Как сделать ленту для цифровой записи?
Михаил Халецкий
Цифровая магнитная запись, или другими словами - запись импульсных
сигналов, предполагает, с целью достижения максимально возможной
информативности, организацию тем или иным способом перепада намагниченности
на магнитной ленте (МЛ) минимально возможной протяженности, в
идеале повторяющий по длительность фронты импульса тока при записи.
Для реализации предельной плотности записи при прочих равных
условиях необходимо также добиться осевой симметрии импульсов
воспроизведения, а также определить, каким образом можно изменить
положение перехода намагниченности на МЛ при осуществлении необходимой
коррекции. Без физически наглядной модели процессов при записи
и воспроизведении импульсов и численной оценки этих связей, очевидно,
решение этой задачи может существенно затянуться.
Самой проблеме определению формы перехода намагниченности на
МЛ при импульсном воздействии в магнитной записи посвящено достаточное
число работ, в которых пытаются выявить геометрические и физические
взаимосвязи при записи с использованием, например, графоаналитического
подхода [1] или численных методов [2-8], которые, конечно, ответили
на целый ряд практически значимых вопросов, но только качественно.
Они не выявили аналитических зависимостей, а из-за громоздкости
предложенных методов расчета не могли быть использованы в повседневной
инженерной практике.
Итак, наша цель - определить условия, при выполнении которых
импульс воспроизведения был бы минимальной длительности при предельно
возможной осевой симметрии сигнала воспроизведения, положение
которого при необходимости можно было бы направлено изменять.
Очевидно, что процесс записи импульсных посылок, представляющих
собой некоторую последовательность signum-функций, начинается
с формирования на МЛ переходов намагниченности.
Как известно, форма перехода намагниченности J может быть представлена
аналитическим выражением [9]
Для использования уравнения (1) необходимо определить такие
взаимосвязанные параметры МЛ, как приведенное поле старта hст
и восприимчивость x. Эти величины обычно определяются экспериментально.
Однако предлагаемая методика позволяет связь между hст и определить
аналитически абсолютно строго, освобождая численные решения,
где только это возможно, от неизбежной ошибки эксперимента.
Кривая размагничивания МЛ, как правило, описывается законом
равнобокой гиперболы [10, 11]:
Учитывая существенную линейность (h) [11] и то, что кривые x(h)
практически параллельны касательной в точке остаточной намагниченности
Jr петли гистерезиса по намагниченности, выражение, описывающее
магнитную восприимчивость, можно получить в результате стандартного
вычисления касательной (дифференцируя (2) по h и проняв Нх =
0, т.е. в точке Jr). В результате имеем:
С другой стороны, все приведенные соображения справедливы,
в частности, для восходящей ветви петли гистерезисного цикла.
Естественно, полученный результат должен быть численно равен
уравнению (3).
Уравнение ветвей петли гистерезиса по намагниченности J известно
[12], оно представляется в виде: 
где: ± - знаки, соответственно принадлежащие нисходящей и восходящей
частям петли гистерезиса МЛ.
После проведения необходимых вычислительных операций, определяется
зависимость между коэффициентом (который в дальнейшем будем называть
коэффициентом выпуклости кривой размагничивания) и приведенным
полем старта hст:
Выражение (5) с ошибкой менее 0,5 % аппроксимируется линейной
зависимостью
Далее, подставляя (6) в (3), получаем аналитическую зависимость
между и hст.
Сравнение аналитических зависимостей (2) и (4) с экспериментальными
результатами, полученные при измерениях разнообразных МЛ порошковых
с покрытием гамма-окислом железа, гамма-окислом железа кобальтированной,
диоксидом хрома, металлопорошковых или металлизированных составов
NiCo, NiCoH, NiCoW, полученных как вакуумным распылением, так
и гальваническим осаждением, а также биметаллических МЛ, показало
совпадение аналитического определение петли гистерезиса с экспериментальным
с ошибкой менее 7 % в более, чем 94 % случаев. Из ста двадцати
трёх проведенных измерений параметров и h различных МЛ только
7 имели несходимость с аналитическими зависимостями около 10
%. Как правило, такое несовпадение результатов относилось к таким
экзотическим МЛ как биметаллические МЛ.
Рис.
1. Расчетные переходы намагниченности
Для ещё одного подтверждения правильности представленной физической
картины, теперь уже непосредственно из техники магнитной записи
[5], проведем сравнение результатов расчетов с использованием
итеративной гистерезисной модели с предлагаемым аналитическим
подходом. Для сравнения подобного расчета проведем его для МЛ,
как и в [5], имеющей Jr = 860 Гc, Нс = 260 Э, толщину рабочего
слоя d = 12,5 мкм, S = hст = 0,76 (S - коэффициент прямоугольности,
численное значение которого, как правило, совпадает со значением
относительного поля старта hст), 2 = 1 мкм и физическое расстояние
МЛ-МГ = 0,75 мкм при Но = 3000 Э*. Рис 1 показывает, что разница
результатов достаточно мала (менее 6 %), Это подтверждает возможность
применения предложенных аналитических зависимостей для поиска
условий минимизации перехода намагниченности на импульсное воздействие.
Проведём ещё одно небольшое исследование. Рассмотрим форму
перехода на примере заурядной широко используемой МЛ FUJI SHG,
применяемой в технике бытовой видеозаписи. Ее параметры: Вr =
961 Гс, Нс = 658 Э, d = 4 мкм, hст = 0,782. Видеоголовка (ВГ)
с рабочим зазором 2 = 0.3 мкм, Но = 6Нс.
Рис.
2. Постлойная намагниченность в
рабочем слое МЛ
Общая пространственная картина перехода (рис 2), построенная
в координатах J - X - Y (Y - направление вглубь рабочего слоя
МЛ) представляет собой сложную деформированную крутопадающую
в глубь МЛ поверхность с изменяющейся крутизной вдоль оси Х.
Это явление и вызывает, по всей вероятности, отсутствие центральной
симметрии импульсов воспроизведения (задний фронт импульса воспроизведения
всегда более пологий, чем передний).
Рис.
3. Зависимость перехода намагниченности от поля в зазоре.МЛ:
Нс=658 Э,Br=961 Гс, bст=0,8
Анализ зависимости (1) позволяет ответить на вопрос, сформулированный
в начале настоящей работы: как и в каких пределах можно изменять
положение перехода намагниченности на МЛ. Как показывают расчёты,
изменяя величину токов записи, можно в пределах трети окна детектирования
при современных плотностях записи изменять положение перехода
намагниченности на МЛ (рис. 3).
Влияние на положение перехода намагниченности на МЛ оказывают
и магнитные характеристики рабочего слоя МЛ. На рисунке 4 показано,
в качестве иллюстрации, влияние такого параметра, как hст.
Рис.
4. Зависимость перехода
намагниченности bст
Так какая же должна быть МЛ, которая бы минимизировала длительность
отклика на импульсное воздействие? Априори можно сказать так:
если бы точки перемены знака намагниченности, расположенные в
глубину рабочего слоя МЛ, были сформированы, "стоящими в затылок
друг другу", то задачу можно было бы считать решенной. Как это
сделать?
Проследим путь точки перемены знака намагниченности послойно,
используя уже известную закономерность [9].
Результаты расчёта показаны на рис. 5 при тех интервалах значений
параметра Р, которые охватывают более 95 % реальных ситуаций.
Рис.
5. Положение точки Хо (Р,а)
Как видно из рис. 5, какие бы сочетания магнитных параметров
мы не выбирали, при их постоянстве (т.е. Р = Сonst) никогда точка
хо/ не будет лежать на прямой, перпендикулярной поверхности МГ,
т.е. "стоять в затылок друг другу". Только послойно выполненная
МЛ позволит локализовать зону перехода намагниченности по толщине..
Рис. 5 это прекрасно иллюстрирует. Предположим, что материал,
которым покрыта МЛ насыщается при Но/Нс= 4 и мы задались целью
получить переход намагниченности на расстоянии хо/ = 3,2 во всех
слоях МЛ. Тогда, как следует из рисунка 5, наружный слой МЛ толщиной
а/ = 0,5 должен иметь = 0,13, следующий слой в глубину, тоже
толщиной а/ = 0,5, должен иметь = 0,25…0,26, последний же слой,
толщиной а/ = 1,5…2, должен иметь = 0,38. Если всё сказанное
выразить языком аналитических зависимостей, то, при оговорённых
условиях, послойное изменение магнитной восприимчивости должно
изменяться следующим образом: = 0,11+0,17·а/ . А это значит,
что чем дальше от поверхности, тем магнитная энергоёмкость МЛ
уменьшается. Из несколько иных соображений именно так делаются
двухслойные МЛ, когда поверх слоя гамма окисла железа наносят
слой диоксида хрома (МЛ тип III по МЭК для аудио записи).
Для полноты картины, хотя это и не было предметом исследования
настоящей работы, следует заметить, что для импульсной записи
целесообразна МЛ с тонким рабочим слоем, ибо при современных
размерах зазоров МГ и современных плотностях записи, глубина
промагничивания исчисляется долями микрона или, в крайнем случае,
при очень низких плотностях записи, на уровне одного-полутора
микрон [13].
Анализ закономерности, описывающей переход намагниченности
при единичном импульсном воздействии, позволяет определить основные
требования к МЛ, предназначенных для импульсной записи. Рабочие
слои МЛ должны иметь:
- многослойную структуру с оптимизированными определённым образом
физическими параметрами каждого слоя;
- минимизированную толщину;
- минимальную шероховатость с определённым рельефом поверхности.
Один из возможных путей реализации может лежать в использовании
технологии напыления. Технология напылённых металлизированных
МЛ позволяет создавать рабочие слои, отвечающие запросам именно
импульсной записи, в том числе и многослойную МЛ с соответствующим
законом изменения свойств, который должен быть установлен в каждом
конкретном случае. Послойное изменение свойств может проходить
с шагом, где каждый элементарный слой достигает толщины от долей
до нескольких десятков ангстрем, что обеспечит практически плавное
изменение физических параметров.
Как можно реализовать многослойную МЛ с определённым законом
изменения физических свойств от слоя к слою?
Рис.
6.
Технология напыления несёт в себе возможность управлять формой
петли гистерезиса путём нанесения нескольких слоёв на основу
под углами относительно нормали к поверхности основы, превышающими
60 [14]. На этот приём накладывается ещё одно требование: угол
между проекциями напылений потока осаждаемого материала на основу
для смежных слоёв должен быть противоположного знака. Полученные
по этому способу магнитное покрытие обладает коэрцитивной силы
несколько сот эрстед, а если каждый элементарный слой не будет
превышать толщину в 50 A, то коэффициент выпуклость петли гистерезиса
может достигать величин близких к 1 (рис. 6).
Рис.
7.
Один из приёмов, который поможет создать ленточный носитель
- это использование соответствующего подколпачного оборудования.
Оно представляет собой лентопротяжный механизм-лабиринт с неравномерным
шагом обводных роликов, расположенных по концентрическим окружностям,
в центре которой находится источник распыления (рис. 7). Неравномерный
шаг необходим для того, чтобы углы падения паров осаждаемого
материала были разными и изменялись по определённому закону.
Рис.
8.
Если речь идёт об изготовлении диска, то здесь не нужны столь
значительные объёмы для размещения подколпачного оборудования.
Процесс напыления осуществляется следующим образом. Диск 1 (рис.
8) с приводом вращения 2 устанавливают относительно источника
испарения 3 таким образом, чтобы угол между нормалью к диску
и направлением осаждения пара в зонах осаждения, ограниченных
окнами 5 и 6 экрана 4, составлял угол 60 (так же, как и в первом
случае). Угол между проекциями направлений на диск для каждого
участка диска при его переходе к следующей зоне осаждения находился
в пределах 180 60 . При равномерном вращении диска происходит
последовательное для каждого его участка осаждение слоёв ферромагнитного
материала в зонах, ограниченных окнами 5 и 6. Симметричное расположение
окон относительно испарителя обеспечивает одинаковость скоростей
и времён осаждения каждого слоя. Время осаждения выбирают, исходя
из скорости осаждения, соответствующей нанесению каждого слоя
толщиной не более 50 A путём изменения скорости вращения диска.
При превышении у отдельных слоёв указанной толщины в 50 A, а
также при нарушении равенства толщин этих слоёв, происходит снижение
коэффициента выпуклости петли гистерезиса полученного ферромагнитного
покрытия с появлением характерных изломов на восходящей и нисходящей
ветвях петли гистерезиса. Эти изломы свидетельствуют о том, что
данное покрытие становится в магнитном отношении неоднородным.
Изменение угла напыление для получения отличающихся друг от
друга послойно изменяющихся магнитных параметров осуществляют
путём поворота привода 2 относительно оси, перпендикулярной плоскости
чертежа.
При реально поставленном эксперименте скорости вращения диска
3000 об/мин и скорости осаждения никель-кобальтового сплава (30
% никеля, 70 % кобальта - наиболее распространённая комбинация
ферромагнитных слоёв напылённой МЛ) 50 A/с время осаждения одного
слоя составляло 2 мс, что соответствует толщине элементарного
слоя 0,1 A. Интервал между осаждениями на одном диске был 4 и
12 мс, что соответствует времени прохождения участками диска,
затенённых нижней и верхней частями экрана 4. Покрытие осаждалось
в течение 3 минут до получения суммарной толщины в 1800 A. Полученное
магнитное покрытие обладало магнитной анизотропией с направлением
лёгкого намагничивания перпендикулярно радиусу диска в каждой
его точке и имеет коэрцитивную силу около 48 кА/м (600 Э), остаточную
индукцию около 1 т (10000 Гс) и коэффициенты выпуклости и прямоугольности
свыше 0,9 (рис. 6). Указанные параметры получены для широкого
диапазона суммарных толщин магнитного покрытия (200…20000 A)
и практически не изменяются при изменении последних [14].
При экспериментальной проверке функциональных характеристик
напылённого диска признаки переполнения обозначились только при
плотности записи около 600 бит/мм, асимметрия импульса по уровню
0,1была не более 10 %. Дальнейшее увеличении плотности записи
при форме тока в виде меандра (т.е. определение АЧХ) показало,
что лишь на плотности около 4000 бит/мм амплитуда импульса воспроизведения
начала падать. Таким образом, основные теоретические и технологические
предпосылки поставленной работы при импульсной записи нашли своё
подтверждение.
Последние годы напыленная МЛ используется при записи аналогового
сигнала, например, в формате Hi8. Используется она и в форматах
miniDV и DV. Такое использование позволяет весьма наглядно показать
значительные преимущества напыленной МЛ по такому казалось бы
тривиальному параметру, как отношение сигнал/шум в яркостном
и цветностном каналах. Правда, следует знать, что у МЛ формата
Hi8 использован сплав NiCo, а у его младшего брата формата DV
более энергоёмкий чистый Co.
Рис.
9. Наблюдения за выпадениями
В соответствии с рекомендациями МЭК оценка параметра С/Ш проводится
относительно эталонной ленты с тем, чтобы отрешиться от неоднозначности
измерительных трактов. В формате Hi8 такой лентой фирма Sony
- законодательница этого формата - рекомендует использовать МЛ
Hi8 MP. Итак, относительно этой ленты (рис. 9) можно увидеть
из диаграммы, что в этом частном примере пальма первенства за
МЛ, предназначенной для цифровой записи.
Есть в производстве МЛ еще одна проблема - проблема надёжности.
Этот вопрос сопровождал магнитную запись в течение всего времени
её коммерческого использования. Рассмотрим изменение нескольких
важнейших параметров во времени, тем более, что срок наблюдения
исчисляется всего десятью годами.
Итак, первый параметр, это выпадения, определяемые как среднее
за минуту при окне детектирования на уровне 16 дБ и длительности
10 мкс. Испытания проводились на порошковой МЛ типа МР и напылённой
типа МЕ. Как видно из диаграммы, при достаточно малом числе выпадений
их слабый рост с годами позволяет надеяться, что по этому важнейшему
параметру сохраняемость можно предсказать на 20 лет вперёд.
По оценке шумовых характеристик в канале яркости наблюдения
велись также в том же промежутке времени, сравнивая два типа
МЛ: порошковый и напылённый. Вывод можно сделать аналогичный
первому потому, что у МЛ МЕ за время наблюдения отношение С/Ш
практически линейно понизилось с 48,5 дБ до 48,1 дБ, у МЛ МР
- с 46,4 дБ до 45,8 дБ, т.е. и по этому параметру лента ведёт
себя достаточно стабильно при очень слабом, как и в первом случае,
его понижении.
Важнейший вопрос при эксплуатации напылённых МЛ - это разрушение
рабочего слоя из-за окисления. Действительно, столь тонкие незащищённые
слои начинают заметно изменять свои характеристики приблизительно
через год хранения. Поэтому фирмы Sony, JVC, Panasonic опробовали
достаточно много технологий, чтобы защитить ленту от ухудшения
и поддерживать повышенные эксплуатационные характеристики. Естественно,
первое, на что были направлены усилия - это на защиту поверхности
ленты от оксидирования, чтобы гарантировать, что магнитные свойства
ленты остаются устойчивыми в течение хранения. Наконец был применён
антиоксидный реагент, который сыграл значительную роль в замедлении
окислительных процессов. Ещё более замедлил их алмазоподобное
покрытие (аббревиатура DLC). Дополнительное, но важнейшее качество,
которое это покрытие придало металлизированной МЛ - это использование
её при многократном проигрывании, например, при редактировании,
т.к. без этого покрытия металл довольно быстро истирается. DLC
придал ленте DVCAM значительную долговечность, позволил записывать
на пленку картинку очень высокого качества. Ленту DVCAM возможно
оставить в режиме "паузы" тысячи раз, не теряя качество изображения
и не загрязняя тракта ЛПМ ни в видеомагнитофоне, ни в камере.
При прочих равных такое качество является паритетным при работе
с традиционной лентой.
Усиленная лавсановая основа металлизированной ленты столь же
прочна, как и основа обычной ленты, несмотря на то, что это -
только 4/5 толщины основы порошковой ленты.
Рис.
10. Зависимость толщины основы от силы натяжения
Убедительно иллюстрирует это рис. 10, где показана взаимная
зависимость силы натяжения МЛ и толщины при относительном удлинении
0,03 %. При практическом использовании этой зависимости толщину
основы выбирают по максимальному натяжении МЛ в лентопротяжном
тракте. Очевидно, что материал основы МЛ ME проигрывает материалу
основы МЛ DV. При натяжении в ЛПМ 20 Н/дюйм в первом случае необходима
толщина основы 10,5 мкм, а во втором - 8 мкм.
Не менее актуальным является стабильность коэффициента трения.
По этому параметру испытания показали абсолютную стабильность
при воздействии температур от 0° до 55 °С, при этом коэффициент
трения со стороны магнитного покрытия и со стороны обратного
слоя очень близок к 0,2.
Выше были обсуждены основные аналитические зависимости и физические
требования к МЛ. Очевидно, что напылённая МЛ в связи с возможностью
тонкого послойного управления магнитными параметрами предпочтительнее
порошковой. Поэтому напылённая МЛ была испытана с тем, чтобы
по результатам испытаний сложилась более полная картина по поводу
её эксплуатационных возможностей.
На основании анализа результатов экспериментов можно сделать
определённые выводы. Основные из них: напылённая МЛ обладает
- стабильностью заложенных параметров;
- повышенной достоверностью;
- отсутствием осыпания рабочего слоя,
- отсутствие "замазывания" рабочей поверхности МГ.
Производить МЛ соответствующего качества, удовлетворяющие всем
перечисленным критериям, доступно немногим. Такие старые компании
как Sony, BASF, maxell, TDK и ряд других давно и прочно завоевавшие
рынок, придерживаются принципа не "самое-самое" в смысле значений
эксплуатационных и физических параметров, а самое стабильное
в смысле производства. Вполне возможно, что в эту "гонку за лидером" мог
бы включиться и Переославский химический комбинат, достаточно
давно изучающий эту проблему. По всей вероятности, реализация
изложенной здесь концепции этим фирмам была бы "по зубам".
ЛИТЕРАТУРА.
1. Вичес А.И. и др. Моделирование канала магнитной записи на
ЭВМ. М. "Радио и связь", 1984.
2. Спелиотис Д.Е. и др. Связь магнитных и рабочих свойств лент.
В книге "Теория и техника магнитной записи". М. Мир. 1968 г.
с. 168...179.
3. Мюллер М. Импульсные и частотные характеристики магнитных
лент с тонким рабочим слоем. Там же. с. 89...95.
4. Ивасаки С.И. и др. Динамическая модель процесса магнитной
записи. В книге "Проблемы магнитной записи." М. Энергия. 1975
г. с. 25...33.
5. Карленд Н. и др. Теоретическое исследование изолированного
перехода намагниченности с использованием итеративной гистерезисной
модели. Там же. с. 36...41.
6. Джордж Д.И. и др. Самосогласованный расчет перехода намагниченности
на диске с тонким рабочим слоем. Там же. с. 42...46.
7. Карленд Н. и др. Итеративная гистерезисная модель для исследования
цифровой магнитной записи. Там же. с. 46...51.
8. Поттер Р.И. и др. Самосогласованный расчет распределения намагниченности
носителя магнитной записи с тонким рабочим слоем. Там же с. 52...60.
9. Бозорт Р. Ферромагнетизм. М. ИИЛ. 1956.
10. Сливинская О.П. Гордон А.В. Постоянные магниты. М-Л. Энергия.
1965.
11. Халецкий М.Б. Тайна слойных потерь. Broadcasting № 2 1999
г.
12. Хогленд А.С. Цифровая магнитная запись. М. "Советское радио".
1967.
13. Халецкий М.Б. и др. Аппроксимация петли гистерезиса магнитных
лент. Киев. Тезисы научно-технической конференции "Теория и техника
магнитной записи". 1978.
14. Виноградов М.И. и др. А.С. № 846596 Способ осаждения ферромагнитного
покрытия носителя записи.
«625»
«Звукорежиссер»
«ТТК»
