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In elektronischen Datenverarbeitungsanlagen werden zur Speicherung
von Informationen vorwiegend magnetische Aufzeichnungsträger verwendet. Um eine
Information schnell aufzeichnen zu können, muß der magnetische Aufzeichnungsträger
in kurzer Zeit von einem Remanenzzustand in den anderen geschaltet werden. Die Koerzitivfeldstärke
des magnetischen Materials soll klein sein, damit mit möglichst niedrigen Aufzeichnungsströmen
gearbeitet werden kann. Weiterhin ist es erforderlich, daß das magnetische Material
eine rechteckige Hysteresisschleife aufweist.
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Es sind magnetische Aufzeichnungsträger bekannt, die aus dünnen Drähten
bestehen, auf denen jeweils eine dünne, festhaftende, magnetisierbare Schicht galvanisch
abgelagert ist, die aus etwa 93 bis 99 °/o Eisen und etwa 7 bis 1 % Nickel
besteht. Diese Aufzeichnungsträger haben eine der angestrebten Rechteckform sehr
nahekommende Hysteresisschleife sowie sehr kurze Umschaltzeiten in der Größenordnung
von 50 Nanosekunden. Die Koerzitivfeldstärke eines solchen magnetischen Aufzeichnungsmaterials
bewegt sich jedoch in der Größenordnung von etwa 15 Oersted, so daß ein Treiberimpuls
von etwa 400 Milliampere zur Umschaltung des Remanenzzustandes erforderlich ist.
Es ist bekannt, daß sich die Umschaltzeit mit der Herabsetzung des Nickelgehaltes
in der magnetisierbaren Schicht verkürzt. Die Sättigungsfeldstärke kann jedoch nur
auf Kosten der Umschaltzeit verkleinert werden.
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In der USA.-Patentschrift 2 792 563 und in der britischen Patentschrift
751843 sind Magnetspeicherelemente beschrieben, die aus mehreren übereinanderliegenden,
voneinander isolierten Schichten aus demselben Material bestehen. In diesen Magnetspeicherelementen
bleiben die inneren Eigenschaften jeder Schicht unverändert. Die Wechselwirkungen
zwischen den einzelnen Schichten können, da sich jede Schicht in den durch die anderen
Schichten erzeugten magnetischen Feldern befindet, vorausgesagt werden. Ein derartiges
Magnetspeicherelement besitzt eine stufenförmige Hysteresisschleife.
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In der USA.-Patentschrift 2 643 130 wird ein magnetischer Aufzeichnungsträger
beschrieben, der mehrere übereinanderliegende Schichten aus verschiedenen Materialien
besitzt. Der Zweck dieser Anordnung besteht darin, das von einem Magnetaufzeichnungskopf
erzeugte ungleichmäßige Magnetfeld zu kompensieren, indem die verschiedenen magnetischen
Schichten in einer solchen Reihenfolge übereinander angeordnet werden, daß ihre
Ansprechempfindlichkeit auf ein äußeres Feld sich im umgekehrten Sinne ändert wie
die örtlichen Änderungen des magnetischen Feldes des Aufzeichnungskopfes, so daß
diese Änderungen ausgeglichen werden.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines magnetischen Aufzeichnungsträgers,
der gegenüber bekannten Vorrichtungen in kürzerer Zeit und mit kleineren Treiberströmen
in die Sättigung geschaltet werden kann und der eine rechteckige Hysteresisschleife
besitzt.
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Es wurde festgestellt, daß durch Verwendung von zwei Schichten aus
verschiedenen magnetischen Materialien nicht vorhersehbare Wirkungen erzielt werden
können, die den Schichten einzeln nicht eigen sind. Durch die unmittelbare Nähe
der beiden Schichten scheint eine Änderung ihrer Eigenschaften bewirkt werden zu
können. Für diese Erscheinung gibt es derzeit noch keine genaue Erklärung, jedoch
können Kombinationen von diese Wirkung aufweisenden Schichten ohne weiteres durch
Versuche bestimmt werden, was aus der folgenden Beschreibung deutlich wird.
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Gegenstand der Erfindung ist somit ein magnetischer Aufzeichnungsträger
mit zwei übereinander angeordneten dünnen magnetischen Schichten.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die beiden magnetischen
Schichten in unmittelbarem Kontakt miteinander auf einem elektrisch leitenden oder
mit einer leitenden Oberflächenschicht versehenen draht- oder fadenförmigen Träger
aufgebracht sind, daß die eine Schicht aus einer Eisenlegierung mit 30 bis 90 Gewichtsprozent
Nickel und die andere aus einer Eisenlegierung mit weniger als 10 Gewichtsprozent
Nickel besteht und daß die Schichten jeweils eine Dicke zwischen 500 und 5000 Ä
aufweisen.
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Wie bereits ausgeführt, sind die wichtigsten Merkmale einer magnetischen
Speichervorrichtung eine geringe Umschaltzeit, niedrige Koerzitivfeldstärke und
eine Hysteresisschleife mit möglichst guter Rechteckform. Bei Verwendung von Eisen-Nickel-Legierungen
als Beschichtungsmittel können zur Erzielung der erforderlichen Eigenschaften der
Nickelgehalt und die Dicke der magnetischen Schicht variiert werden. Während optimale
Umschaltzeiten mit einer 1 bis 7 °/o Nickel enthaltenden Eisen-Nickel-Legierung
erreicht werden, können relativ niedrige Koerzitivfeldstärken durch aus 30 bis
900/, Nickel bestehende Eisen-Nickel-Legierungen erzielt werden. Mit dem
Ziel, optimale Werte für Umschaltzeiten und Koerzitivfeldstärke bei Aufrechterhaltung
einer möglichst rechteckigen Hysteresisschleife zu erhalten, wird in der vorliegenden
Erfindung eine Kombination von zwei aus verschiedenen Legierungen bestehenden Schichten
verwendet. Der magnetische Aufzeichnungsträger nach der Erfindung besteht somit
aus einem dünnen Trägerdraht, auf dessen elektrisch leitenden Oberfläche zwei festhaftende
Eisen-Nickel-Schichten galvanisch abgelagert sind. Die eine dieser beiden Schichten
besteht aus etwa 30 bis 900/0 Nickel und 70 bis 10 °/o Eisen und die andere aus
etwa 93 bis 99 °/o Eisen und 7 bis 10/, Nickel. Des weiteren hat sich gezeigt, daß
die optimalen Werte am besten dann erreicht werden, wenn die aus 30 bis 90 °/o Nickel
bestehende Schicht eine Dicke zwischen 500 und 4000 A (vorzugsweise eine Dicke in
der Nähe des letztgenannten Wertes) hat und die Dicke der zwischen 1 und 7 °/o Nickel
enthaltenden Schicht zwischen 3000 und 5000 A (vorzugsweise etwa 4000 A) liegt.
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In der nachfolgenden Beschreibung werden weitere Merkmale des erfindungsgemäßen
magnetischen Aufzeichnungsträgers und Verfahren zu seiner Herstellung sowie an Hand
der Zeichnung seine Vorteile erläutert.
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Als besonders vorteilhaft hat sich ein drahtförmiger Träger erwiesen,
der mechanisch sehr widerstandsfähig und elastisch ist, z. B. ein federnder Draht
aus Berylliumbronze. Der Trägerdraht kann zur Erzielung der gewünschten mechanischen
Eigenschaften einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Das magnetische Material
der nickelreichen Schicht, die gemäß dem nachstehend beschriebenen Verfahren auf
dem Draht galvanisch abgelagert wird, besteht, wie schon mehrfach erwähnt, aus etwa
30 bis 900/0 Nickel und 70 bis 100/, Eisen, wodurch diese Schicht eine annähernd
rechteckige Hysteresisschleife und eine sehr niedrige Sättigungsfeldstärke aufweist.
Das
magnetische Material in der Schicht mit geringem Nickelgehalt,
die mittels eines später näher beschriebenen Verfahrens auf der nickelreichen Schicht
galvanisch abgelagert wird, besteht vorzugsweise aus 97"/, Eisen und 30/,
Nickel und besitzt dadurch eine annähernd rechteckige Magnetisierungskurve und eine
äußerst kurze Umschaltzeit. Das genannte Mengenverhältnis für diese zweite Schicht
braucht nicht genau eingehalten zu werden, da sich auch brauchbare Vorrichtungen
mit einem Verhältnis von 93 bis 99 % Eisen zu 7 bis 1 °/o Nickel in der äußeren
Schicht ergeben. Die Prozentsätze von Eisen und Nickel lassen sich durch das Verhältnis
der Eisen-und Nickelsalze in den Elektrolyten, in denen die magnetischen Materialien
auf die entsprechenden Flächen aufgalvanisiert werden, leicht verändern. Die stäbchen-
oder drahtförmigen Kupfer-Beryllium-Träger können einen Durchmesser zwischen 0,12
und 1,3 mm besitzen. Bei einem bevorzugten Träger wurde ein Durchmesser von 0,25
mm gewählt. Es hat sich gezeigt, daß Vorrichtungen mit diesem Durchmesser eine ausreichende
Steifigkeit besitzen, um ohne besondere Vorsicht gehandhabt werden zu können, und
zudem ausgezeichnete magnetische Eigenschaften für eine Verwendung in Datenspeicheranordnungen
und Matrizen besitzen. Die Dicke beider magnetischer Schichten hängt von den Bedingungen
ab, unter denen sie auf den Träger aufgalvanisiert werden. Bevorzugte Dicken wurden
bereits angegeben und werden normalerweise durch indirekte Verfahren errechnet.
Um eine minimale Sättigungsfeldstärke zu erreichen, muß die Dicke der nickelreichen
Schicht etwa 4000A betragen.
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Die in jeder beliebigen Länge herstellbare bistabile magnetische Vorrichtung
wird mit einer, vorzugsweise aber mit mehreren Wicklungseinheiten versehen. Diese
Wicklungseinheiten bestehen aus jeweils mehreren einlagigen Einzelwicklungen, die
im allgemeinen konzentrisch zueinander angeordnet sind. Jede Wicklungseinheit umgibt
einen bestimmten Längenabschnitt der äußeren magnetischen Schicht. Sind mehrere
Wicklungseinheiten vorgesehen, dann sind diese in einem solchen Abstand voneinander
auf der magnetischen Vorrichtung angeordnet, daß unerwünschte gegenseitige Beeinflussungen
vermieden werden und jede Wicklungseinheit mit ihrem jeweiligen Längsabschnitt der
magnetischen Schichten zusammenarbeitet. Der Aufbau und die Anordnung der Wicklungseinheiten
und die zwischen diesen und den magnetischen Filmen auftretenden Wirkungen sind
bekannt, so daß sich diesbezüglich eine nähere Beschreibung erübrigt.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein steifer,
nichtmagnetischer, elektrisch nichtleitender, fadenförmiger Träger verwendet. Dieser
ist mit einem sehr dünnen Überzug aus elektrisch leitendem Material versehen, auf
dem eine erste Schicht aus magnetischem Material und auf dieser wiederum eine zweite
Schicht aus magnetischem Material aufgalvanisiert ist. Die magnetischen Schichten
haben die gleiche Zusammensetzung und Dicke wie im vorangegangenen beschrieben.
Als elektrisch nichtleitender Träger wird beispielsweise ein Glas-oder Quarzfaden
verwendet. Ein solcher Glas- oder Quarzfaden hat vorzugsweise den gleichen Durchmesser
(z. B. 0,25 mm) wie der im vorangegangenen beschriebene Trägerdraht. Die auf dem
nichtleitenden Träger aufgebrachte dünne elektrisch leitende Schicht besteht vorzugsweise
aus Silber. Zur Herstellung dieser Schicht kann eine Silberlösung zusammen mit einer
Reduktionslösung auf den Faden aufgesprüht werden. Die Silberschicht soll einen
auf die quadratförmige Schichtfläche bezogenen elektrischen Widerstand in der Größenordnung
von 0,01 bis 0,1 Ohm haben. Um die Stromverluste in der fertigen Vorrichtung zu
vermindern, soll die Silberschicht so dünn sein, daß sie gerade noch eine befriedigende
Leitfähigkeit für das Aufgalvanisieren der magnetischen Schicht ergibt.
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In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Dicke der magnetischen
Schichten sowie deren magnetische Eigenschaften von den Bedingungen abhängig, unter
denen die Schichten aufgalvanisiert werden. Von der Vielzahl möglicher galvanischer
Bäder und Verfahren werden nachstehend diejenigen aufgeführt, mit denen die besten
Ergebnisse bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt werden.
Galvanische Bäder a) Nickelreiche Schicht Erste Badzusammensetzung:
FeS04 - 7 H20 . . . . . . . . 5 g/1 wäßrige Lösung |
NiS04 - 6 H20 . . . . . . . . 18,6 g/1 |
NH,C1 . . . . . . . . . . . . . . . 50 g/1 |
Saccharin . . . . . . . . . . . . 1 g/1 |
pH-Wert . . . . . . . . . . . . . 3,0 bis 3,4 |
Anode ............... Platin |
Temperatur .......... Zimmertemperatur |
Stromdichte . . . . . . . . . . 10 bis 50 mA/cm2 |
Axiales Magnetfeld .... 200 Oersted |
Rühren . . . . . . . . . . . . . . nicht erforderlich |
Zweite Badzusammensetzung:
FeS04 - 7 H20 . . . . . . . . 5 g/1 wäßrige Lösung |
NiS04 - 6 H20 . . . . . . . . 218 g/1 |
NaCI . . . . . . . . . . . . . . . . 9,7 g/1 |
H31303 . . . . . . . . . . . . . . . 25 g/1 |
Saccharin . . . . . . .. . . . . 0,83 g/1 |
Natriumlaurylsulfat ... 0,43 g/1 |
pH-Wert . . . . . . . . . . . . . 2,7 bis 3,0 |
Anode ............... Platin |
Temperatur .......... Zimmertemperatur |
Stromdichte . . . . . . . . . . 10 bis 50 mA/cm2 |
Axiales Magnetfeld .... 200 Oersted |
Rühren .............. kräftig |
b) Schicht mit niedrigem Nickelgehalt
FeCl2 - 4 H20 . . . . . . . . . 290 gil wäßrige Lösung |
NiC12 # 6 H20 . . . . . . . . . 12 g/1 |
CaC12 - 2 H20 . . . . . . . . 238 g/1 |
Eisenwolle oder -Pulver in solcher Menge, daß |
eine Ferro- und nicht eine |
Ferrilösung entsteht |
pH-Wert . . . . . . . . . . . . . 0,95 bis 1,05 |
Temperatur .......... Zimmertemperatur |
Stromdichte . . . . . . . . . . 20 bis 45 mA/cm2 |
Axiales Magnetfeld .... nicht vorhanden |
Vor dem Galvanisieren des Kupfer-Beryllium-Drahtes wird dieser in einem alkalischen
Reinigungsbad gründlich gereinigt und unmittelbar danach mit destilliertem Wasser
abgespült. Danach wird der Draht in eine konzentrierte Salpetersäure getaucht, um
eine dünne Oberflächenschicht des Drahtes zu
entfernen. Unmittelbar
nach der Säurebehandlung erfolgt wiederum ein gründliches Abspülen mit destilliertem
Wasser. Um eine erneute Korrosion der Drahtoberfläche zu vermeiden, wird die erste
magnetische Schicht sofort nach dem letzten Ätzverfahren und dem anschließenden
Spülen aufgalvanisiert.
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Als nächstes wird der Draht wieder gründlich mit destilliertem Wasser
abgespült, worauf sofort die zweite Schicht auf die erste aufgalvanisiert wird.
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Nach dem zweiten Galvanisieren wird der Draht wieder gründlich abgespült
und sofort danach beispielsweise in einem Azetonbad oder durch Besprühen mit Azeton
getrocknet. Daraufhin erhält die Vorrichtung sofort einen Schutzüberzug, um ein
Oxydieren oder sonstiges Korrodieren der äußeren magnetischen Schicht zu verhindern.
Dieser Überzug kann durch Eintauchen der getrockneten Vorrichtungen in ein geeignetes
feuchtigkeitsbeständiges selbsthärtendes Harz, beispielsweise Urethanharz, aufgebracht
werden. Sobald der Schutzüberzug ausgehärtet oder getrocknet ist, kann die magnetische
Vorrichtung mit Wicklungen versehen und als Datenspeicherelement eingebaut werden.
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Es sei bemerkt, daß während der Ablagerung der nickelreichen Schicht
ein parallel zur Achse des Trägers verlaufendes Magnetfeld angelegt wird. Dieses
Feld verbessert die Rechteckigkeit der endgültigen Hysteresisschleife.
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Wird ein fadenförmiger Glasträger mit einer dünnen Silberablagerung
an Stelle eines Metalldrahtes verwendet, dann werden die gleichen Galvanisierungsverfahren
wie oben beschrieben angewandt. Das Glas muß jedoch zunächst mit einer Silberschicht
überzogen werden. Dies geschieht auf folgende Weise: Zunächst wird der Glasfaden
beispielsweise durch eine Lösung aus Natriumdichromat und Schwefelsäure bei einer
Temperatur von 55'C chemisch gereinigt und mit Wasser nachgespült und anschließend
durch Eintauchen in eine Zinnchloridlösung sensibilisiert. Der Glasfaden wird nun
mit einer geeigneten Versilberungs-und Silberreduktionslösung besprüht. Hierbei
wird der Faden vorzugsweise gleichmäßig um seine Achse gedreht, so daß eine gleichmäßige
Silberschicht auf seiner Oberfläche entsteht. Die Silberablagerung kann während
eines einmaligen langsamen Bewegens durch den Sprühbereich aufgebracht werden. Eine
noch gleichmäßigere Schicht entsteht jedoch durch mehrmaliges schnelles Bewegen
des Fadens durch den Sprühbereich, wobei der Träger nach jedem Durchbewegen mit
destilliertem Wasser abgespült wird, um alle nicht gebundenen Silbersalze zu entfernen.
Das Verfahren wird so oft wiederholt, bis sich auf dem Träger eine genügend dicke
Silberschicht abgelagert hat. Wie bereits ausgeführt, soll die Silberablagerung
so dünn sein, daß gerade noch eine ausreichende Leitfähigkeit für die anschließenden
Galvanisierungsverfahren besteht. Der versilberte Faden kann dann in die galvanischen
Bäder eingeführt werden, in denen er nacheinander die beiden magnetischen Schichten
erhält.
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Durch entsprechende Abänderungen der galvanischen Bäder läßt sich
der Prozentsatz von Eisen in beiden magnetisierbaren Schichten variieren. Es wurden
folgende Beispiele von Legierungskombinationen, die durch niedrige Sättigungsfeldstärke
(10 Oersted) und schnelle Schaltzeit (50 Nanosekunden) gekennzeichnet, hergestellt
(die Prozentsätze beziehen sich auf das Gewicht):
Nickelreiche Axiales Feld Schicht |
Bei- mit geringem |
spiel Schicht während des Ni-Gehalt |
Galvanisierens |
Fe: Ni: Co Fe: Ni: Co |
A 20:80:0 keines 98:2:0 |
B 20:79:1 beliebig 100:0:0 |
C 20:80:0 beliebig 98:0:2 |
In allen diesen Beispielen beträgt die Dicke der Schicht etwa 4000 A. Im Beispiel
A wurde die magnetische Schicht ohne Anlegen eines magnetischen Feldes aufgalvanisiert,
während in den Beispielen B und C das Galvanisieren sowohl mit als auch ohne ein
axiales magnetisches Feld erfolgen kann.
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In der Zeichnung zeigt F i g. 1 charakteristische Magnetisierungskurven
für einen mit zwei übereinander angeordneten dünnen magnetischen Schichten versehenen
bistabilen magnetischen Aufzeichnungsträger nach der Erfindung und F i g. 2 zwei
Kurvenformen, die einen an eine die erfindungsgemäße Vorrichtung umgebende Wicklung
angelegten Stromimpuls bzw. den dadurch auf einer zweiten, die Vorrichtung umgebenden
Wicklung erzeugten Spannungsimpuls darstellen.
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In F i g. 1 sind zwei typische Hysteresiskurven gezeigt, die während
des Betriebes eines erfindungsgemäßen bistabilen magnetischen Aufzeichnungsträgers
oszillographisch aufgenommen wurden. Die Kurve U veranschaulicht die Schwellenkurve,
bei der ein hoher Wert der magnetischer Feldstärke H keine Änderung der Induktion
B hervorruft. Die Kurve Z veranschaulicht eine durch weniger als den doppelten Wert
der zur Erzeugung der Kurve U verwendeten Feldstärke verursachte Induktionsänderung.
Der hohe Grad der Rechteckigkeit der Hysteresiskurve Z und der große Schwellenwert
der Feldstärke, innerhalb der die Induktion sich nicht verändert, sind besonders
hervorstechende Eigenschaften der Erfindung, die sich besonders bei der Verwendung
der Vorrichtung zu Speicher- und Schaltzwecken vorteilhaft auswirken. Das Verhältnis
BrlB"n ist größer als 0,95. Es sei bemerkt, daß die Sättigungsfeldstärke für diese
Vorrichtung weniger als 10 Oersted, nämlich nur etwa 8 Oersted beträgt.
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Während bekannte ringförmige Ferritkerne Umschaltzeiten von etwa 0,5
bis 5 Mikrosekunden besitzen, hat ein bistabiler magnetischer Aufzeichnungsträger
nach der Erfindung eine Umschaltzeit von nur etwa 50 Nanosekunden, was aus der Kurve
für die Ausgangsspannung einer solchen Vorrichtung in F i g. 2 hervorgeht, die eine
oszillographische Aufzeichnung wiedergibt. Diese Ausgangsspannung wird durch Anlegen
eines Treiberimpulses von etwa 250 Milliampere, wie in dem oberen Teil der F i g.
2 gezeigt, verursacht. Die Umschaltzeit von 50 Nanosekunden ist mindestens um eine
Größenordnung niedriger als bei herkömmlichen ringförmigen Ferritkernen.
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Ein wichtiges und überraschendes Ergebnis der durch die F i g. 1 und
2 veranschaulichten Erfindung besteht ferner darin, daß die Hysteresiskurve des
mit mehreren magnetischen Schichten versehenen Aufzeichnungsträgers derjenigen einer
homogenen Anordnung gleicht und daß die Koerzitivfeldstärke durch Verändern der
Dicke der normalerweise eine niedrige Koerzitivfeldstärke besitzenden Teilschicht
variiert werden kann. Ein noch wichtigeres Merkmal
des erfindungsgemäßen,
mehrere magnetische Schichten aufweisenden Aufzeichnungsträgers besteht in der niedrigen
Umschaltzeit, die nicht durch die normalerweise hohe, zwischen 0,5 und 5 Mikrosekunden
liegende Umschaltzeit der nickelreichen Schicht beeinträchtigt wird.
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Obwohl im vorangegangenen die Anwendung eines galvanischen Verfahrens
beschrieben wurde, kann zum Aufbringen der dünnen magnetischen Filme selbstverständlich
auch ein beliebiges anderes Verfahren angewandt werden, wie z. B. Aufdampfen, chemische
Ablagerung oder Aufsprühen.