DE2403014A1

DE2403014A1 - Vorrichtung zum sichtbarmachen von magnetfeldern

Info

Publication number: DE2403014A1
Application number: DE2403014A
Authority: DE
Inventors: Matti Niilo Tapani Otala
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-02-12
Filing date: 1974-01-23
Publication date: 1974-08-15
Also published as: JPS5345153B2; JPS49114471A; GB1452528A; FR2217779B1; FR2217779A1; SE385621B; NL7301931A; US3893023A

Description

Vorrichtung zum Sichtbarmachen von Magnetfeldern

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Sichtbarmachen von Magnetfeldmustern.

Das Beobachten von Magnetisationsmustem und Flussmustern erfolgt bisher meistens dadurch, dass diese Muster mit Hilfe von "Bitter"-Techniken sichtbar gemacht werden, Dabei wird eine ferromagnetische Teilchen enthaltende Suspension verwendet, die entweder auf der zu prüfenden Oberfläche (z.B. einem Magnetband) ausgestrichen oder, zwischen zwei Membranen eingeschlossen, in die unmittelbare Nähe der Oberfläche gebracht wird (USA-Patentschrift 3.013.206). Das erste Verfahren beansprucht viel Zeit. Die Suspension muss nicht nur zunächst auf der Oberfläche angebracht werden, sondern auch nach Ablauf der Prüfung wieder entfernt werden,

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Das zweite Verfahren weist diesen Nachteil nicht auf, aber ihm haftet der Nachteil an, dass die Suspension durch eine Membran von der zu prüfenden Oberfläche getrennt wird, so dass ein zu prüfendes Magnetisations-.oder Flussmuster nicht bis in die feinsten Details beobachtet werden kann. Ausserdem haftet beiden Verfahren der Nachteil an, dass der Gradient des geprüften Magnetfeldes und nicht das Feld selber sichtbar gemacht wird.

Ausser "Bitter"-Techniken können auch magnetooptische Verfahren zum Sichtbarmachen von Magnetisationsmustern verwendet werden. Aus der britischen Patentschrift 833.930 ist z.B. ein Verfahren bekannt, das auf dem Kerr-Effekt beruht, nach dem die Polarisationsebene eines linear polarisierten Lichtstrahls eine Drehung erfährt, wenn er an einem magnetisierten Medium reflektiert wird. Die Drehung der Polarisationsebene erfolgt dabei mehr oder weniger in der Uhrzeigerrichtimg oder entgegen der Uhrzeigerrichtung, abhängig davon, ob die für die Drehung verantwortliche Magnetisation mit einer positiven oder einer negativen Polarität auf den Lichtstrahl einwirkt, und abhängig von der Grosse der Magnetisation. Wird ein Analysator in dem Lichtweg eines derartigen reflektierten Lichtstrahls angeordnet, so wird der analysierte Lichtstrahl verschiedene Intensitäten aufweisen, abhängig von der aufgetretenen Drehung der Polarisationsebene. Ein Nachteil dieses magnetοoptischen Verfahrens zum Sichtbarmachen von Magnetisationsmustern ist jedoch der, dass nicht jede zu prüfende Oberfläche in sich genügend glatt ist und dass

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nicht jedes Material eine genügend grosse magnetooptische Drehung aufweist, um deutliche Intensitätsunterschiede zu erzielen. Der magnetische Ueberzug eines Magnetbandes weist z.B. eine körnige Struktur auf; infolge der dieser Struktur inhärenten starken Streuung des reflektierten Lichtstrahls und infolge der im allgemeinen kleinen magnetooptischen Drehung der für derartige Ueberzüge verwendeten Materialien ergibt sich hierbei nahezu kein magnetooptischer Effekt. Venn man eine derartige Oberfläche durch Polieren für magnetooptische Sichtbarmachung besser geeignet machen will, ergibt sich der Nachteil, dass die ursprüngliche Oberfläche tatsächlich verschwindet, wodurch das Verfahren einen destruktiven Charakter erhält.

Der sogenannten "Bitter"-Technik sowie der genannten magnetooptischen Technik haftet weiter der Nachteil an, dass durch diese Techniken "räumliche" Magnetfelder, wie das Feld in dem Spalt eines Magnetkopfes,, nicht sichtbar gemacht werden können.

Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung der vorerwähnten Art zu schaffen, der die genannten Nachteile nicht anhaften.

Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Schicht aus einem magnetisierbaren Material mit einachsiger magnetischer Anisotropie in einer zur Ebene der Schicht senkrechten Richtung unter der Einwirkung einer sich auf einer Seite der ersten Schicht erstreckenden zweiten Schicht aus einem dauermagnetischen

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Material magnetisiert ist, wobei die erste Schicht eine periodische Struktur magnetischer Domänen enthält, deren Magnetisationsrichtung der Magnetisationsrichtung der umgebenden Stellen entgegengesetzt ist, und dass eine magnetooptische Detektionsvorrichtung vorgesehen ist, mit deren Hilfe die erste-Schicht mit einem Strahl linear polarisierten Lichtes bestrahlt und die Polarisationsrichtung des von der ersten Schicht herrührenden Strahles analysiert wird.

Es ist bekannt, dass die Oberfläche magnetischer Domänen der obengenannten Art, die von dem Feld der zweiten Schicht aufrechterhalten werden, von dem äusseren Feld abhängig ist. Die Oberfläche jeder einen Teil der periodischen Struktur bildenden magnetischen Domäne ist also ein Mass für das örtliche äussere Feld, Dadurch, dass die Domänenstruktur auf magnetooptischem Vege sichtbar gemacht wird, wird also ein direktes Bild des äusseren Magnetfeldes erhalten, in oder bei dem sich die Schicht mit der. periodischen Struktur magnetischer Domänen befindet.

Bisher war keine Technik zum direkten Sichtbarmachen von Magnetfeldern bekannt.

Die Beziehung zwischen der GrÖsse der Oberfläche einer magnetischen Domäne und der Stärke des äusseren Feldes ist in erster Annäherung linear. Dadurch, dass ein geeigneter Wert des von der dauermagnetischen Schicht erzeugten Feldes etwa in der Mitte zwischen der Stärke des "Kollaps"-Feldes der magnetischen Domänen und des "Run-out"-Feldes gewählt wird, können Aenderungen des äusseren Feldes in beiden Richtungen

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(dslie grosser und kleiner) sichtbar gemacht werden.

Vorzugsweise wird die erfindungsgemässe Vorrichtung derart verwendet, dass die Schicht mit der periodischen Struktur magnetischer Domänen dem zu prüfenden Feldmuster zugekehrt ist, und die Domänenstruktur wird auf magnetooptischem Wege durch die dauermagnetische Schicht hin beobachtet· Eine Ausfükrungsform der Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Schicht aus dauermagnetischem Material Oeffnungen den magnetischen Domänen in der ersten Schicht gegenüber angebracht sind,, Durch diese Oeffnungen kann man einen Lichtstrahl auf die magnetischen Domänen einfallen lassen und den reflektierten Strahl beobachten» Vorzugsweise verjüngen sich die Oeffnungen in Richtung auf dde.erste Schicht. Dies bietet die Möglichkeit_s die Lichtstrahlen unter einem etwa von 90° verschiedenen Winkel einfallen zu lassen, wodurch der einfallende und der reflektierte Strahl miteinander .einen kleinen ¥inkel einschliessen, Das Anbringen der Oeffnungen in der dauermagnetischen Schicht bietet den zusätzlichen Vorteil, dass sich. die magnetischen Domänen in der ersten Schicht den Oeffnungen in der zweiten Schicht gegenüber zentrieren. Es ist dann nicht notwendig, besondere Fixierungspunkte (Pinning-points) für die magnetischen Domänen, die in einer periodischen Struktur angeordnet sein müssen, z.B. durch das Anbringen von Verunreinigungen in dem Material der ersten Schicht selber, zu bilden.

Für die erste Schicht können verschiedene bekannte

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Materialien verwendet werden. Der Durchmesser der magnetischen Domänen hängt u.a. von dem verwendeten Material abi "Vorzugsweise werden Materialien mit magentischen Domänen mit einem Durchmesser zwischen 0,5 und 50 /inn verwendet, um eine Gitterstruktur mit einem für den beabsichtigten Zweck gewünschten Auflösungsvermögen zu erhalten.

Ein anderer Faktor, der die Wahl des Materials bestimmen kann, ist die Grosse der magnetooptischen Drehung. Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung ist der, dass zum Sichtbarmachen von Magnetisations— und Flussmustern eine Umwandlungsschicht mit einer grossen magnetooptischen Drehung verwendet werden kann, wodurch die magnetooptischen Eigenschaften des zu prüfenden Materials keinen Einfluss ausüben.

Die Vorrichtung nach der Erfindung eignet sich insbesondere zum Sichtbarmachen von Magnetfeldmustern auf dem Schirm einer Fernsehbildwiedergaberöhre.

Eine Weiterbildung der Vorrichtung gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die magnetooptische Detektionsvorrichtung zum punktweisen Abtasten der ersten Schicht eingerichtet ist und dass eine photoelektrische Zelle in dem Lichtweg des von der Schicht kommenden Strahls vorhanden ist und das Ausgangssignal dieser photoelektrischen Zelle zusammen mit einem Synchronisationssignal einer Bildwiedergab evorrichtung zugeführt wird.

Die Erfindung wird nachstehend beispieleweise an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 teilweise in Seitenansicht und teilweise im Schnitt eine Schichtenstruktur mit einem Gitter zylindrischer magnetischer Domänen, und

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Sichtbarmachen von Magnetfeldern.

Die in Fig. 1 dargestellte Schichtenstruktur besteht aus einer Schicht 2 aus. dauermagnetischem Material, die mittels einer nichtmagnetischen Balkenstruktur versteift ist* Auf einer Seite der Schicht 2 befindet sich eine einkristalline Schicht 3 aus magentischein Material mit einer einachsigen magnetischen Anisotropie, Diese Schicht kann z.B. durch Epitaxie aus der flüssigen Phase auf einem geeigenten nachher weggeätzten Substrat angebracht sein. Das magnetische Material kann z.B. ein seltener Erdgranat oder ein seltenes Erdorthoferrit sein« Wenn die Schicht 3 derart dünn ist, dass ein beim Auslesen zu verwendender Lichtstrahl völlig darin eindringen kann, ist es zweckmässig, auf der Unterseite der Schicht 3 eine reflektierende Schicht 1 zur Erhöhung der Empfindlichkeit durch Aufdampfen anzubringen. Unter dem Einfluss des Feldes der dauermagnetischen Schicht 2 sind in der Schicht 3 zylindrische magnetische Domänen 5» 5' ··· mit einer Magnetisationsrichtung M¹ vorhanden, die der Magnetisationsrichtung M des übrigen Teiles der Schicht 3 entgegengesetzt ist. In der Schicht 2 ist ein regelmässiges Muster kleiner Löcher h, 4* ... durch Aetzen angebracht. Der Durchmesser dieser Löcher ist an der Stelle der Schicht zwei- bis dreimal grosser als der Durchmesser der zylindrischen

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magnetischen Domänen 5 s 5' ··· · Jede dieser Domänen zentriert sich einem der Löcher 4, 4» ... gegenüber. Die Schicht 3 kann leicht eine Matrix von 500 χ 500 Domänen mit einem Durchmesser von 6/um enthalten (eine 500 χ 500-Matrix kann in einem Fernsehsystem ausgelesen werden). Wenn die Löcher in der Schicht 2 an den Eckpunkten von Quadraten mit Seiten von 25/um angebracht sind, weist die benötigte Schichtenstruktur also Aussenabmessungen von 12·^ χ 12^· mm auf.Je nach der gewünschten Anwendung kann für die Schicht 3 ein Material gewählt werden, in dem Domänen mit Durchmessern zwischen 0,5 und 50/um vorhanden sein können. Unter dem Einfluss des Susseren Feldes H ändert sich der Durchmesser der Domänen; mit anderen Worten: die Oberflächen ändern sich proportional mit der Stärke des Magnetfeldes H. Die Stärke des von der dauermagnetischen Schicht 2 an der Stelle der Schicht 3 erzeugten Feldes muss dazu einen geeigneten Wert zwischen der Stärke des "Kollaps"—Feldes der .zylindrischen magnetischen Domänen und der Stärke des "Run-out"-Feldes aufweisen. Es sei dabei bemerkt, dass die von der Schicht 2 ausgehenden Flusslinien sich durch die Schicht 3 hin schliessen, so dass das von der Schicht 2 herrührende Feld auf der anderen Seite der Schicht 3 sehr klein ist, was bedeutet, dass eine zu prüfende Feldkonfiguration minimal beeinflusst wird.

Wie oben auseinandergesetzt wurde, gibt die Oberfläche jeder Domäne in der Schicht 3 Information über das örtliche äussere Feld. Diese Information kann auf magnetooptischem Wege auf dem Schirm einer Femsehbildwiedergaberöhre,sichtbar

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gemacht werden. Ein Blockschaltbild der dazu verwendenden Vorrichtung ist in Fig. 2 dargestellt.

Von der Lichtquelle 6 (z.B. einem Laser) und dem ersten Polarisator 7 wird ein Strahl polarisierten Lichtes erzeugt. Mit Hilfe einer Ablenkvorrichtung 9 und eines Prismas 18 wird mit diesem Strahl 8, der einen Durchmesser aufweisen muss, der grosser als der Durchmesser der abzutastenden Domänen ist, das Domänenmuster in der Schicht 10 punktweise abgetastet. Dieses Domänenmuster wird von dem Feld der dauermagnetischen Schicht 11 aufrechterhalten. Der Lichtstrahl 8 fällt durch Oeffnungen 12, 12¹ ... auf die Schicht ein. Es sei bemerkt, dass der Einfallswinkel, gleich wie der Ausfallswinkel, stark übertrieben gezeichnet ist; er ist tatsächlich etwa 90°. Der von der Schicht 19 reflektierte Strahl 13 fällt über die Linse 14 und den zweiten Polarisator auf die lichtempfindliche Zelle 16 ein. In Abhängigkeit von der Grosse der Domäne, die den Strahl reflektiert, wird die Polarisationsebene des Strahles mehr oder weniger stark gedreht. Die Zelle 16 erzeugt ein Signal, das der Oberfläche der abgetasteten Domäne proportional ist. Zusammen mit einem der Ablenkvorrichtung 9 entnommenen Synchronisationssignal wird dieses Signal der Bildwiedergabevorrichtung 17 zugeführt. Dabei wird dann das Bild des betrachteten Magnetfeldes sichtbar.

Es sei noch bemerkt, dass, wenn das Muster zylindrischer magnetischer. Domänen in einem zu starken äusseren Feld angeordnet wird, eine Anzahl oder alle Domänen verschwinden können,

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Zur Iviedererzeugung dieser Domänen ist es aber genügend, die Schicht IO mit einem Dauermagneten zu berühren, damit das örtliche Feld in dem Domänenmaterial wieder kleiner als das "Run-out"-Feld der Domänen wird.

Die Vorrichtung zum Sichtbarmachen von Magnetfeldern nach der Erfindung kann für viele Anwendungen benutzt werden, z.B. :

1. zur Prüfung von Flussmustern von Magnetköpfen,

2. zum Sichtbarmachen von Magnetisationsmustern auf Magnetbändern und Scheiben,

3» zum Beobachten magnetischer Domänen»

h» zum Messen von Suszeptibilitätsänderungen in unhomogenen Materialien,

5. zur Montage von Videobändern} bisher ist es ein grosses Problem, beim Zusammenfügen von Videobandstücken den magnetischen Spuren auf dem Band genau zu folgen;

6. zum Aufzeichnen des Feldes von Dauermagneten,

7. " im allgemeinen statt all derjenigen Anwendungen, bei

denen bisher "Bitter"-Techniken verwendet wurden.

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PATENTANSPRÜCHE :

1 , ' Vorrichtung zum Sichtbarmachen von Magnetfeldmustern, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Schicht aus einem magnetisierbaren Material mit einachsiger magnetischer Anisotropie in einer zur Ebene der Schicht senkrechten Richtung unter der Einwirkung einer sich auf einer Seite der ersten Schicht erstreckenden zweiten Schicht aus einem dauermagnetischen Material magnetisiert ist, wobei die erste Schicht eine periodische Struktur magnetischer Domänen enthält, deren Magnetisationsrichtung der Magnetisationsrichtung der umgebenden Stellen entgegengesetzt ist, und dass eine magnetooptische Detektionsvorrichtung vorgesehen ist, mit deren Hilfe die erste Schicht mit einem Strahl linear polarisierten Lichtes bestrahlt und die Polarisationsrichtung des von der ersten Schicht herröhrenden Strahles analysiert wird.

2, Vorrichtung nach Anspruch 1,- dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus dauermagnetischem Material an der Stelle der ersten Schicht ein Feld erzeugt, dessen Stärke etwa in der Mitte zwischen der Stärke des "Kollaps"-Feldes und der Stärke des "Run-out"-Feldes der magnetischen Domänen liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schicht aus dauermagnetischem Material Oeffnungen den magnetischen Domänen in der ersten Schicht gegenüber angebracht sind·

h₉ Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass sich die Oeffnungen in Richtung auf die erste Schicht verjüngen«

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5· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Domänen einen Durchmesser zwischen 0,5 und 50 /um aufweisen, 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetooptische Detektionsvorrichtung zum punktweisen Abtasten der ersten Schicht eingerichtet ist und dass eine photoelektrische Zelle in dem Lichtweg des von der Schicht kommenden Strahles angeordnet ist und das Ausgangssignal dieser photoelektrischen Zelle zusammen mit einem Synchronisationssignal einer Bildwieder— gabevorrichtung zugeführt wird.

7» Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Schicht aus dauermagnetischem Material gegenüber liegenden Seite der ersten Schicht eine Schicht aus einem reflektierenden Material angebracht ist.

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