Ленты-диски магнитной записи

Работоспособным считается лишь тот носитель информации, который в полной мере удовлетворяет требованиям, установленным в техническом задании (ТЗ), стандартах и технических условиях (ТУ). А требования эти из-за огромного числа областей применения носителей магнитной записи (лент, жестких и гибких дисков), весьма многообразны и в ряде случаев противоречивы. Детальное рассмотрение всего разнообразия требований, предъявляемых к носителям магнитной записи, не входит в цели книги, поэтому ниже для каждого вида носителя приведены лишь основные, наиболее общие требования.

Магнитные ленты (МЛ) для звукозаписи: обеспечение высокой чувствительности; постоянство чувствительности (при минимальной ее неравномерности) вдоль длины ленты в рулоне; обеспечение максимального уровня выходного

[ сигнала; минимальный уровень шумов и нелинейных ис-

I кажений записи.

Ленты для кассетных магнитофонов являются тонкослойными и имеют толщину не более 15 ... 20 мкм, поэтому к ним предъявляется дополнительное требование

, сохранения стабильными прочностных свойств в процессе длительной эксплуатации в нормальных условиях.

- Ленты для магнитной видеозаписи: обеспечение высокой разрешающей способности при высокой достоверности записи информации (не менее 10~ ... 10~*); большое отношение сигнал-шум; срок службы не менее 10-10 ч (5000 прогонов ленты в тракте ЛПМ видеомагнитофона) в нормальных климатических условиях; высокая износостойкость рабочего слоя МЛ, отсутствие его осыпания либо замазывания магнитных головок продуктами износа; низкий уровень шумов.

Магнитные ленты для точной записи: обеспечение высокой разрешающей способности; работоспособность в

нормальных и экстремальных условиях эксплуатации в течение заданного периода времени; большое отношение сигнал-шум; высокая достоверность записи информации.

При использовании МЛ в составе изделий новой техники, к перечисленным требованиям добавляются специальные требования, выполнение которых определяет пригодность МЛ для использования в специальной аппаратуре магнитной~записи. Это учитывается прежде всего в случаях, когда невозмбжно вмешательство оператора для замены МЛ либо исправления ее дефектов технологического происхождения; при необходимости обеспечения длительной непрерывной работы МЛ, а также для исключения потери даже незначительной части записанной информации.

Магнитные ленты для вычислительной техники: обеспечение высокой плотности записи информации; по возможности - прямолинейность предельной (сквозной) плот-ностной характеристики; предельно достижимая достоверность записи информации; высокая износостойкость рабочего слоя в нормальных и экстремальных климатических условиях эксплуатации; минимальная абразивность поверхности рабочего слоя [1]; высокий и постоянный (вдоль длины ленты в рулоне) уровень выходного сигнала; хорошая электропроводность обратного слоя МЛ.

Жесткие магнитные диски (МД): обеспечение высокой разрешающей способности рабочего слоя при высокой достоверности записи информации; высокая эксплуатационная надежность; длительный срок службы в составе ЭВМ; высокие прочностные свойства рабочего слоя, высокая адгезионная прочность рабочего слоя по отношению к основе; равнотолщинность рабочего слоя диска вдоль всей его поверхности; высокий и постоянный уровень выходного сигнала.

Гибкие магнитные диски: обеспечение заданной плотности записи информации, при высокой (не менее 10~*) степени ее достоверности; высокая износостойкость рабочего слоя (рабочих слоев) в процессе длительной эксплуатации в составе мини- и микроЭВМ.

1.2. ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ ОСНОВЫ НОСИТЕЛЕЙ МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ

Материалом основы МЛ и гибких МД с ферролаковым рабочим слоем являются полиэтилентерефталат либо (для нагревостойких носителей) полиимид. Основой жестких МД служат легкие сплавы ца основе алюминия.

Отметим основные требования, предъявляемые к основам каждого из носителей.

Основа магнитных лент (МЛ): гомогенность состава, отсутствие непроплавов, механических включений и микропузырьков воздуха; постоянство необходимых физико-механических свойств вдоль длины основы в рулоне; нерастворимость в растворителях, традиционных для современного производства МЛ; высокие антистатические свойства; совместимость со связующими веществами и другими компонентами ферролакового рабочего слоя МЛ. - Основа жестких МД: стабильность структуры и свойств, их воспроизводимость от партии к партии; TexHOj логичность, пригодность для механической и химической обработки; отсутствие посторонних включений; термомеханических напряжений, микротрещин и микропустот.

Основа гибких МД: плоскостность и равнотолщинность; гомогенность состава, отсутствие непроплавов и механических включений; стабильность, стойкость к воздействию растворителей; совместимость со связующими веществами и другими компонентами ферролакового рабочего слоя МД.

1.3. ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ ЗАПОМИНАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Как будет показано в гл. 4, ферропорошки, используемые в* качестве запоминающей среды в современных носителях магнитной записи, отличаются разнообразием типов, модификаций, а также структурных, технологических и магнитных свойств. Большинство особенностей, характери-зуюпшх ферропорошки конкретных типов, рассматривают- . ся в гл. 4 и 5; здесь же перечислим лишь наиболее общие требования, которым должны отвечать ферропорошки независимо от их типа и способа получения [2].

Структура микрочастиц: максимальная однородность размеров, в идеальном случае-монодисперсность; оптимальные размеры (определяемые целевым назначением носителей магнитной записи, в которых порошки используются) ; отчетливо выраженная анизотропия формы микрочастиц; отсутствие микропор ц микротрещин.

Технологические свойства: химическая стабильность; относительная простота и технологичность процессов получения (на всех стадиях); минимальная электризуемость частиц порошка; хорошая диспергируемость в пленкообразующих; отсутствие (либо минимальное, строго регламентированное содержание) вредных водорастворимых примесей и влаги; минимальная гранулярность порошка.

Магнитные свойства: оптимальное соотношение основных магнитных свойств (определяемое целевым назначением носителя); в подавляющем большинстве случаев - пре;<ельно достижимое значение остаточной магнитной индукции и коэффициента выпуклости петли гистерезиса; однородность магнитных свойств в пределах промышленных партий ферропорошка и их воспроизводимость от партии к партии; минимальная дисперсия полей перемагничйва: ния микрочастиц ферропорошка. Хотя основные рабочие параметры носителей магнитной записи определяются особенностями ферропорошка, однако они существенно зависят также от характеристик связующего вещества. В част-~ ности, такими характеристиками, непосредственно влияющими на рабочие параметры МЛ всех типов и назначений, являются достижимые технологическими методами состояние поверхности ферролакового слоя и ориентацион-иая способность ферропорошка в нем.

Связующие вещества должны отвечать следующим общим требованиям: высокая точка размягчения; температурная стабильность в составе рабочего слоя носителя; повышенная диспергирующая способность; низкий коэффициент трения; плохая адгезия к магнитным головкам; относительно малое электрическое сопротивление; высокие прочностные свойства, стойкость к атмосферным воздействиям.

ГЛАВА 2

СОВРЕМЕННЫЕ МАГНИТНЫЕ ЛЕНТЫ

2.1. НЕКОТОРЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МАГНИТНЫХ ЛЕНТ

Информационно-вычислительные комплексы, включающие ЗУ на магнитной ленте (МЛ), считаются эффективными, если они выполняют следующие основные функции: запись, хранение, воспроизведение, передачу информации. Обеспечение указанных функций ЗУ и аппаратуры магнитной записи (АМЗ) представляется задачей большой технической и технологической сложности. Она успешно решается лишь немногими странами ценой больших усилий и материальных затрат. Именно следствием отмеченной сложности, а также комплексного характера рас-сматриваемЬй проблемы является то, что лишь нескольким странам удалось создать и организовать производство МЛ для точной магнитной записи, видеозаписи и электронной вычислительной техники.

Приведем примеры использования ЗУ на МЛ: проведение научных исследований; испытания изделий техники; использование в образцах новой техники, а также в учебно-тренировочной аппаратуре, в счетно-решающих устройствах систем автоматического управления летатель-

ными аппаратами (ПА) и др. Роль 3V ЭЁМ иа магнитной ленте также велика.

ЗУ иа магнитной ленте широко представлены также в телеметрической аппаратуре, в бортовой аппаратуре ИСЗ, орбитальных станций и космических аппаратов (КА). Так, в первых исследовательских ИСЗ США типа Courier использовалась цифровая АМЗ на магнитной лейте шириной 6,25 мм суммарной толщиной 25 мкм на лавсановой основе, ЗУ этой аппаратуры имело информационную емкость 55 Кбнг при линейной плотности записи информацяи 73 бит/мм. Скорость движения МЛ в обоих направлениях составляла 76 см/с.

Еще в 60-е гг. в бортовой аппаратуре зарубежных ИСЗ начали использоваться и ЗУ петлевого типа, содержащие, например, кольцо МЛ шириной 6,25 мм с длиной петли леиты 100 и, имевшей скорости движения 32,6 и 0,0254 см/с. В 70-е гг. технический уровень бортовой АМЗ с ЗУ на МЛ существенно повысился: в ией начали использоваться накопители емкостью до 10 бит с ресурсом работы до 18-10 ч, обладавшие возможностью записи информации со скоростями до 10 Мбит/с. Примером носителя информации в них может служить МЛ шириной 25,4 мм с линейной плотностью записи информации 80 бит/мм, или эквивалентной поверхностной плотностью записи 10* бит/мм, регистрируемой на 28 дорожках. В бортовых ЗУ изделий космической техники в 70-е гг. широко использовались МЛ шириной 6,25; 12,7 v 25,4 мм при длине леиты в рулоне от 15 до 30 м (в ЗУ петлевого типа) и до 380 м- в рулоне, при скоростях движения ленты 25... ... 300 см/с, с числом дорожек 8 ... 15 и более. С другой стороны, в ряде случаев скорость записи информации иа МЛ составляла 0,75 мм/с.

Таким образом, уже 20 ... 25 лет тому назад дли столь ответственных применений в составе изделий дорогостоящей новой техники требовались ЗУ на МЛ, отличающиеся высокой эксплуатационной надежностью и устойчивостью работы в течение длительного времени. Трудность обеспечения работоспособности ЗУ на МЛ усугублялась такими жесткими условиями их работы, как ускорения до 4000... 6000 м-с- (400 ... 600 g) с длительностью действия ударного ускорения до 3 мкс при перегрузках до 6000 м-с- и сильные хаотические вибрации [3]. Недостаточная нагревостойкость МЛ (в 1963 г. предельно допустимая рабочая температура дли МЛ в бортовых ЗУ ИСЗ США составляла 190 С при длительности теплового воздействия 2 ч) требовала использования в АМЗ тепловых экранов, герметичных контейнеров, заполненных гелием под давлением, и принятия других защитно-предохранительных мер.

Потребность современной техники в ЗУ на МЛ постоянно растет, несмотря на расширение использования накопителей на магнитных дисках (НМД). Конструкции накопителей на магнитной ленте (НМЛ) непрерывно совершенствуются: скорости передачи данных в них возрастают, емкость НМЛ также постоянно увеличиваетси. Известен, например, НМЛ, емкость которого составила более 50 Мбит при диаметре рулона леиты 270 мм, длине ленты в рулоне 732 мм и ширине ее 12,7 мм.

В качестве примера современного НМЛ с высокой плотностью записи информации можно упомянуть аппарат, в котором используется МЛ шириной 25,4 мм. Его пропускная способность приближается к 100 Мбит/с при достоверности записи около Ю ; информационная емкость одного рулона ленты диаметром 300 мм равна около 50 Гбит при поверхностной плотности записи информации 85 Мбит/см.

В настоящее время МЛ широко используется также в периферий-

ных ЗУ ЭВМ для хранения больших массивов данных (т. е. в архивных ЗУ) и является наиболее экономичным средством их накоплении. К числу уникальных НМЛ следует отнести ЗУ сверхбольшой емкости фирмы Атрех (США), рассчитанное на заполнение 10 бит информации. В этом ЗУ для предельного увеличения плотности записи использован вращающийся блок универсальных магнитных головок. Представляется, что появление таких ЗУ будет способствовать расширению роли магнитной записи в информационно-вычислительной технике.

Одной из устойчивых тенденцнй развития НМЛ является стремление разработчиков к их миниатюризации.

Таблица 2.1

Магнитная лента &о(сЬ-7Г7 на ягольчатой гамма-окнси железа фирмы ЗМ (США)

Таблица 2.2.

Идея использования кассетного ЗУ была высказана еще в 1945 г.. однако реализована она была лишь в кассетных бытовых магнитофонах. Ко времени появления кассетных аппаратов магнитной звукозаписи относятся первые попытки использования кассетных НМЛ в мини-и микро-ЭВМ. Механический перенос кассет для знукозаписи в область информационной техники окончился неудачей из-за недостаточной достоверности записи информации на МЛ того времени и их низкой эксплуатационной надежности. Однако очень скоро появилось множество кассетных НМЛ, отвечающих повышенным требованиям. ~у Емкость НМЛ, приемлемая для многих применений, их надеж-/ иость, соиместимость с периферийными устройствами ЭВМ различных ; типов привлекли внимание фирм электронного, радиотехнического и , электротехнического профиля во многих странах, наладивших их мас-Х^совый выпуск.

Хотя о кассетных НМЛ известно мало, а результаты их сравнительных испытаний не публикуются, некоторое представление о них дают сведения, приведенные в табл. 2.1 и 2.2 [5].

Кассетные НМЛ относятся к периферийным устройствам мини- и микро-ЭВМ с последовательным доступом, в которых запись информации осуществляют, как правило, на 1-2 дорожках методом фазового кодирования. Кассетный НМЛ представляет собой высокоточный узел, содержащий, как правило, 90 м ленты для цифроной записи. Условия эксплуатации кассетных НМЛ весьма жесткие: интернал рабочих температур -f 5 ...-(-40°С и даже 0...--45°С; интервал температур при

хранении -40 ... -ЬбО'С; относительная влажность воздуха О

.,. 95%. В этих условиях кассеты с магнитной лентой работоспособны в течение 5 лет и более. Именно высокая эксплуатационная надежность НМЛ, обеспечиваемая наличием у них защитного слоя, адгезионного подслоя и обратного антистатического слоя, позволяет раскрыть в полной мере возможности кассетных НМЛ. Эти возможности включают {4]: сбор данных с периферийных устройств с последующей передачей кассет с информацией в центры обработки данных; временный сбор данных, используемых по замкнутому циклу одной информационной системой; управление последовательными (статическими или динамическими) массивами, данных; управление библиотеками программ и др .

Перспективы совершенствования кассетных НМЛ благоприятны. Прогнозы подтверждают реальную возможность доведения в ближайшие годы информационной емкости ЗУ этого типа (иа МЛ шириной 12,7 мм) до 200 Мбит и более.

2.2. МАГНИТНЫЕ ЛЕНТЫ ШИРОКОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Для современного мирового производства порошковых МЛ характерны следующие особенности: 1) ленты выпускаются главным образом фирмами электронного и приборостроительного профиля, а не химическими предприятиями (исключением был концерн BASF (ФРГ), но и он приступил к производству накопителей на сменных магнитных дисках с ферролаковым рабочим слоем); 2) для решения проблем ка честна и надежности привлекаются крупные научные силы; 3) зарубежные фирмы разрабатывают и изготовляют для собственных нужЛ-технологическое оборудование. ~ Ленты для магнитной звукозаписи. Номенклатура МЛ данного класса охватывает ленты для студийных магнитофонов (со скоростью записи-воспроизведения 38,1 см/с и стандартным уровнем записи); МЛ для студийных магнитофонов с увеличенным уровнем записи; МЛ для

магнитные свойства обеспечиваются, как правило, использованием активированных кобальтом либо сплавных ферропорошков с частицами размерами не более 1 мкм. ц

Главные проблемы, решаемые зарубежными разработчиками видеолент в последние годь, - это обеспечение высокой износостойкости рабочего слоя МЛ, повышение достоверности записи информации, достижение минимальной абразивиости поверхности рабочего слоя; улучшение магнитных свойств.

Особое внимание уделяется в мире освоению перспективных марок связующих высокополимеров, использование новых типов ферропорошков и .вспомогательных материалов - наполнителей минерального происхождения (антистатиков, смазок и др.). Среди других направлений работ в области совершенствования видеолент можно отметить работы по снижению до 0,1 ... 0,2 мкм шероховатости поверхности рабочего слоя; устранению проскальзывания МЛ в трактах записи-воспроизведения видеомагнитофонов, повышению прочности видеолент.

Ленты для точной магнитной записи разрабатынаются в основном в США, Японии и ФРГ, на долю которых приходится 50, более 20 и около 15 % общего числа разработок. Тенденцией развития МЛ этого класса является стремление к повышению плотности записи информации и степени ее достоверности.

Современные МЛ для точной записи обладают лучшими показателями по таким параметрам, как уровень магнитных свойств, нагрево-стойкость, продольная плотность записи информации (от 356 бит/мм при групповом кодировании и вплоть до 2000 бит/мм), износостойкость рабочего слоя. Кроме того, эти МЛ имеют минимум контактных потерь, минимальную абразивность поверхности рабочего слоя; высокую долговечность при эксплуатации и хранении в нормальных, а во многих случаях также в экстремальных климатических условиях, сохраняют работоспособность при высоких скоростях записи. В табл. 2.11 приведены магнитные свойстна ферропорошков, используемых в МЛ для записи с высокой плотностью.

Таблица 2.11

Наряду с МЛ, имеющими ферролаковый рабочий слой, разрабатываются МЛ с металлизированным рабочим слоем.

Предельным конструктивно-технологическим решением считается создание работоспособных МЛ с металлизированным рабочим слоем толщиной от 0,3 ... 1,0 мкм до 0,05 ... 0,2 мкм. Как правило, МЛ с металлическим порошком имеют адгезионный подслой и защитное покрытие, вводимые в конструкцию для обеспечения эксплуатационной надежности.

Затраты на совершенствование МЛ данного класса составляют более 20 °/о затрат на все разработки новых зарубежных МЛ.

Ленты для электронной вычислительной техники. Типовые характеристики МЛ следующие; толщина - 38 ... 25 мкм; длина в рулоне - 600 ... 1100 м; число дорожек зааиси - 7 ... 20; скорость 0,76 ... 6,0 м/с; плотность записи информации - 50 ... 400 бит/мм. Леиты отличаются удобством обращения к записанной информации и рассчитаны иа многоразовое использование.

В то же время МЛ для вычислительной техники присущ ряд ограничений, а именно: их магнитные свойства зависят не только от характеристик используемого ферропорошка, ио и от композиции ферро-лака, толщины рабочего слоя и других факторов; имеется определенная неравномерность распределения микрочастиц порошка в рабочем слое; не всегда достаточна адгезионная прочность рабочего слоя по отношению к полимерной основе и др.

Таблица 2.12

Таблица 2.13

буидаментйльнЫм Вопросом в Технологии МЛ для вычислительной техники, требующим решения, является обеспечение необходимой их эксплуатационной надежности, одного из важнейших требований к МЛ данного класса {8]. Считается, что эти МЛ выдерживают в зависимости от типа от 2-10* до 10 прогонов, при этом достоверность записи составляет 10- и более при плотности записи 400 ... 1200 бит/мм.

Представление о МЛ для кассетных накопителей ЭВМ дают сведения, приведенные в табл. 2.12. Важно отметить, что скорость МЛ в кассетных НМЛ определяется лиш^ пределом ее механической прочности, устойчивостью контакта поверхности рабочего елая с магнитной головкой и в современных НМЛ достигает 5 ... 6 м/с.

Измерительные магнитные ленты являются неотъемлемой частью технологии аппаратуры магнитной записи н относятся к числу наиболее существенных производственных секретов - зарубежных фирм. Их назначением является: обнаружение перекосов рабочего зазора магнитных головок; размагничивание магнитных головок (например, в кассетных магнитофонах); контроль контакта МЛ с магнитными головками в тракте лентопротяжного механизма; контроль числа выпадений записанной информации и т. п.

Сведения об измерительных МЛ японского производства даны в табл. 2.13.

2.3. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАГНИТНЫХ ЛЕНТ

С середины 70-х гг. в мире осуществлено более ПО разработок новых МЛ для звукозаписи, видеозаниси и точной магнитной записи. Усилия стран-производителей МЛ были сосредоточены прежде всего на совершенствовании МЛ для иидеозаписи и для точной записи, т. е. МЛ, использование которых связано с качественно новыми явлениями в технологии, науке и технике. Что касается МЛ для бытовых магнитофонов, то разрабатываются в основном двухслойные МЛ и МЛ иа металлических н сплавных ферропорошках, предназначенных для кассетных магнитофонов.

В последнее 10-летие освоено новое поколение МЛ с высокоэнер-гетическимн запоминающими средами: на модифицированной двуокиси хрома; кобальтироваииых порошках, а также металлических и сплавных порошках.

Переход к использованию высокоэнергетическйх МЛ обеспечивает достигаемое при этом существенное повышение совокупности рабочих параметров лент и, в первую очередь, параметров электромагнитных.

Леиты на модифицированной двуокиси хрома. Первые сведения о МЛ на модифицированной CrOj относятся к 1968 г. Уже в первых работах, посвященных их описанию, обозначились перспективные области их применения: звукозапись, видеозапись, точная магнитная запись, в том числе коротковолновая запись. Современные МЛ на модифицированной СгОг представляют собой весьма тонкие двухосно ориентированные пленки полиэтиленрефталата с нанесенным на них ферролаковым рабочим слоем толщиной 10 ... 4 мкм. В двухслойных лентах для кассетных магнитофонов ферропорошок СгОя содержится только в верхнем слое толщиной около 1 мкм. Коэффициент заполнения рабочего слоя лент на модифицированной СгОг с микрочастицами средней длиной ие более 1,0 мкм достигает 60 %.

Коэрцитивная сила МЛ на СгОг 34 ... 38 кЛ/м, остаточная магнитная индукция - 0,14 ... 0,16 Тл, коэффициент прнмоугольности

петли гистерезиса 0,82 ... 0,91. Рабочие параметры МЛ на модифици-роваииой СгОг с игольчатой формой частиц приведены в табл. 2.14. Относительный уровень шума паузы этих МЛ - (51 ... 52) дБ, коэффициент гармоник - около 3 %.

Благодаря замене в рабочем слое игольчатой у-РегОз на модифицированную СгОг существенно улучшились магнитные свойства Мл, а также все электромагнитные параметры. Ленты иа СгОг отличаются превосходной частотной характерисгикой н низким уровнем шумов; высокой плотностью записи информации; повышенным (по сравнению с лентами иа YFeaOii отношением сигнал-шум и большей модуляцион-

Таблица 2.14

ной способностью на малых длинах волн записи, а также значительно большей. отдачей в тех же условиях и значительно большей'стабильностью коротковолновой записи. Перечисленные достоинства МЛ на СгОг во многом определяются высокими магнитными свойствами ферропорошка и его отличными структурными характеристиками. По свойствам и иамагничениости этот порошок на 25 ... 30 % превосходит порошок с микрочастицами игольчатой Y-FejOj. Значения фактора формы микрочастиц для СгОг в 1,5-2,0 раза выше, чем дли микрочастиц игольчатой Y-FejOa [9].

Высокая степень ориентации микрочастиц модифицированной СгОг в рабочем слое МЛ обеспечивает существенное повышение, по сравнению с лентами на -РегОз, значения коэффициента прямоуголь-иости петли гистерезиса, что наряду с их высокими магнитными свойствами делает ленты на модифицированной СгОг спочти идеальным носителем магнитной записи в диапазоне температур 20 ... 130°С. Отличные электроакустические показатели МЛ иа модифицированной СгОг, их высокие эксплуатационные характеристики (зеркальность поверхности рабочего слоя, малая электризуемость поверхности рабочего слоя) вследствие незначительного удельного поверхностного электросопротивления также во многом определяются свойствами применяемой модифицированной СгОг.

Однако в процессе налаживании массового производства МЛ на СгОг и использовании их выявился ряд недостатков. К ним следует отнести сложность технологии синтеза порошка модифицированной СгОг по сравнению с процессами получения окислов железа у-РегОз, Рез04 и, как следствие, высокую стоимость производства порошка; нестабильность свойств модвфнцироваииой СгОг на воздухе и при повышенных температурах, устраняемую сложными технологическими методами; повышенный взнос магнитных головок (25 ... 50 мкм на

1000 ч работы); повышенные (на 60% по сравнению с лентами иа у-РегОз) токи БЧ-подмагиичивания и токи стирания [6].

Ленты иа кобальтироваиных порошках (ферроокислах железа с игольчатыми микрочастицами, имеющими оболочку из феррита кобальта переменного состава) применяются в основном для магнитной видеозаписи.

Таблица 2.15

Примечание. Толщина рабочего слоя ленты -8,5 мкм, содержаяие Со в оболочке микрочастиц игольчатой Tf-FejOs со средними размерами (0,25.. .0,35)Х Х0,07 мкм равно 1,3... 1,5 %.

Выпускаемые за рубежом МЛ на кобальтироваиных порошках имеют следующие физико-механические свойства: суммарная толщина - не более 25 мкм; толщина рабочего слоя 4 ... 6 мкм; относительное удлинение - ие более 0,2 %; коэффициент линейного расширения не более 1,7-10- °С-; набухание - не более 0,2 7о, коэрцитивная сила 29 ... 38 кА/м; остаточная индукция 0,09 ... 0,16 Тл; индукция насыщения 0,17 ... 0,225 Тл, коэффициент прямоугольности петли гистерезиса 0,7... 0,85. Упаковка ферропорошка в рабочем слое колеблется в зависимости от их назначения в пределах 1,45 ... 1,7 и более. Значения некоторых рабочих параметров МЛ иа кобальтироваиных порошках приведены в табл. 2.15, 2.16.

Высокие показатели МЛ обеспечиваются введением в состав рабочего слоя не менее 40 % (объемных) кобальтироваиного порошка и эффективной ориентацией микрочастиц р этом слое. Ориентация бсу-

ществляется в постоянных магнитных полях напряженностью ие менее 1 Тл в процессе сушки рабочего слоя после нанесения на двухосно-ориентированную полиэтилентерефталатную основу, причем в зависимости от назначения ленты в продольном либо в поперечном направлении (в последнем случае - в интересах обеспечения низкого уровня шумов). Считается, что в ориентированном состоянии оказывается около 80 % всех находящихся в рабочем слое микрочастиц кобальтиро-ванного порошка.

Преимущества МЛ рассматриваемого типа перед МЛ на игольчатой у-РбгОз следующие: существенно более высокие магнитные свойства; улучшенная частотная характеристика, высокие чувствительность н отдача прн насыщении; лучшее отношение сигнал-шум, обеспечивающее качественное воспроизведение прн видеозаписи; пониженный уровень шума паузы; л>-чшая разрешающая способность; повышенная относительная отдача при видеозаписи; помехоустойчивость. К числу достоинств МЛ на кобальтнрованных порошках относится также низкое электросопротивление рабочего слоя.

Однако этим лентам присущи и недостатки, в частности, повышенная чувствительность к тепловым и механическим воздействиям; повышенный уровень копирэффекта; значительные токи записи и стирания; ускоренное падение (по сравнению с лентами на игольчатой vFiOs) уровня выходного сигнала в процессе длительной эксплуатации. (Спад на 55 % после 6000 прогонов при скорости ленты 76 см/с в сравнении со спадом на 10 % для лент на у-РегОз.)

Ленты на металлических порошках. Первое упоминание о появлении иа мировом рынке магнитной ленты на металлическом порошке для кассетных магнитофонов относится к концу 1978 г., когда фирма Sumimoto, являющаяся японским филиалом американской фирмы ЗМ, объявила о создании такой ленты с коэрцитивной силой 58 кА/м. В 1979 г. фирма ЗМ подтвердила наличие такой разработки и выпустила новую ленту под маркой Metafine. За этой фирмой в том же году последовали японская фирма Nikamichi и фирма Philips (Нидерланды). К ним в 1981 г. присоединились японские фирмы Akai, Sony, Maxell, а также фирмы других стран. Прн сходстве материала запоминающей среды, используемого в лентах рассматриваемого типа (железного порошка с игольчатыми микрочастицами), новые ленты различных фирм-изготовителей в определенной степени различались уровнем электроакустических показателей и имели различные фирменные названия: Metal tape, MX, Metall cassete и др. По состоянию на середину 1982 г., к числу фирм, производящих МЛ для кассетных магнитофонов на металлическом порошке, относились также Fuji-photo-film, DK, BASF, Ашрех.

Ленты на металлическом порошке имеют общую толщину не более 12 мкм при толщине рабочего слоя около 4 мкм; высокие магнитные свойства (коэрцитивная сила 58 ... 64 кА/м); используются при скорости записи-воспроизведения 2,4 см/с; по стоимости производства лента занимает промежуточное положение между лентами на у-Р^гОз и на модифицированной СгОг.

К числу преимуществ новых МЛ перед МЛ на игольчатой y-Fez относятся: более чем в два раза повышенная остаточная намагниченность и отдача лент; более высокий уровень воспроизводимого сигнала; расширенный динамический диапазон записи; большие на 10 ... ...12 дБ значения отношения сигнал-шум; улучшенная амплитудно-частотная характеристика; незначительный уровень нелинейных искажений; расширенный частотный диапазон (вплоть до 20 кГц); повышенная в четыре и более раз плотность записи информации; врсок§я из-

носостойкость рабочего слоя. В табл. 2.17 даны для сравнения показатели различных типов МЛ.

Естественно, что высокая энергоемкость новых МЛ порождает ряд проблем, связанных с их освоением. Проблемы эти являются следствием общих ограничений, присущих МЛ на м'еталлическом порошке, к числу которых относятся повышенные (в два и более раз по сравнению- с лентами на СгОг) токи ВЧ-подмагничивания, которые не могут быть реализованы в существующей аппаратуре магнитной записи ввиду непригодности для этого используемых в ней маломощных магнитных головок. Основные проблемы, связанные с внедрением МЛ на

Таблица 2.17

Примечание. Форма микрочастиц - игольчатая.

металлическом порошке, - это надежное пассивирование используемого металлического порошка, снижение шума МЛ, обеспечение совместимости МЛ и разрабатываемой аппаратурой магнитной записи, улучшение экономических показателей производства новых лент. Требует решения также проблема создания магнитных головок, способных справиться с существенно более высокими полями записи и стирания. Так, считается, что применительно к новым МЛ требуется разработка стирающей магнитной головки с развиваемым и сфокусированным полем стирания до 152 кА/м.

2.4. ОСОБЕННОСТИ МАГНИТНЫХ ЛЕНТ

НА МИКРОКАПСУЛИРОВАННЫХ ФЕРРОПОРОШКАХ

В последние годы ведущие фирмы-производители МЛ либо успешно решили, либо близки к решению проблемы создания МЛ нового поколения, в рабочем слое которых практически все микрочастицы ферропорошка изолированы от соседних микрочастиц тонким слоем пленкообразующего. Речь идет о разработке МЛ на полностью микрокап-сулированных ферропорошках, т. е. с использованием именно той передовой технологии, принципы которой разработаны авторами и излагаются в последующих главах.

Некоторое представление об особенностях МЛ для звукозаписи на таком порошке дают результаты постановочных экспериментов [10],

выполненных в нашей стране впервые 8 1976 г. В качестве Запоминаю щей среды в опытном МЛ была использована игольчатая v-FfeOs как гранулированная, так и предварительно в различной степени дезагрегированная в сухом состоянии. (Порошок у-РегОз, дезагрегированный в наибольшей степени, имел удельную поверхность 80 ... 100 м^/г.) Во всех опытах общее время приготовлении ферролака на всех ферропорошках составляло 90 ... 100 ч при объеме мельницы 1 дм.

Влияние дезагрегирования игольчатой РегОз на параметры МЛ типа А4407-6Б иллюстрируются данными табл. 2.18 (10]. Сраинение полученных результатов, относящихся к образцам лент на ферропорошке \-Ре20з, гранулированном в исходном (до введения в состав ферро-

Таблица 2.18

лака) состоянии и на частично дезагрегированном порошке, свидетельствует о существенном вкладе приема дезагрегирования ферропорошка в повышение рабочих параметров МЛ. В результате упомянутой предварительной технологической подготовки ферропорошка к введению в состав ферролака характеристики опытной МЛ для бытовых магнитофонов улучшились: повысилась относительная частотная характеристика; снизились уровни шумов и нелинейных искажений; улучшились магнитные свойства МЛ. Важно подчеркнуть, что повышение уровни рабочих параметров МЛ достигнуто путем простой замены в ее рабочем слое граиулироваииого ферропорошка дезагрегированным, т. е. в условиях остающейся неизменной рецептуры ферролака для рабочего слоя МЛ, далеко ие оптимальной для случая использования дезагрегированных ферропорошков, обладающих существенно более развитой поверхностью. Вполне вероятно, что оптимизация рецептуры ферролака с учетом особенностей дезагрегированного ферропорошка должна иметь следствием дальнейшее существенное повышение уровня рабочих параметров МЛ на таком порошке (прежде всего их разрешающей способности), а также износостойкости рабочего слоя.

ГЛАВА 3

СОВРЕМЕННЫЕ МАГНИТНЫЕ ДИСКИ

3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

По времени разработка экспериментальных накопителей на магнитных дисках (НМД) для ЭВМ совпала с созданием первых массовых порошковых лент для магнитной звукозаписи, хотя по темпам До середины 70-х г. развитие НМД отставало от развития накопителей на магнитных лентах (НМЛ).

Наблюдаемая с тех пор возрастающая активность фирм-разработ-чнкои НМД не и последнюю очередь объясняется тем, что порошковые магнитные ленты (МЛ) на чистых дисперсных оксидных ферромагнетиках (\-Ре20з, модифицированной СгОг и др.) по своим магнитным свойствам н электроакустическим показателям, по-видимому, близки к насыщению . Кроме того, НМЛ относятся, как известно, к числу ЗУ с последовательным доступом к записанной информации, поэтому дальнейший рост нх технических возможностей связан с принятием новых, более сложных конструктивно-технологических решений (например, с переходом к использованию металлизироианного рабочего слоя), а также с освоением новых принципов записи информации.

3.2. ЖЕСТКИ МАГНИТНЫЕ ДИСКИ ДЛЯ ПАКЕТОВ

Выше отмечалось, что порошковые МЛ, оставаясь отличной средой для накопления основной документации и программ ЭВМ, тем ие менее пригодны лишь для последовательной регистрации информации, и, следовательно, такую информацию затруднительно находить и обрабатывать. В НМЛ магнитные головки записи-воспроизведения неподвижны, а носитель перемещается мимо головок. По этой причине в начале 70-х гг. периферийные устройства ЭВМ иа МЛ иачалн частично заменяться ЗУ на сменных пакетах жестких МД, допускающих произвольный доступ к любой части хранимых объемов информации за несколько миллисекунд. При этом с самого начала было ясно, что предпочтительной областью применения пакетов на жестких сменных НМД будут ЗУ с емкостями 10 ... 10 бит и более.

ЗУ на сменных пакетах жестких МД используются в качестве основной памяти для хранения информации в больших и средних ЭВМ. Такие НМД обладают высокими характеристиками исполнения. НМД с подвижными магнитными головками появились в 1956 г. Однако НМД с прямым доступом в его современном виде был создай позднее, в 1963 г. фирмой IBM, и явился следствием введения в его состав магнитных головок и а воздушной подушке. Первый дисковый пакет содержал 6 одинаковых НМД диаметром 356 мм. Емкость НМД 1-го поколения составляла 7(60) Мбайт, среднее время обращения к информации - 60 мс, время выдачи данных - 1,25 Мбит/с. Частота вращения дисков составляла 2400 мнн~.

Начиная с 1965 г. НМД начали вытеснять НМЛ, так как их операционные и другие возможности оказались значительно шире. Характерно, что этот процесс вытеснения НМЛ происходил в условиях, когда рост числа НМЛ в мире продолжал составлять 3 ... 12 % в год прн существовании заявочной потребности в МЛ в 7,5-10* рулонов по 750 м в каждом. Только в США разработками в области НМД в 1968 г. занималось около 20 фирм электронной промышленности, а в пе-

рйод 1971-1973 гг. ежегодная мировая потребность в НМД удвоилась в сравнении с таким же предыдущим периодом и ежегодно составляла около 4 млн. 6-дисковых ЗУ. НМД прошли большой путь совершенствования. Так, с 1966 по 1976 гг. емкость дискового пакета фирмы Атрех возросла с 7 до 300 Мбайт и более, а плотность записи информации на дисках с ферролаковым рабочим слоем, используемым в этом пакете, с 40 до 240 бит/мм [4].

Накопители на сменных пакетах жестких МД представлены также в ЕС ЭВМ рядом моделей, например ЕС-5050, ЕС-5055, ЕС-5058 и др. Накопители 70-х гг., используемые в названных ЭВМ, имеют следующие основные характеристики {11]: емкость одного пакета -7,25 Мбайт; число рабочих поверхностей в пакете -10; число дорожек на каждой поверхности -200+3; среднее время доступа к информации -90 мс; частота вращения дисков 2400 мин .

В общем для НМД характерны массовость их производства; большая (и с большим запасом по дальнейшему увеличению) емкость; относительно малое время выборки информации; малое время поиска информации; высокая скорость обращения данных; простота замены МД и удобство хранения.

Выбор нужных каналов в НМД производится магнитными головками, размещенными на подвижных рычагах гребенчатого типа с одновременным или раздельным движением рычагов. Например, в 6-головочном ЗУ обслуживаются 128 дорожек; в другом случае одна головка обслуживает все 250 дорожек НМД.

Условия эксплуатации НМД отличаются определенной степенью жесткости: рабочие температуры составляют -j-5 ... -)-40°С; относительная влажность воздуха 10 ... 90%, температура транспортировки и хранения ±50°С; атмосферное давление 960 ... 1040 гПа.

Стоимость НМД находится между стоимостью НМЛ и ферритовых

В 60-х гг. предполагалось, что в ближайшие 10 лет будет достигнута поперечная плотность записи информации на жестких МД с подвижными магнитными головками 8 дор/мм, однако к 1980 г', она превысила 40 дор/мм. Еще более впечатляющим является устойчивое достижение к 1977 г. продольной плотности записи информации 240 бит/мм, а к 1980 г. - 400 бит/мм. Уместно подчеркнуть, что это достижение является чистб технологическим , т. е. полученным за счет совершенствования технологии изготовления ферролакового рабочего слоя НМД, а не электронной либо электромеханической части ЗУ на них.

Что касается информационной емкости накопителей на сменных пакетах жестких МД, то емкость 400 Мбайт не является предельной для современных информационно-вычислительных систем: так, японской фирмой NTT в 1981 г. было разработано устройство цифровой магнитной записи с объемом дисковой памяти 3,2 Гбайт, состоящее из 8 НМД емкостью по 400 Мбайт каждый.

Процесс развития затронул не только носители информации, но и остальные функциональные элементы НМД. В частности, если еще в 1975 г. в них использовались универсальные магнитные головки с рабочим зазором 1 ... 2 мкм, то в 1982 г. появились ферритовые головки из Mn-Zn-сплава с прецизионной геометрией и чрезвычайно высокими информационными возможностями: шириной рабочего зазора 0,2 ... 0,5 мкм, при высоте скольжения головки над поверхностью рабочего слоя диска 0,1 ... 0,2 мкм. В результате оказалось возможным реализовать с помощью таких магнитных головок плотность записи информации 800 ... 1200 бит/мм.

Информационная емкость новейших НМД - до 2,5 Гбайт, пропускная способность - до 3,0 Мбайт/с, продольная плотность записи - до 600 бит/мм, поперечная плотность записи - до 25 дор/мм. (Регистрация данных ведется с использованием модифицированной частотной модуляции входной информации.)

За рубежом основными разработчиками и изготовителями НМД являются фирмы США, ФРГ, Японии, Франции. Перечень фирм, занятых производством жестких МД, свидетельствует о преемственности технологического опыта, накопленного ими в области изготовления МЛ. Это относится, например, к концерну BASF (ФРГ), практически целиком насыщающему национальный рынок носителями данных всех типов и назначений, а также к фирме Руга!, занимающей господствующие позиции на рынке носителей магнитной . записи Франции. Тот факт, что именно фирмы, выпускавшие до появления магнитных дисков и продолжающие выпускать в настоящее время магнитные ленты, без промедления приступили также и к производству магнитных дисков, свидетельствует о родственности технологических и материаловедческих проблем, с которыми имеют дело создатели современных носителей магнитной записи с ферролаковым рабочим слоем всех типов и назначений.

Жесткие МД для больших ЭВМ имеют наружный диаметр 280 ... 360 мм и внутренний диаметр около 170 мм при толщине 1,1 ... 1,25 мм. Таблица 3.1

Одним из важнейших геометрических факторов, определяющих информационную емкость НМД, является толщина - ферролакового рабочего слоя, равная 0,5 ... 1,0 мкм. Для сравнения напомним, что толщина рабочего слоя первого НМД, использованного фирмой IBM в 1963 г., равнялась 6,0 мкм.

Данные о продольных плотностях записи информации на жестких МП с ферролаковым рабочим слоем приведены в табл. 3.1. На протяжении последних 10 лет число дорожек записи на рабочей поверхности диска стандартного диаметра 356 мм возросло с 72 до 500 и более. Линейная же плотность записи в НМД увеличилась за тот же период более чем в 100 раз (рис. 3.1 и 3.2).

Для повышения разрешающей способности ферролакового рабочего слоя жестких НМД потребовалось решить ряд сложных инструментальных, радиотехнических, материаловедческих и технологических проблем, прежде всего снизить толщину рабочего слоя МД вплоть до

/J, Шт/мм

500 200 100

JS 10 ffum/dfoUM 100

то 1370 1Эво

Рис. 3.1. Рост плотности записи информации на жестких магнитных дисках (МД)

1965 то 1975 1960

Рис. 3.2. Рост поперечной плотности записи информации на жестких МД

Рис. 3.3. Дисперсия значений коэффициента прямоугольности петли гистерезиса ферропорошка РегОз для жестких МД (по данным 38 публикаций за период 1976-1983 гг.)

О о,г 0, 0,6 iijMMM

Рис. 3.4. Кривые распределения микрочастиц ферропорошка игольчатой YFe203 по размерам:

7 - в рабочем слое жестких МД; i - в рабочем слое МЛ для бытовой звукозаписи (по данным 63 публикаций за 1976-1983 гг.)

0,2... 0,5 мкм и аналогичным образом существенно уменьшить зазор в паре магнитная головка - МД. Кроме того, потребовалось приложить большие усилия по облагораживанию ферропорошка игольчатой Y-FejOs, повсеместно используемого в рабочем слое НМД. Основные магнитные свойства ферропорошка этого типа, используемого зарубежными фирмами в производстве НМД, приведены на рис. 3.3 и 3.4.

3.3. ЖЕСТКИЕ МАГНИТНЫЕ ДИСКИ ДЛЯ МОДУЛЕЙ

Примечательной и оригинальной на фоне других разработок НМД является конструкция ЗУ фирмы Winchester (США), в которой магнитная головка и МД образуют единую систему (модуль). Модуль является либо постоянным, либо -в ряде НМД этого типа - сменным. В этом накопителе используются МД диаметром 302,3; 230,2 мм н 133,35 мм. Это ЗУ также было разработано для массивов памяти, требующих быстрого произвольного доступа. Оно может использоваться в качестве виртуальной памяти для мини- и микро-ЭВМ, имеющей среднее время обращения 70 мс (включая время ожидания) н ско-

рость передачи данных около 500 Кбит/с. В модульном ЗУ винчестерского типа используются двусторонние МД, а также метод записи с двойной плотностью. Важно подчеркнуть, что МД этого типа предназначались для регистрации информации с предельной плотностью более 400 бит/мм и поперечной более 20 дор/мм. Основой МД служит алюминиевый сплав толщиной (1,905±0,025) мм; толщина ферролакового рабочего слоя - 0,76 ... 1,27 мкм и даже 0,5 мкм.

Накопители на этих МД имеют нетрадиционную организацию использования поверхности рабочего слоя. В них имеются зоны покоя , куда магнитные головки причаливают при частоте вращения МД менее 500 мин-S в зоны цифрового счета , в которых записана информация. Магнитная головка над поверхностью неориентированного ферролакового рабочего слоя МД располагается на расстоянии около 1 мкм. Используются по две магнитные головки на каждую рабочую поверхность МД, что ограничивает расстояние между ними значением 2,5 см; усилие прижима головок к поверхности рабочего слоя МД не превышает 0,1 Н, обмотки записи-считывания встроены внутрь головок. . -

3.4. ФИКСИРОВАННЫЕ ЖЕСТКИЕ МАГНИТНЫЕ ДИСКИ

Особенности их устройства практически не нашли отражения в технической литературе. Известно только, что наружный диаметр этих МД равен 900... 1200 мм при толщине металлического основания 2,5 мм. Ферролаковый рабочий слой МД рассчитан на регистрацию цифровой информации с линейной плотностью около 240 бит/мм.

3.5. ЖЕСТКИЕ МАГНИТНЫЕ ДИСКИ С ФИКСИРОВАННЫМИ ГОЛОВКАМИ

Наружный диаметр дисков равен 300 ... 400 мм при толщине металлического основания 1,8 ... 7,0 мм, Ферролаковый рабочий слой дисков рассчитан на регистрацию информации с плотностью от 80 ... ... 90 бит/мм до 160 ... 400 бит/мм.

3.6. ГИБКИЕ МАГНИТНЫЕ ДИСКИ

Б 70-е г. появился новый подкласс малогабаритных периферийных ЗУ ЭВМ - с легкосъемными носителями информации накопители на гибких магнитных дисках НГМД. Они сочетают в себе особенности ЗУ на жестких МД (вращакхцийся носитель, позиционирующий механизм с малым временем доступа) и ЗУ на МЛ (эластичный носитель записи, изгибающийся при контакте с магнитной головкой в тракте ЛПМ). Первый НГМД был создан фирмой IBM в 1973 г. и имел очень малое быстродействие: время подорожечного обращения к памяти превышало 200 мс, а среднее время обращения - около 1,5 с. Первоначально дисковод с гибкими МД был задуман как устройство для клавишного перфоратора, а параметры его работы с ориентацией на данное применение.

Запоминающее устройство, в котором использовался НГМД с одной рабочей поверхностью (с рабочим слоем на игольчатой y-FsjOs и с нормальной плотностью записи), оказавшейся первым коммерческим устройством такого типа, имело емкость 256 Кбит при диаметре МД 230,2 мм, что соответствовало информации, записанной на 3200 80-колончатых перфокартах. Тем не менее уже первое применение