磁記錄理論

前言

　　從本書出版到現(xiàn)在的10年多中，磁記錄密度增加了100多倍。在1994年，磁記錄密度在每平方英寸1～2千兆比特。到2006年，磁記錄密度已在技術(shù)上達(dá)到每平方英寸250千兆比特，每平方英寸150干兆比特的硬盤已進(jìn)入量產(chǎn)。磁記錄技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步。在介質(zhì)上磁薄膜從縱向磁化發(fā)展為垂直磁化。雙層結(jié)構(gòu)的垂直磁化介質(zhì)由多層磁薄膜用最新的濺射技術(shù)制造而成。磁頭技術(shù)的發(fā)展也十分驚人，與垂直磁化介質(zhì)相應(yīng)的錄寫磁頭采用了復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以增加錄寫能力減小錄寫噪音。在讀出磁頭上，通過增加巨磁電阻效應(yīng)，讀出磁頭的靈敏度迅速提高。近來，以電子自旋量子隧道效應(yīng)為基礎(chǔ)的讀出磁頭技術(shù)也將進(jìn)入量產(chǎn)?！　≈形姆g版將提供學(xué)生和工程技術(shù)人員磁記錄的基本概念和知識(shí)。本書將首先總結(jié)靜磁場(chǎng)的起源和特性，而后討論讀出信號(hào)過程和磁電阻元件、錄寫過程和非線性作用。最后的3章將討論介質(zhì)噪聲的基本概念。在中文版中，作者加入了展望和附錄，將目前的技術(shù)領(lǐng)域加以總結(jié)，同時(shí)加入了從1994年到2006年的技術(shù)參考文獻(xiàn)目錄。參考文獻(xiàn)包括垂直磁記錄模擬、高等“斜率模型”等前沿領(lǐng)域。　　作者感謝為中文翻譯版工作的所有人員，特別感謝車曉東博士和金慶原教授發(fā)起并組織中文翻譯版的工作。感謝復(fù)旦大學(xué)對(duì)此工作的支持。作者最后要感謝妻子Ann和兒子Seth的親切鼓勵(lì)和支持?！　『笥洝　?1世紀(jì)是信息的時(shí)代，信息存儲(chǔ)作為核心技術(shù)之一，一直伴隨、推動(dòng)著信息技術(shù)領(lǐng)域各方面的協(xié)同發(fā)展。為了支撐數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量需求的持續(xù)增長(zhǎng)，先進(jìn)的存儲(chǔ)技術(shù)至關(guān)重要。巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)使得磁記錄進(jìn)入了一個(gè)新的高速發(fā)展階段，目前垂直磁記錄產(chǎn)品也相繼上市，但其記錄單元尺寸的進(jìn)一步減少，將導(dǎo)致超順磁效應(yīng)，從而限制記錄面密度的繼續(xù)增加。熱輔助磁記錄以及圖形介質(zhì)存儲(chǔ)被認(rèn)為是下一代磁存儲(chǔ)技術(shù)的兩個(gè)可能解決方案。針對(duì)前者，國(guó)家基金委于2004年啟動(dòng)了重大項(xiàng)目“超高密度、高速光一磁混合數(shù)字信息存儲(chǔ)研究”；2007年4月我們?cè)趶?fù)旦大學(xué)組織舉辦了“納米存儲(chǔ)”研討會(huì)，以期積聚大陸信息存儲(chǔ)領(lǐng)域的研究力量，對(duì)下一代存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)、有效的研究?！　¤b于目前磁記錄研究及其工業(yè)界，包括中國(guó)大陸和臺(tái)灣地區(qū)，積聚了一大批華裔的研究者，對(duì)磁記錄的研究確實(shí)需要一本結(jié)合實(shí)際工作的理論研究書籍，而美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校的Neal Bertram教授的“Theory of Magnetic Recording”一書被磁記錄行業(yè)公認(rèn)為該領(lǐng)域的經(jīng)典著作，于是我們萌發(fā)了將其翻譯成中文的想法，同時(shí)可以配合基金委重大項(xiàng)目的實(shí)施，以及滿足磁記錄領(lǐng)域研究工作者和高校研究所研究人員的需要?！　≡摃姆g得到復(fù)旦大學(xué)納米磁存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)室成員，以及美國(guó)和新加坡磁存儲(chǔ)工業(yè)領(lǐng)域幾位同仁的積極響應(yīng)，參加本書翻譯工作的有金慶原、張宗芝、馬斌、廖嘉霖、趙慧、高靜、查超麟，參加翻譯稿審閱的有車曉東、高凱中、王小斌、金振、劉波和金慶原等，車曉東、廖嘉霖對(duì)整個(gè)翻譯稿進(jìn)行了終審和統(tǒng)稿。Neal Bertram教授還專門對(duì)該書中文版，就磁記錄最新進(jìn)展加寫了展望（當(dāng)今磁記錄系統(tǒng)及其記錄密度極限）和附錄兩個(gè)章節(jié)。感謝美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)的朱健剛（Jimmy Zhu）教授和清華大學(xué)韋丹教授為本書中文版撰寫了推介意向。本書翻譯得到國(guó)家基金委的資助（項(xiàng)目編號(hào)：60490290）和復(fù)旦大學(xué)出版社的大力支持。

內(nèi)容概要

本書是關(guān)于磁記錄原理的綜合性教材。它深入淺出地介紹了高密度磁盤和磁帶系統(tǒng)的寫入和讀出信息的基本性質(zhì)。本書的內(nèi)容緊跟技術(shù)的發(fā)展，特別是貼近現(xiàn)今磁記錄技術(shù)在系統(tǒng)容量和數(shù)據(jù)傳輸率方面都有迅猛的發(fā)展?！　〈庞涗浖夹g(shù)的進(jìn)步很大程度歸功于先進(jìn)薄膜材料的發(fā)展，它在記錄介質(zhì)和磁頭中都有應(yīng)用。另外，采用復(fù)雜的信號(hào)處理機(jī)制使得記錄密度和數(shù)據(jù)傳輸率大大提高。要認(rèn)識(shí)這些新技術(shù)的發(fā)展并將其應(yīng)用于下一代磁記錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，則對(duì)磁記錄的基本物理和工程實(shí)現(xiàn)的理解必不可少。本書給出了關(guān)于磁記錄最基礎(chǔ)的4個(gè)方面內(nèi)容：磁頭和介質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其磁場(chǎng)分布、信號(hào)讀取過程、記錄過程和介質(zhì)噪聲分析。除了這些基本內(nèi)容，還討論到設(shè)計(jì)系統(tǒng)的關(guān)鍵問題：非線性和覆寫率。其中有整個(gè)一章是討論剛出現(xiàn)的磁電阻磁頭技術(shù)。在分析信號(hào)時(shí)對(duì)時(shí)域和頻域的同時(shí)處理有助于讀者了解并評(píng)估具體的信號(hào)處理機(jī)制。通過本書，讀者應(yīng)該能夠設(shè)計(jì)并分析關(guān)于磁記錄的一些實(shí)驗(yàn)，包括針對(duì)磁頭介質(zhì)重要部件的評(píng)估和對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試?！　”緯云洫?dú)特的內(nèi)容編排，既適合作為磁記錄課程的高年級(jí)本科生或研究生的教材，對(duì)磁記錄工業(yè)的研發(fā)人員也同樣有幫助。本書還包含了許多課后習(xí)題，讀者須具備一定的物理學(xué)、電磁學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。

作者簡(jiǎn)介

（美）伯純，Bertram博士1941年6月28日出生于洛杉磯。l963年在奧爾良的波特蘭瑞德(Reed)學(xué)院獲得數(shù)學(xué)與物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，l968年取得哈佛大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位。l968年到1985年，他在加州紅木城的安培克(Ampex)公司工作。他的科研包括磁化強(qiáng)度在長(zhǎng)顆粒中的反轉(zhuǎn)、交流記錄過程、一般互易原理、寫感應(yīng)頭的飽和、磁記錄帶的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和磁性薄膜碟片以及設(shè)計(jì)高頻磁寫頭。 1985年，他加入加州大學(xué)圣地亞哥分校擔(dān)任電子工程與計(jì)算機(jī)系以及當(dāng)時(shí)新成立的磁記錄研究中心的首席教授。在圣地亞哥大學(xué)，Bertram教授領(lǐng)導(dǎo)磁記錄物理的研究項(xiàng)目，包括多晶格磁薄膜介質(zhì)、讀寫磁頭、微粒磁帶系統(tǒng)以及超高密度磁記錄極限的分析。在這些領(lǐng)域中，他和他的研究生展開了超高密度磁記錄的實(shí)驗(yàn)和理論研究，包括噪聲現(xiàn)象、非線性信號(hào)、動(dòng)態(tài)記錄、熱退化消磁以及超高密度磁記錄大尺度數(shù)值模擬。Bertram教授開設(shè)了磁記錄理論、磁材料分析和磁記錄測(cè)量等研究生課程。Bertram教授和他的學(xué)生已經(jīng)在這些領(lǐng)域發(fā)表了260多篇論文。 1986年，Bertram教授被選為IEEE杰出演講學(xué)者。1987年，他成為IEEE資深會(huì)員。1994年，他所寫的《磁記錄理論》一書由劍橋大學(xué)出版社出版。20O3年，B e rtra m教授贏得信息存儲(chǔ)領(lǐng)域的IEEE Reynold B.Johnson杰出成果獎(jiǎng)，并被譽(yù)為對(duì)其領(lǐng)域做出本質(zhì)和開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。自1999年到2004年，Bertram教授每年都榮獲了國(guó)際信息存儲(chǔ)工業(yè)協(xié)會(huì)的科技成果獎(jiǎng)。 2004年11月，Bertram教授從20年教學(xué)和研究的崗位上正式退休。退休后，他繼續(xù)在UCSD從事研究工作。他還在工業(yè)界講授高密度磁記錄技術(shù)并從事工業(yè)界的研究工作。Bertram博士與他的妻子Ann現(xiàn)定居在舊金山灣區(qū)。他們有一個(gè)兒子Seth。Bertram博士非常熱愛音樂，他演奏中提琴，有時(shí)還參加音樂會(huì)的表演。 
    Bertram博士1941年6月28日出生于洛杉磯。l963年在奧爾良的波特蘭瑞德(Reed)學(xué)院獲得數(shù)學(xué)與物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，l968年取得哈佛大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位。l968年到1985年，他在加州紅木城的安培克(Ampex)公司工作。他的科研包括磁化強(qiáng)度在長(zhǎng)顆粒中的反轉(zhuǎn)、交流記錄過程、一般互易原理、寫感應(yīng)頭的飽和、磁記錄帶的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和磁性薄膜碟片以及設(shè)計(jì)高頻磁寫頭。 1985年，他加入加州大學(xué)圣地亞哥分校擔(dān)任電子工程與計(jì)算機(jī)系以及當(dāng)時(shí)新成立的磁記錄研究中心的首席教授。在圣地亞哥大學(xué)，Bertram教授領(lǐng)導(dǎo)磁記錄物理的研究項(xiàng)目，包括多晶格磁薄膜介質(zhì)、讀寫磁頭、微粒磁帶系統(tǒng)以及超高密度磁記錄極限的分析。在這些領(lǐng)域中，他和他的研究生展開了超高密度磁記錄的實(shí)驗(yàn)和理論研究，包括噪聲現(xiàn)象、非線性信號(hào)、動(dòng)態(tài)記錄、熱退化消磁以及超高密度磁記錄大尺度數(shù)值模擬。Bertram教授開設(shè)了磁記錄理論、磁材料分析和磁記錄測(cè)量等研究生課程。Bertram教授和他的學(xué)生已經(jīng)在這些領(lǐng)域發(fā)表了260多篇論文。 1986年，Bertram教授被選為IEEE杰出演講學(xué)者。1987年，他成為IEEE資深會(huì)員。1994年，他所寫的《磁記錄理論》一書由劍橋大學(xué)出版社出版。20O3年，B e rtra m教授贏得信息存儲(chǔ)領(lǐng)域的IEEE Reynold B.Johnson杰出成果獎(jiǎng)，并被譽(yù)為對(duì)其領(lǐng)域做出本質(zhì)和開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。自1999年到2004年，Bertram教授每年都榮獲了國(guó)際信息存儲(chǔ)工業(yè)協(xié)會(huì)的科技成果獎(jiǎng)。 2004年11月，Bertram教授從20年教學(xué)和研究的崗位上正式退休。退休后，他繼續(xù)在UCSD從事研究工作。他還在工業(yè)界講授高密度磁記錄技術(shù)并從事工業(yè)界的研究工作。Bertram博士與他的妻子Ann現(xiàn)定居在舊金山灣區(qū)。他們有一個(gè)兒子Seth。Bertram博士非常熱愛音樂，他演奏中提琴，有時(shí)還參加音樂會(huì)的表演。

書籍目錄

中文版前言原版序言第一章 概述　材料和磁化過程　磁記錄信號(hào)通道　單位/量綱第二章 靜磁場(chǎng)的回顧　簡(jiǎn)介　場(chǎng)的基本表達(dá)式　退磁因子　平面引起的靜磁場(chǎng)　二維場(chǎng)　鏡像　矢量勢(shì)和標(biāo)量勢(shì)　傅立葉和希爾伯特變換　自由空間場(chǎng)的積分關(guān)系　習(xí)題第三章 感應(yīng)式磁頭場(chǎng)　簡(jiǎn)介　磁頭效率和縫隙深處的磁化場(chǎng)　有限縫隙的磁化場(chǎng)　遠(yuǎn)場(chǎng)近似　中場(chǎng)近似（Karlqvist近似）　近場(chǎng)表達(dá)式　近場(chǎng)解析近似　有限長(zhǎng)度磁頭——薄膜磁頭　屏蔽的磁頭　結(jié)論　習(xí)題第四章 介質(zhì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)　簡(jiǎn)介　單個(gè)反轉(zhuǎn)區(qū)　縱向磁化強(qiáng)度的最大場(chǎng)和場(chǎng)梯度　傅立葉變換的表達(dá)形式　習(xí)題第五章 讀取過程（上）——基本概念及單反轉(zhuǎn)的讀取　簡(jiǎn)介　讀取電壓的直接計(jì)算　互易原理　磁頭定義　小結(jié)　讀取電壓的一般表達(dá)式　孤立反轉(zhuǎn)　理想階躍反轉(zhuǎn)　展寬的反轉(zhuǎn)一反正切例子　習(xí)題第六章 讀取過程（下）——多反轉(zhuǎn)情況　簡(jiǎn)介　線性疊加　方波記錄　“rotl-off”曲線以及D50　薄膜磁頭　頻譜分析　頻譜　Wallace因子或“厚度損耗”　頻譜的分析　“roll-off”曲線和頻譜比較一簡(jiǎn)化的D50分析　傳遞函數(shù)　線性比特偏移　習(xí)題第七章 磁電阻讀頭　簡(jiǎn)介　磁化強(qiáng)度分布　磁電阻磁頭的互易原理　對(duì)具有屏蔽層磁頭的應(yīng)用　讀出電壓的計(jì)算　傅立葉變換和精確的脈沖形狀　雙磁電阻讀頭　磁道偏移時(shí)的讀出—有限磁道寬度　磁電阻電阻噪聲和信噪比SNR　習(xí)題第八章記錄過程（上）——反轉(zhuǎn)模型　簡(jiǎn)介　磁記錄過程　縱向介質(zhì)反轉(zhuǎn)記錄模型　電壓—電流的關(guān)系　退磁化極限　厚介質(zhì)磁帶記錄　垂直記錄模型　薄膜介質(zhì)模型　厚介質(zhì)模型　習(xí)題第九章 記錄過程（下）——非線性和覆寫率　簡(jiǎn)介　非線性反轉(zhuǎn)偏移　非線性振幅損失　覆寫率　習(xí)題第十章 介質(zhì)噪聲機(jī)制（上）——般概念、調(diào)制噪聲　簡(jiǎn)介　噪聲形式　磁帶密度漲落　磁帶非均勻磁膜和粗糙面　習(xí)題第十一章 介質(zhì)噪聲機(jī)制（中）——顆粒噪聲　　簡(jiǎn)介　單顆粒再生信號(hào)表達(dá)式　顆粒噪聲的普遍表達(dá)式　非關(guān)聯(lián)噪聲功率　關(guān)聯(lián)項(xiàng)　　信號(hào)對(duì)顆粒噪聲比　情況一 厚磁帶　情況二 薄膜介質(zhì)　擦除噪聲頻譜及其關(guān)聯(lián)　習(xí)題第十二章 介質(zhì)噪聲機(jī)制（下）——反轉(zhuǎn)區(qū)噪聲　　簡(jiǎn)介　反轉(zhuǎn)位置擾動(dòng)和電壓振幅漲落模型　頻譜分析　道寬的影響　反轉(zhuǎn)相互作用　廣義微觀公式　均勻磁化介質(zhì)　存在反轉(zhuǎn)時(shí)候的噪聲　習(xí)題展望 當(dāng)今磁記錄系統(tǒng)及其記錄密度極限　Ⅰ.緒論?、?一般技術(shù)要求　Ⅲ.記錄的物理性質(zhì)?、?系統(tǒng)密度的技術(shù)要求?、?先進(jìn)的高密度記錄介質(zhì)?、?記錄密度極限?、?磁頭偏離磁道的分析附錄 垂直記錄介質(zhì)中的靜磁場(chǎng)　Ⅰ.反轉(zhuǎn)處的磁場(chǎng)梯度?、?遠(yuǎn)離反轉(zhuǎn)中心處的退磁場(chǎng)參考文獻(xiàn)中文版附加文獻(xiàn)（按論題）后記

編輯推薦

　　《磁記錄理論》的宗旨在于提供磁記錄物理研究的方法論的介紹。《磁記錄理論》的程度較高，包含了磁記錄的所有基本方面：磁頭和介質(zhì)的磁場(chǎng)，線性讀取過程，非線性的寫入過程包括互相干擾的效應(yīng)，還有介質(zhì)的噪聲。作者會(huì)給出用于磁記錄分析的數(shù)學(xué)手段，但書中并非僅簡(jiǎn)單地給出結(jié)果和公式，更重要的是通過這些數(shù)學(xué)手段令讀者理解為何產(chǎn)生結(jié)果的原因，如何去建立模型，去設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并了解現(xiàn)在文獻(xiàn)中的一些深層次的理論分析。

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