г., Михерский Р.М., Дубинко С.В. Отображение неоднородных магнитных полей пленками феррит-гранатов // Журнал технической физики. -- 2002. -- Т. 72. -- Вып. 2. -- С. 96-98.

6. Левый С.В., Вишневский В.Г., Агалидин Ю.С., Дубинко С.В. Магнитооптические средства технической защиты информации / Труды Крымской академии наук (http://www.crimea.edu/).

7. Коженевский С.Р. Методы сканирующей зондовой микроскопии для исследования поверхностей накопителей информации и восстановления данных // Реєстрація, зберігання і оброб. даних. -- 2002. -- Т. 4. -- № 3. -- С. 23-40.

Размещено на Allbest.ru