Статья: Методы визуализации магнитных полей носителей информации

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.