МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ С ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ПЕТЛЕЙ ГИСТЕРЕЗИСА (ППГ)

^Современные устройства технической кибернетики содер­жат тысячи элементов, запоминающих и перерабатываю­щих поступающую информацию. Обычно в подобных системах информация, подлежащая обработке, представляется в двоич­ной системе счисления, в которой для кодирования любой вели­чины используются только два символа: «1» и «О». Огромное преимущество двоичной системы счисления заключается в том, что она позволяет весьма просто изобразить любое число с лю­бой степенью точности с помощью электрических импульсов.

Например, если принять, что наличие импульса соответствует цифре «1», его отсутствие — цифре «О», а очередность появления импульса — номеру его разряда, то шестиразрядное двоичное число 101011, соответствующее десятичному числу 43, можно записать приведенной на рис. 74, а последовательностью вре­менных импульсов (нулевой разряд записывают справа).

Для передачи и обработки информации в двоичной системе без возникновения ошибок требуется, чтобы величина напряже­ния импульса, соответствующая «1», была не меньше некото­рого минимального значения Uu а величина напряжения помех при наличии «О» не превышала некоторого максимального зна­чения U2.

Применяется также параллельная запись двоичных чисел, при которой импульсы, соответствующие различным разрядам, появляются на разных выходах схемы одновременно (рис. 74, б).

В качестве элементов хранения и переработки двоичной ин­формации все больше применяются элементы, выполненные на основе ферромагнетиков с использованием двух его устойчивых состояний, которые характеризуются положительным и отрица­тельным значениями остаточной индукции. Можно показать {см., например, [Л. 30]), что отношение полезного сигнала к сиг­налу помехи для кибернетических устройств с магнитными эле­ментами получается тем больше, чем ближе петля гистерезиса приближается к прямоугольной форме, т. е. чем меньше разни­ца между максимальной Втах и остаточной Вг индукциями. По­этому магнитные материалы этой группы принято называть ма­териалами с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ).

Двоичные элементы на сердечниках с ППГ по надежности значительно превосходят не только ламповые, но и полупровод­никовые элементы. Они обладают также другими преимущест­вами (хранением информации без затрат энергии, высокой стабильностью характеристик, малым потреблением мощности, малыми размерами, низкой стоимостью, простотой проектирова­ния сложных устройств), в силу которых находят все большее применение в устройствах хранения и переработки дискретной информации.

Переключение сердечников с ППГ из одного состояния на­магниченности в другое может осуществляться в основном дву­мя способами: перемагничивающими токовыми импульсами, создающими поля, значительно превосходящие коэрцитивную силу, или совпадающими во времени несколькими токовыми им­пульсами, каждый из которых не может заметно изменить со­стояние сердечника и суммарное значение которых превосхо­дит коэрцитивную силу.

Первый способ переключения сердечников применяется в основном в устройствах переработки и передачи информации, второй — в устройствах хранения дискретной информации (за­поминающих устройствах).

Материалы с ППГ могут быть подразделены на три группы: ферриты, текстурованные ферромагнитные сплавы, применяе­мые в виде лент толщиной от 0,5 мм до единиц и десятков мик­рон, и тонкие ферромагнитные пленки.

В настоящее время наибольшее распространение получили ферритовые сердечники с ППГ благодаря открытию ферритов со спонтанной (самопроизвольной) прямоугольностью петли гистерезиса. При изготовлении таких сердечников не требуется принятия специальных технологических мер (создания механи­ческих напряжений или отжига в магнитном поле) для получе­ния текстуры, обеспечивающей получение высокой прямоуголь - ности петли, как это необходимо для металлических материа­лов с ППГ. Технологический процесс производства ферритовых сердечников с ППГ значительно проще процесса изготовления ленточных сердечников из сплавов тонкого и сверхтонкого про­ката. Однако микронные сердечники, изготовленные из сплавов сверхтонкого проката (2—10 мк), выгодно отличаются от фер­ритовых сердечников своей температурной стабильностью и луч­шими магнитными свойствами.

Применение тонких ферромагнитных пленок, имеющих вы­сокие частотные свойства и позволяющих создать компактные элементы, на перемагничивание которых требуются незначи­тельные затраты энергии, открывает большие перспективы для развития радиоэлектроники. Но многие вопросы в области изго­товления и применения тонких пленок, например такие, как по­лучение элементов с одинаковыми свойствами, измерение их па­раметров и другие, находятся еще в стадии разработки.

В зависимости от особенностей устройств, в которых исполь­зуются ферромагнетики с ППГ, требования к ним могут суще­ственно различаться. Так, ферромагнетики, предназначенные для работы в устройствах переработки дискретной информации, должны отличаться небольшим значением статической коэрци­тивной силы Нс. Наоборот, ферромагнетики, предназначенные для работы в устройствах хранения дискретной информации, в которых для переключения сердечников используется принцип совпадения нескольких токов, должны иметь большое значение Нс для обеспечения высокого быстродействия.

Однако все же можно сформулировать следующие основные требования к материалам с ППГ.

1. Основным параметром, характеризующим магнитный ма­териал и магнитный элемент, является коэффициент прямо - угольности петли гистерезиса /СПр[66], представляющий собой от­ношение остаточной индукции Вг к максимальной индукции

В max-

= (69)

Значение максимальной индукции Втах обычно определяют для поля Нтах = (5—10) Н-с, что близко соответствует предель­ным характеристикам.

Желательно, чтобы /Спр был возможно большим (ближе к единице). Для современных материалов с ППГ коэффициент прямоугольное™ /Спр = 0,8—0,98.

Наибольшей прямоугольностью петли обладают металличе­ские сердечники.

При работе сердечника с ППГ в режиме совпадения двух или нескольких токовых импульсов важным параметром явля­ется коэффициент квадратности Ккв, который представляет со­бой отношение изменения индукции при положительном воздей­ствии, уменьшенном в k раз (&<1), к изменению индукции при предыдущем полном отрицательном воздействии, следую­щим за полным положительным воздействием (рис. 75):

( ^шах)

Обычно k равно 0,33; 0,5 или 0,66, что соответствует дейст­вию частичных токов возбуждения, составляющих '/з, 7г или 2/з величины перемагничивающего тока.

Коэффициент квадратности должен быть достаточно мал. Это означает, что при работе по частному циклу, определяемому симметричным воздействием ±#тах, уменьшенное в k раз, воз­действие не должно существенно менять намагниченности сер­дечника (стягивать его).

Для хороших образцов ферритов /Скв < 0,2 и достигает 0,3 при коэффициенте k, равном 0,66. Так как ленточные сердечни­ки практически не используются в запоминающих устройствах, то значения коэффициента квадратности для них обычно не приводятся.

Коэффициент квадратности магнитных пленок при воздей­ствии поля, совпадающего по направлению с осью легкого на­магничивания, достигает высоких значений, что позволяет эф­фективно использовать эти элементы в запоминающих устрой­ствах, работающих на принципе совпадения токов.

Время, необходимое для переключения ферромагнетика с ППГ из одного состояния остаточной индукции в противополож­ное, называемое временем перемагничивания Тф, должно быть по возможности малым.

Уменьшение Тф, помимо пропорционального увеличения бы­стродействия устройства, вызывает также возрастание выход­ного сигнала, снимаемого с элемента.

Время переключения сердечников с ППГ в современных уст­ройствах автоматики и вычислительной техники составляет не­сколько микросекунд. В наиболее быстродействующих устрой­
ствах это время доходит до одной микросекунды и менее и ог­раничено в основном трудностями создания кратковременных мощных переключающих полей.

Рис. 75. К определению коэф­фициента квадратности

На рис. 76 представлены сравнительные зависимости 1/тф = =/(#) для трех основных групп материалов с ППГ, из которых видно большое преимущество в этом отношении микронных сер­дечников и особенно тонких ферромагнитных пленок по сравне­нию с ферритами.

Рис. 76. Сравнительные зависимо­сти '/та = f(H) для трех групп ма­териалов

4. Для обеспечения быстрого перемагничивания сердечников они должны иметь небольшое значение коэффициента переклю­чения Sw, под которым понимают величину электрического за­ряда (количество электричества), необходимого для полного переключения сердечника, т. е. для его перемагничивания из од­ного состояния остаточной индукции в противоположное состоя­ние максимальной индукции.

Коэффициент переключения Sw зависит только от типа фер­ромагнетика (свойств материала сердечника и его геометрии) и в определенных пределах не зависит от характера переключе­ния.

Коэффициент переключения измеряется обычно в мкк/см или э-мксек. Для ферритов различных марок Sw = 0,25— 0,66 мкк/см. Для ленточных сердечников микронного проката Sw=0,2—1,6 мкк/см и возрастает по мере увеличения толщи­ны листа. Для тонких ферромагнитных пленок Sw значительно меньше, чем для сердечников.

Поле старта Яст, под которым понимают усредненное зна­чение напряженности статического поля, характеризующего ве­личину динамической коэрцитивной силы, в большинстве случа­ев желательно иметь минимальным.

Обычно Яст = (1,2—1,4) Яс.

Высокая температурная стабильность свойств.

Для ферритов характерно повышение точки Кюри с увеличе­нием коэрцитивной силы. Так, например, феррит марки ВТ-5, имеющий коэрцитивную силу Яс = 0,12 а/см, теряет свои фер­ромагнитные свойства при темпе­ратуре + 150° С, в то время как феррит марки ВТ-6, имеющий коэрцитивную силу Яс = 3,0 а/см, сохраняет свои основные свойст­ва до +320° С. Такая зависи­мость объясняется тем, что высо­кокоэрцитивные ферриты имеют меньшее процентное содержание компонент с повышенной зависи­мостью свойств от температуры. Вообще у сердечников с большими значениями коэрцитивной си­лы наблюдается меньшая зависимость статических и динамиче­ских (импульсных) параметров от температуры.

Форма петли гистерезиса феррита при разных температурах схематически показана на рис. 77. Как правило, при повыше­нии температуры площадь петли уменьшается, а прямоуголь - ность ее ухудшается, т. е. происходит уменьшение коэрцитивной силы, остаточной индукции и коэффициента прямоугольности. При охлаждении сердечников наблюдаются обратные явления.

На рис. 78, а и б приведены для феррита марки ВТ-1 темпе­ратурные зависимости магнитных характеристик сердечников:

Юо

А?

Во

40

Рис. 77. Петли гистерезиса фер­рита с ППГ при разных темпе­ратурах

Рис. 78. Изменение свойств феррита марки ВТ-1 от температуры:

А — относительной коэрцитивной силы; б — относительной остаточной индукции

20

Относительной коэрцитивной силы

Нс = 100%

0 = 20°С)

И относительной остаточной индукции

Вг = Br(to = t) 100%.

Данные зависимости показывают, что коэрцитивная сила и остаточная индукция в зависимости от температуры изменяют­ся приблизительно по линейному закону:

TOC \o "1-3" \h \z Нс% =Ш-Кни (71)

И

Я, % = 100-/Гв & (72)

О г

Где ti° = t°—20° С, t = (+20° С) — ( + 60° С), а коэффициенты линейности Kffc = 0,60; К# 0,40.

Наибольшие неприятности при использовании схем на фер­ритах с ППГ при повышенных температурах вызывает уменыпе-

Рис. 79. Зависимость динамических параметров феррита от температуры: а — поля старта; б — коэффициента переключения

Ние коэффициента прямоугольности динамической петли гисте­резиса, приводящее к возрастанию сигнала помехи. Последний может исказить информацию, перерабатываемую устройством, выполненном на ферритовых сердечниках.

На рис. 79 приведены зависимости основных динамических параметров феррита (поля старта и коэффициента переключе­ния) от температуры для одного из типов ферритов с ППГ. Как видно из рассматриваемых характеристик, изменения поля стар­та и коэффициента переключения направлены в одну и ту же сторону, что приводит к значительной нестабильности процесса переключения сердечника при изменении температуры.

При работе в особенно тяжелых температурных режимах следует использовать металлические материалы с ППГ, у кото­
рых зависимость свойств от температуры значительно слабее, чем у ферритов.

При изменении температуры от —20 до +60° С у ферритов различных марок коэрцитивная сила уменьшается в 1,5—2 ра­за, остаточная индукция — на 15—30%, коэффициент прямо - угольности — на 5—35%. Параметры металлических сердечни­ков в этом диапазоне температур практически не изменяются.

Температурная стабильность магнитных пленок в настоящее время исследована сравнительно мало. Стабильность парамет­ров металлических магнитных пленок достаточно высока. Они могут устойчиво работать в диапазоне температур ±150° С.

Перечисленных требований не всегда бывает достаточно для определения пригодности сердечников к работе в конкретной импульсной схеме. К тому же проверять каждый сердечник по всем перечисленным параметрам в производственных условиях затруднительно. Поэтому сердечники обычно испытывают в им­пульсном режиме по программе, соответствующей рабочим ус­ловиям (см.§ 33).

Рассмотрим некоторые особенности технологии производства материалов с ППГ и сердечников из них.

Наибольшее применение в качестве материалов с ППГ типа ферритов имеют магниймарганцевые ферриты. Изделия из них имеют форму тороидов относительно малых размеров и массы. Известны подобные кольца с наружным диаметром D < 1 мм; наибольшая величина D составляет 6—7 мм. Поэтому необходи­мое количество ферритового порошка сравнительно невелико.

К воспроизводимости свойств предъявляются очень высокие требования. В отдельных устройствах число работающих фер - ритовых элементов составляет сотни тысяч, и все они должны иметь вполне определенные характеристики.

Поэтому технология производства ферритов с ППГ являет­ся прецизионной. Обычно применяют комбинированный метод с использованием осаждения гидроокисей. Исходные материалы берут повышенной степени чистоты (марганец азотнокислый, окись железа, окись магния со степенью чистоты «ЧДА», окись цинка, гидроокись кальция — «Ч», углекислый аммоний — «ХЧ»).

В целом производство является весьма сложным. Так, на­пример, осадок промывают дистиллированной водой от 3 до 5 раз при времени отстоя в каждом случае не менее двух часов. Подробно это рассматривается в [JL 20].

Характерными особенностями производства ферритов с ППГ является высокая температура окончательного обжига (до 1400° С) и «воздушная закалка» изделий после спекания, кото­рая состоит в том, что изделия после нагрева и выдержки при максимальной температуре окончательного обжига высыпают на воздухе на металлический ппотивень.

С одной стороны, закалка фиксирует фазовые соотношения, полученные при высокой температуре, и предохраняет ферриты от окисления на воздухе, а с другой стороны, она приводит к появлению дополнительных напряжений в образцах и делает из­делия хрупкими. Неизбежные отклонения в температуре закал­ки приводят к различию в магнитных свойствах. Чтобы избе­жать этой операции, обжиг производят в вакуумной печи или в печи с инертным газом, где можно осуществить медленное осты­вание без окисления.

Кольца прессуют на автоматических прессах при давлении 2—3 Т/см2. Давление корректируется в зависимости от прочно­сти отпрессованных деталей и их усадки при обжиге.

Аналогичным образом в специальных пресс-формах изготав­ливаются изделия и более сложной конфигурации, например многодырочные сердечники (трансфлюксоры, биаксы, «лесенки» и т. д.). Для работы в запоминающих устройствах изготовляют­ся ферритовые пластины небольших размеров с очень большим числом отверстий. Так, например, известны пластины размером 15X15 мм, содержащие 16 x 16 = 256 отверстий. Подобные пластины изготовляются литьем или ультразвуковым сверле­нием.

Производство металлических сердечников микронного про­ката в принципе не отличается от производства сердечников из ленты толщиной от 0,02 мм и выше (см. § 12).

Некоторая особенность состоит только в использовании спе­циального оборудования для прокатки ленты на толщину ме­нее 0,02 мм.

Тонкие пленки изготовляются или испарением магнитного материала в вакууме с последующим осаждением его на по­верхность носителя, или методом катодного распыления в ат­мосфере газа, или гальваническим способом. Наибольшее рас­пространение получил первый способ.

В качестве подложки применяются изолятор (стекло) или проводник (алюминий). Элементы, изготовленные на стекле, по­лучаются более качественными и имеют меньший разброс па­раметров, но этот способ дороже и сложнее второго.

Для придания пленочным элементам начальной магнитной ориентации в заданном направлении подложка помещается между полюсами электромагнита. Геометрия тонких пленок в значительной степени определяет характеристики этих элемен­тов. Обычно используются плоские и цилиндрические магнитные пленки. В настоящее время применяются также многослойные пленочные магнитные элементы, обладающие рядом специфиче­ских преимуществ.

Рассмотрим выпускаемые в настоящее время отечественные материалы с ППГ.

Выпуск ферритовых сердечников с ППГ недостаточно цент­рализован и на эти изделия существуют только временные тех­нические условия [Л. 32].

Сердечники одной и той же марки, но выпускаемые различ­ными предприятиями, могут значительно отличаться по своим характеристикам. В табл. 26 приведены усредненные магнитные характеристики ферритов с ППГ. ^ ^ ^

Статические и динамические параметры ферритовых сердечников с ППГ [Л. 33]

Типовой размер, мм

Временные технические условия распространяются только на ферритовые сердечники марок ВТ-1, ВТ-2, ВТ-6, ВТ-7 и К-28[67]. Геометрические размеры сердечников из этих материалов ука­заны в табл. 27.

Металлические материалы с ППГ изготовляют в настоящее время в соответствии с ГОСТ 10160—62 «Сплавы железонике-

Таблица 27

Геометрические размеры изделий из ферритов с ППГ

Левые с высокой магнитной проницаемостью». Этот ГОСТ пред­усматривает выпуск сплавов марок 50НП, 65НП, 34НКМП, обладающих кристаллографической или магнитной текстурой и прямоугольной петлей гистерезиса. В приложении к стандарту указан режим окончательной термической обработки изделий. В табл. 28 приведены магнитные свойства сплавов 50НП, 65НП и 34НКМП после термической обработка. Свойства металличе­ских сердечников микронного проката приведены в табл. 29.

Пленочные магнитные материалы с ППГ находятся в стадии лабораторных исследований, поэтому нормалей на эти элемен­ты нет.

Сравнительная оценка свойств различных групп материалов с ППГ позволяет сделать следующие замечания о выборе мате­риалов для устройств различного назначения.

При создании аппаратуры, работающей в широком темпера­турном диапазоне, необходимо использовать ленточные сердеч­ники. В переключающих устройствах, работающих на частотах в сотни килогерц, целесообразно применять микронные сердеч­ники из сплавов 79НМ (или 79НМА) с толщиной ленты 3 мк и менее, так как эти сердечники имеют наименьшее значение ко­эффициента переключения. При частотах перемагничивания в десятки килогерц лучше использовать сердечники из сплава 34НКМП с толщиной ленты 10 и 5 мк, которые имеют высокий коэффициент прямоугольности, доходящий до 0,98.

Следует отметить, что из-за сложности технологического процесса микронные сердечники являются сравнительно доро­гими элементами, поэтому во всех возможных случаях жела­тельно использовать более технологичные ферритовые сердеч­ники, особенно при применении сердечников в больших количе­ствах.

Таблица 28

Магнитные свойства сплавов с ППГ после окончательной термической

Обработки

(По данным ГОСТ 10160—62)

Марка сплава

Толщи­на лен­ты, мк

Я, э

В, гс т

К (Я пр max =5 Я ) с

Ср

MKKjCM

6** А. А. Преображенский

В запоминающих устройствах целесообразно применять фер­риты марок ВТ-], ВТ-6, ВТ-7 и К-28, а в логических схемах луч­ше использовать ферриты ВТ-2, ВТ-5 и др. Размеры сердечни­ков во всех случаях желательно брать минимальными и они обычно определяются числом витков обмоток, размещенных на сердечнике, и мощностью, передаваемой через магнитный эле­мент.

Применение тонких магнитных пленок целесообразно в ма­логабаритных, быстродействующих и технологичных запомина­ющих устройствах.