Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВА И СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ОБЪЕКТОВ

Настоящее изобретение относится к устройствам и способу исследования магнитных свойств объектов, прежде всего листового материала, такого, например, как банкноты. Подобные устройства имеют магнитооптический слой с изменяющимися под влиянием магнитных свойств объекта оптическими свойствами, источник света, предназначенный для генерации света, вводимого в магнитооптический слой, и детектор, предназначенный для детектирования света, прошедшего через магнитооптический слой и/или отраженного им.

Банкноты для обеспечения высокой степени их защиты от подделки снабжают помимо прочего магнитными защитными признаками. Поэтому при автоматизированной проверке банкнот в соответствующих машинах для их обработки предусмотрен также анализ магнитных свойств банкнот, позволяющий отличать фальшивые банкноты или банкноты, подлинность которых вызывает сомнение, от подлинных банкнот.

При этом для исследования или анализа магнитных свойств банкнот преимущественно используются индуктивные измерительные головки, элементы (датчики) Холла или магниторезистивные элементы, такие, например, как магниторезисторы или тонкие пермаллоевые слои.

Помимо этого для исследования магнитных свойств банкнот известно также применение магнитооптических слоев. Соответствующее устройство известно, например, из заявки DE 19718122 А1. В таком устройстве магнитооптический отражающий слой с ярко выраженным магнитооптическим эффектом Керра освещают поляризованным светом и детектируют отраженный от него свет после его прохождения через поляризационный фильтр. Если исследуемую банкноту поместить за отражающим слоем достаточно близко к нему, то магнитные потоки рассеяния, создаваемые магнитными участками банкноты, будут влиять на оптические характеристики отражающего слоя, и при этом будет изменяться направление поляризации детектированного света. В этом случае по выявленному изменению направления поляризации можно сделать вывод о магнитных свойствах листового материала.

Преимущество, связанное с использованием магнитооптических слоев, перед иными методами измерения и измерительными устройствами, например индуктивными измерительными головками, состоит в том, что такие слои обеспечивают высокое пространственное разрешение и позволяют измерять магнитные потоки независимо от скорости перемещения банкноты относительно измерительной системы.

Основная проблема, возникающая при исследовании магнитных свойств банкнот в автоматическом режиме, состоит прежде всего в том, что для проверки подлинности банкнот с достаточно высокой точностью и надежностью необходимо обеспечить возможность обнаружения магнитной индукции исключительно малой величины. Незначительная магнитная индукция обусловлена, во-первых, тем, что отдельные магнитные участки банкнот создают лишь исключительно малые магнитные потоки рассеяния, а во-вторых тем, что между банкнотой и магнитооптическим слоем необходимо поддерживать некоторый зазор, который из-за высокой скорости транспортировки банкнот, с которой они должны перемещаться в машинах для их обработки, нельзя уменьшать до сколь угодно малой величины, поскольку в противном случае проверяемые банкноты, а также отдельные компоненты датчиков подвергались бы повышенному износу и помимо этого возросла бы вероятность застревания или заедания банкнот в машине для их обработки.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать такие устройства, а также такой способ, которые обеспечивали бы более точное и надежное исследование магнитных свойств листового материала.

Указанная задача решается с помощью предлагаемых в изобретении устройства в двух вариантах исполнения и способа.

Основная идея изобретения, которая является общей для обоих вариантов устройства и позволяющая решить поставленную в изобретении задачу, состоит в том, чтобы изменять, т.е. поворачивать, плоскость поляризации введенного в магнитооптический слой света на большую величину. Благодаря этому удается повысить чувствительность измерительного устройства, что позволяет с достаточно высокой точностью и надежностью исследовать или измерять даже исключительно слабые магнитные поля.

Предлагаемое в изобретении устройство для исследования магнитных свойств объектов, прежде всего листового материала, такого, например, как банкноты, имеет магнитооптический слой с изменяющимися под влиянием магнитных свойств объекта оптическими свойствами, источник света, предназначенный для генерации света, вводимого в магнитооптический слой, и детектор, предназначенный для детектирования света, прошедшего через магнитооптический слой и/или отраженного им.

В первом варианте устройства источник света и магнитооптический слой расположены таким образом, чтобы введенный в магнитооптический слой свет распространялся в основном параллельно основной поверхности этого магнитооптического слоя, благодаря чему угол поворота плоскости поляризации света удается увеличить за счет увеличения длины оптического пути, проходимого светом через магнитооптический слой. В контексте настоящего изобретения к световым лучам, проходящим параллельно основной поверхности магнитооптического слоя, относятся также те световые лучи, которые несколько наклонены к основной поверхности магнитооптического слоя, т.е. образуют с ней угол в несколько градусов.

Известно, что угол поворота плоскости поляризации при наличии магнитооптического явления Фарадея пропорционален длине оптического пути, проходимого светом в магнитооптическом материале. За счет предусмотренного изобретением ввода света в магнитооптический слой в основном параллельно ему длина проходимого светом оптического пути увеличивается на несколько порядков по сравнению с известными из уровня техники решениями, предусматривающими ввод света в магнитооптический слой в основном перпендикулярно его основной поверхности. В соответствии с этим увеличивается и угол поворота плоскости поляризации света, благодаря чему существенно повышается чувствительность измерительного устройства.

В частных случаях исполнения предлагаемого в изобретении устройства по первому варианту источник света, например лазер, прежде всего лазерный диод, и магнитооптический слой могут быть расположены таким образом, чтобы вводимый в магнитооптический слой свет падал на его боковую поверхность, в частности, образуя с основной поверхностью магнитооптического слоя плоский угол.

В другом случае источник света и магнитооптический слой могут быть расположены таким образом, чтобы вводимый в магнитооптический слой свет падал на его основную поверхность и образовывал при этом с ней плоский угол.

Между источником света и магнитооптическим слоем и/или между детектором, например фотодиодом, и магнитооптическим слоем может быть расположено по меньшей мере по одному поляризационному фильтру.

Во втором варианте устройства цель изобретения достигается за счет соответствующего выполнения состоящей из магнитооптического слоя и подложки системы и придания ей определенной структуры. Магнитооптический слой по меньшей мере частично выполнен из железных гранатов и нанесен на подложку, которая по меньшей мере частично выполнена из галлиевых гранатов. Указанные выше железные гранаты образованы соединениями на основе железного граната (RE₃Fe₅O₁₂), где RE₃ обозначает три атома редкоземельных металлов и где железо (Fe) может быть частично замещено одним или несколькими другими элементами. В случае галлиевых гранатов речь идет о соединениях на основе галлиевого граната (RE₃Ga₅О₁₂), где RE₃ обозначает три атома редкоземельных металлов и где галлий (Ga) может быть частично замещен одним или несколькими другими элементами. Кислород (О), входящий в состав подложки и/или магнитооптического слоя, может быть замещен серой (S).

В частности, замещение кислорода в материале подложки серой позволяет увеличить постоянную решетки этой подложки, что в свою очередь позволяет замещать в материале магнитооптического слоя редкоземельные металлы, например иттрий, повышающими чувствительность элементами с большим атомным и/или ионным радиусом, прежде всего висмутом. Таким путем можно значительно увеличить угол поворота плоскости поляризации света, который (угол) при наличии магнитооптического явления Фарадея пропорционален постоянной магнитооптического материала, зависящей от его состава.

В частных случаях исполнения предлагаемого в изобретении устройства по второму варианту в материале магнитооптического слоя по меньшей мере один редкоземельный металл (RE) может быть по меньшей мере частично замещен висмутом (Bi), а железо (Fe) - частично замещено галлием (Ga) или ионами алюминия (Al³⁺).

В галлиевых гранатах, из которых выполнена подложка, галлий (Ga) может быть частично замещен кальцием (Са) и/или магнием (Mg) и/или цирконием (Zr). Кроме того, в галлиевых гранатах по меньшей мере один редкоземельный металл (RE) может быть по меньшей мере частично замещен кальцием (Са) и/или магнием (Mg) и/или цирконием (Zr).

Источник света и магнитооптический слой могут быть расположены таким образом, чтобы введенный в магнитооптический слой свет распространялся в основном параллельно основной поверхности этого магнитооптического слоя, или падал на основную поверхность магнитооптического слоя в основном перпендикулярно к ней.

Подложка может быть прозрачной для вводимого в магнитооптический слой света, при этом на обращенную от подложки основную поверхность магнитооптического слоя может быть нанесено зеркальное покрытие для отражения введенного в магнитооптический слой света.

Подложка также может быть непрозрачной для вводимого в магнитооптический слой света.

В обоих вариантах устройства источник света и магнитооптический слой могут быть расположены таким образом, чтобы излучаемый источником свет падал на магнитооптический слой под углом Брюстера, предпочтительно составляющим от 60 до 70°. В этом случае падающий на магнитооптический слой свет предпочтительно поляризовать параллельно плоскости его падения.

В целом же заявленные устройства по обоим вариантам позволяют с более высокой точностью и надежностью исследовать даже исключительно слабые магнитные поля, прежде всего при проверке банкнот. Одновременно с этим благодаря высокой чувствительности предлагаемых в изобретении устройств появляется возможность предусматривать между банкнотой и магнитооптическим слоем сравнительно большой зазор, что в свою очередь позволяет перемещать проверяемые банкноты с высокой скоростью при меньшем их истирании и значительно более низкой вероятности их застревания.

Помимо этого предлагаемые в изобретении устройства обеспечивают высокое пространственное разрешение, и поэтому они наиболее пригодны для исследования магнитных свойств отпечатанных с использованием магнитной краски оттисков, а также магнитных свойств магнитных слоев или магнитных, прежде всего прерывающихся либо кодированных, защитных нитей или защитных полосок, расположенных на банкнотах или защищенных от подделки документах, соответственно заделанных в материал таких банкнот или защищенных от подделки документов.

Объектом изобретения является также способ исследования магнитных свойств листового материала, прежде всего банкнот, при осуществлении которого в магнитооптический слой с изменяющимися под влиянием магнитных свойств объекта оптическими свойствами вводят свет и детектируют прошедший через магнитооптический слой и/или отраженный им свет. В соответствии с изобретением свет вводят в магнитооптический слой таким образом, чтобы он распространялся в основном параллельно основной поверхности этого магнитооптического слоя.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере некоторых вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - предлагаемое в изобретении устройство, в котором свет проходит параллельно основной поверхности магнитооптического слоя,

на фиг.2 - схема, на которой в качестве примера проиллюстрировано распространение света в основном параллельно основной поверхности магнитооптического слоя при боковом его вводе в этот магнитооптический слой,

на фиг.3 - схема, на которой показан другой пример распространения света в основном параллельно основной поверхности магнитооптического слоя при его вводе в этот магнитооптический слой через его основную поверхность, и

на фиг.4 - устройство с предлагаемой в изобретении структурой системы типа подложка-слой.

На фиг.1 показан вариант выполнения предлагаемого в изобретения устройства, в котором свет проходит параллельно основной поверхности 9 магнитооптического слоя 10. Вблизи от этого магнитооптического слоя 10 мимо него соответствующей транспортировочной системой 30, которая показана на чертеже лишь условно, перемещается банкнота 20, имеющая магнитный участок 21. В такой системе источник 11 света, предпочтительно лазер или лазерный диод, магнитооптический слой 10, а также детектор 13, предпочтительно фотодиод, расположены таким образом, чтобы введенный в магнитооптический слой 10 свет распространялся в основном параллельно основной плоскости 9 этого слоя 10 и обеспечивалась возможность детектирования выходящего из слоя 10 света датчиком 13. В контексте настоящего изобретения выражение "в основном параллельное основной поверхности магнитооптического слоя распространение света" означает также возможность расположения магнитооптического слоя 10 с небольшим наклоном, т.е. под углом в несколько градусов, к вводимому в него световому лучу 16, что позволяет увеличить оптический путь, по которому свет проходит через магнитооптический слой 10, до максимально возможной величины. Между магнитооптическим слоем 10 и источником 11 света, соответственно детектором 13 установлено по поляризационному фильтру 14, соответственно 15. Прошедший через поляризационный фильтр 14 свет до его входа в магнитооптический слой 10 характеризуется определенной поляризацией 1. Магнитный участок 21 банкноты 20 создает магнитное поле рассеяния, от структуры силовых линий и напряженности которого зависит степень его влияния на оптические свойства магнитооптического слоя 10, а тем самым и угол, на который в результате поворачивается плоскость поляризации проходящего через этот слой света (явление Фарадея). На выходе из магнитооптического слоя свет характеризуется поляризацией 2, плоскость которой в целом повернута на угол θ относительно плоскости поляризации света 16 на входе в этот слой. В зависимости от величины этого угла поворота плоскости поляризации θ и положения поляризационного фильтра 15 изменяется детектируемая детектором 13 интенсивность света, на основании которой затем можно сделать вывод о магнитных свойствах проверяемой банкноты 20.

На фиг.2 показан пример с распространением введенного в магнитооптический слой 10 света в направлении, в основном параллельном основной поверхности 9 этого магнитооптического слоя. Свет 16, вводимый в магнитооптический слой 10, падает на его боковую поверхность 7 и образует с перпендикуляром 5, проходящим параллельно основной поверхности 9 магнитооптического слоя, плоский угол α, величина которого обычно лежит в интервале от 0 до 12°. В этом случае свет, введенный таким путем в магнитооптический слой 10, распространяется по нему как по волноводу или световоду, от граничных поверхностей которого, т.е. от основных поверхностей 9, падающий на них под определенным углом свет отражается с пренебрежимо малыми потерями, распространяясь при этом в основном параллельно основной поверхности 9 магнитооптического слоя 10. В показанном на чертеже примере свет отражается от граничных поверхностей магнитооптического слоя 10, образующих поверхности раздела между ним и окружающей средой, соответственно подложкой 8.

В другом варианте, показанном на фиг.3, свет можно также вводить в магнитооптический слой 10 и через его основную поверхность 9. В этом случае угол β, образуемый вводимым в магнитооптический слой светом 16 с основной поверхностью 9 этого слоя, соответственно следует выбирать достаточно малым, т.е. меньше примерно 10°, чтобы обеспечить прохождение света через магнитооптический слой 10 по максимально длинному оптическому пути при одновременно малых потерях на многократное отражение. Если подложка 8, на которой расположен магнитооптический слой 10, является прозрачной для вводимого в магнитооптический слой света 16, то его можно вводить в этот слой и через подложку 8.

На фиг.4 показан вариант выполнения предлагаемого в изобретении устройства, в котором используется состоящая из подложки 8 и расположенного на ней магнитооптического слоя 10 система (система типа подложка-слой), выполненная из предлагаемых в изобретении материалов на основе галлиевых гранатов, соответственно железных гранатов, при этом в галлиевых гранатах, входящих в состав подложки 8, кислород замещен серой. Поскольку в выполненной из подобных материалов системе типа подложка-слой магнитооптический слой обладает существенно более высокой чувствительностью, прежде всего при замещении входящих в состав магнитооптического слоя 10 редкоземельных металлов висмутом, высокой надежности и точности при исследовании слабых магнитных полей можно достичь уже при прохождении света через магнитооптический слой 10 по сравнительно короткому оптическому пути. Поэтому в рассматриваемом примере источник 11 света и магнитооптический слой 10 расположены таким образом, чтобы вводимый в этот магнитооптический слой 10 свет 16 падал на его основную поверхность 9 под большим углом, составляющим обычно от 70 до 90°. В этом варианте аналогично показанному на фиг.1 варианту также предусмотрена транспортировочная система 30, которой банкнота 20, имеющая магнитный участок 21, перемещается мимо магнитооптического слоя 10. Помимо этого между магнитооптическим слоем 10 и источником 11 света, соответственно детектором 13 также предусмотрено по поляризационному фильтру 14, соответственно 15, наличие которых обеспечивает возможность анализировать обусловленный магнитооптическим слоем 10 поворот плоскости поляризации проходящего через него света.

В показанном на фиг.4 примере подложка 8 является прозрачной для вводимого в магнитооптический слой света 16. Помимо этого на обращенную от подложки 8 основную поверхность 9 магнитооптического слоя 10 нанесено зеркальное покрытие 6. В такой системе свет, вводимый в магнитооптический слой 10, сначала проходит через подложку 8 и далее через магнитооптический слой 10, а затем отражается от зеркального покрытия 6 и после прохождения в обратном направлении через магнитооптический слой 10 и подложку 8 может быть детектирован детектором 13.

В другом варианте магнитооптический слой 10 можно также нанести на подложку 8, которая является непрозрачной для вводимого в этот слой света (этот вариант на чертежах не показан). В этом случае свет вводится непосредственно в магнитооптический слой 10. При этом проходящий через магнитооптический слой 10 свет по меньшей мере частично отражается от поверхности раздела между магнитооптическим слоем 10 и подложкой 8 и после повторного прохождения через магнитооптический слой 10 может быть детектирован детектором 13.

В общем случае магнитооптический слой 10, который предпочтительно выполняют из железных гранатов, наносят на кристаллическую подложку 8 различными химическими и физическими методами, например жидкофазной эпитаксией или методами нанесения покрытий осаждением из паровой фазы, такими как ионно-плазменное напыление или лазерная абляция. В контексте настоящего изобретения под железными гранатами подразумеваются соединения на основе железного граната (RE₃Fe₅О₁₂), где RE₃ обозначает три атома редкоземельных металлов, прежде всего из группы, включающей иттрий (Y), тулий (Tm) и лютеций (Lu), и где железо (Fe) может быть частично замещено одним или несколькими другими элементами, а кислород (О) может быть замещен серой (S). Тремя атомами указанных редкоземельных металлов (RE₃) могут являться три атома одного и того же редкоземельного металла или различных редкоземельных металлов в любом их сочетании.

В качестве материала подложки предпочтительно использовать галлиевые гранаты. В контексте настоящего изобретения под подобными гранатами подразумеваются соединения на основе галлиевого граната (RE₃Ga₅O₁₂), где RE₃ обозначает три атома редкоземельных металлов, прежде всего из группы, включающей скандий (Sc), самарий (Sm), гадолиний (Gd), тулий (Tm) и лютеций (Lu), и где галлий (Ga) может быть частично замещен одним или несколькими другими элементами, а кислород (О) может быть замещен серой (S). Тремя указанными атомами редкоземельных металлов (RE₃) могут являться три атома одного и того же редкоземельного металла или различных редкоземельных металлов в любом их сочетании.

Для повышения чувствительности магнитооптического слоя по меньшей мере один редкоземельный металл (RE) в железных гранатах, прежде всего иттрий (Y), можно по меньшей мере частично замещать висмутом (Bi).

Однако по мере увеличения степени замещения редкоземельных металлов (RE), прежде всего иттрия (Y), висмутом (Bi) возрастает степень несоответствия кристаллических решеток подложки и магнитооптического слоя, что может привести к возникновению напряжений и появлению дислокаций в магнитооптическом слое, а также к снижению его чувствительности. Указанное несоответствие кристаллических решеток можно уменьшить путем замещения кислорода (О) в галлиевых гранатах подложки серой (S). Альтернативно или дополнительно к этому в галлиевых гранатах подложки галлий (Ga) и/или по меньшей мере один редкоземельный металл (RE) можно с этой же целью замещать кальцием (Са) и/или магнием (Mg) и/или цирконием (Zr). При этом галлий (Ga) может замещаться частично, а редкоземельный металл (RE) - по меньшей мере частично.

Несоответствие кристаллических решеток подложки и магнитооптического слоя 10 на основе железных гранатов можно также уменьшить за счет частичного замещения железа (Fe) в гранате, из которого выполнен магнитооптический слой 10, галлием (Ga) и/или ионами Al³⁺.

В приведенной ниже таблице представлено три примера (1-3) слоистых систем, состоящих из магнитооптического слоя и соответствующим образом согласованной с ним подложки.

Во всех примерах 1-3 с целью повысить чувствительность магнитооптического слоя редкоземельный металл, т.е. иттрий (Y) или лютеций (Lu), в железных гранатах, из которых выполнен этот магнитооптический слой, частично замещен висмутом (Bi). Помимо этого в приведенных выше примерах железо (Fe) частично замещено галлием (Ga), а в примере 2 железо (Fe), кроме того, частично замещено алюминием (Al³⁺) с целью уменьшить несоответствие кристаллических решеток магнитооптического слоя и подложки. Варьирование значений индексов x, у и z в указанных в примерах 2 и 3 интервалах позволяет в широких пределах варьировать состав материала, из которого выполняют магнитооптический слой.

Во всех приведенных выше примерах подложка выполнена из гадолиний-галлиевых гранатов, в кристаллическую решетку которых встроены магний (Mg), цирконий (Zr) и кальций (Са). В принципе вместо гадолиния (Gd) можно также использовать другие редкоземельные металлы, прежде всего самарий (Sm). Для лучшего согласования кристаллической решетки подложки с кристаллической решеткой конкретного магнитооптического слоя кислород (О) в кристаллической решетке подложки заменен в примерах 1 и 3 на серу (S).

В рассмотренных выше вариантах осуществления изобретения источник 11 света и магнитооптический слой 10 предпочтительно располагать таким образом, чтобы испускаемый источником 11 свет 16 падал на магнитооптический слой 10 под углом Брюстера. Этот угол Брюстера представляет собой тот угол, тангенс которого равен показателю преломления магнитооптического слоя 10. Некоторая часть падающего на магнитооптический слой 10 под углом Брюстера света 16 отражается и поляризована ортогонально плоскости падения, тогда как другая часть падающего на магнитооптический слой под углом Брюстера света 16 преломляется, попадая внутрь этого слоя, и поляризована параллельно плоскости падения.

Угол Брюстера предпочтительно составляет примерно от 60 до 70°. При типичных для используемых согласно изобретению гранатов показателях преломления, составляющих примерно от 2,2 до 2,4, указанный угол лежит прежде всего в интервале примерно от 66,5 до 67,4°.

Предпочтительно, чтобы падающий на магнитооптический слой 10 под углом Брюстера свет 16 был поляризован параллельно плоскости его падения. В этом случае свет, падающий на магнитооптический слой 10, практически не отражается от него и практически полностью вводится в него. Тем самым обеспечивается наиболее эффективный ввод света в магнитооптический слой 10 без необходимости нанесения на него противоотражающего (просветляющего) покрытия.