Способ малоинвазивной низкоэнергетической многолучевой записи информации на поверхности объекта с целью длительного хранения, считывания, диагностики и его реализующее устройство - пучковая система записи-считывания и хранения данных Российский патент 2019 года по МПК B41M5/00 

Область техники

Изобретение относится к способам занесения информации на материальный объект, предназначенным для обеспечения длительного хранения на поверхности объектов - из числа предметов (изделий), получаемых в результате хозяйственной деятельности, а также специально изготовленных для длительного хранения информации, с возможностью быстрого получения информации в процессе считывания.

Заявленный способ может найти применение при создании и заполнении информационных носителей длительного и надежного хранения информации для текущего и будущего применений в машиностроении, авиастроении, искусстве, а также в других отраслях промышленного производства и сферах человеческой деятельности.

Предшествующий уровень техники

Патентованные [1] способы управления низкоэнергетическими пучками заряженных частиц, в том числе ионами и устройство «Маркиратор» реализующее описанные способы, позволяет получать на объекте пятно фокуса, размер шагов по поверхности и глубине с величинами порядка 1 мкм, числом частиц (ионов) в сгустке (банче, кластере, фрагменте) 10³-10⁸ и энергией ионов ≤1000 кэВ. Минимально возможный по размерам и числу частиц кластер, занесенный в приповерхностный слой объекта устройством «Маркиратор», распознается многодиапазонным сканирующим спекл-интерферометрическим устройством «Считыватель», предложенным также в [1] и реализующем методы описанные в том же патенте, как 1 бит информации. Оцененная там же удельная информационная емкость, достигаемая при записи идентифицируемых с высокой надежностью данных путем нанесения малоинвазивных идентификационных меток на изделия оценивается уровнем до 1 Мбит/кв. мм в случае использования 2-х мерных (плоскостных) меток и уровнем до 10 Мбит/куб. мм в случае 3-х мерных (объемных) меток.

Применение современных достижений в способах лазерного получения ускоренных заряженных частиц, дает непосредственную возможность распространить метод нанесения-считывания малоинвазивных приповерхностных меток на область методов, устройств и носителей для долговременного (архивного, «вечного») хранения информации.

Описание изобретения

Впервые предлагается способ и многопучковая система создающая потоки параллельных пучков ионов низких энергий (ПИНЭ) с непосредственной доставкой их к области воздействия для занесения информации организованной побитно в виде оптимальных по размерам, числу, направлению движения, средней кинетической энергии сгустков (банчей) ионов контрастного вещества, имплантируемых в приповерхностный слой объекта, выполненные в едином корпусе (многопучковый инструмент внесения данных - мПИВД). Многопучковый генератор ПИНЭ строится на основе лазерных методов получения и ускорения частиц с помощью короткоимпульсных (фемто - аттосекундных) лазеров с высокой концентрацией энергии в импульсе взаимодействующем со специальными лазерными мишенями-излучателями (МИ). В результате взаимодействия рождаются сгустки (банчи) заряженных частиц. Коллимирование и фокусировка банчей образовавшихся частиц позволяет создавать компактные генераторы ионных (ионы, электроны и гамма-кванты) банчей со средними энергиями ионов до сотен МэВ/нуклон и релятивистские электроны в сопровождении позитронов и гамма-квантов. Доставка лазерных импульсов к мишенно-фокусирующей головке (МФГ), являющейся выходным элементом для имлантации банчей и считывания записанной информации, обеспечивается гибкими световодами, что позволяет создавать компактные приборы записи данных.

Лазерное ускорение

Лазерное ускорение обеспечивается ускорением ионов кулоновским взрывом кластерных и твердотельных мишеней-излучателей (МИ). Возможны также следующие варианты лазерного ускорения:

- ускорением ионов в приповерхностном слое МИ;

- ускорением ионов радиационным давлением света;

- ускорением ионов в магнитном вихре;

- ускорением ионов на фронте бесстолкновительной ударной волны [2].

Процесс получения каким-либо (любым) методом ускоренных ионов сопровождается генерацией быстрых электронов, дальнейшее распространение которых в веществе рождает также позитроны и гамма-кванты.

В настоящее время максимальная энергия ионов, ускоренных с использованием тонких твердотельных мишеней-излучателей и фемтосекундных лазеров, составляет 40 МэВ [3], 45 МэВ [4], 160 МэВ [5] для протонов; 1 ГэВ (т.е. 83 МэВ/нуклон) для углерода [6].

Использование метода ускорения ионов кулоновским взрывом кластерных и твердотельных мишеней-излучателей (МИ) позволяет создать компактную установку с Гигаваттной мощностью в импульсе для генерации ионных (в сопровождении электронов, позитронов и гамма-квантов) банчей суммарной интенсивности 10¹⁰-10¹² ионов/сек и средней энергией до 50 МэВ/нуклон.

С помощью перечисленных методов лазерного ускорения происходит генерация банчей со сложным ионным составом в сопровождении электронов, позитронов и гамма-квантов, что позволяет осуществлять эффективное занесение информации (маркирование, как метод создания памяти) в облучаемую часть объекта, а также осуществлять одновременно и диагностику (контроль правильности процесса и конечного результата занесения информации) облучаемой и прилегающих областей объекта [7, 8]. Кроме того, например, если сформировать протонный пучок с небольшой добавкой ионов углерода и/или кислорода, то в веществе объекта будет стимулироваться формирование оксидов/карбидов, которые будут дополнительно химически воздействовать на вещество объекта, увеличивая контрастность информационных сгустков.

Доставка импульсов формирующего лазера осуществляется по гибким световодам, вмонтированным в используемые устройства к МФГ. Мишенная часть МФГ имеет фрагментарный и секторальный характер, т.е. в нее включены фрагменты разных веществ, что обеспечивает возможность динамического выбора определенного типа ионов банча в процессе работы (разноионный состав выходного пучка) и возможности многопучковой (многоканальной) записи считывания.

Несколько десятков идентичных управляемых индивидуально каналов образуют основу полного многоканального (многопучкового) устройства записи информации, состоящего из многоканального ГПИНЭ (МКГПИНЭ), гибких световодов собранных в жгут, многоканальной управляемой оптики (МКУО) в составе многоканальной МФГ (МКМФГ). Конструкция МКМФГ, как и в одноканальном варианте, обеспечивает возможность сканирования головки как целого в телесном угле 2π (4π если необходимо) и, кроме того, на конечном участке устройство каждого канала позволяет иметь некоторый дополнительный диапазон по полярному углу (относительно оси первоначального пучка) для индивидуального синхронно-асинхронного сканирования.

Блок вычислений и управления (БВУ) управляет параметрами многопучкового устройства для лучевого внесения информации (МПУЛВМ), который является элементом ПИВД. БВУ осуществляет управление следующими характеристиками ионного (ион-электрон-позитрон-гамма-квантного) банча с помощью манипулирования параметрами лазерных импульсов и мишенной части головки:

- средняя энергия банча;

- начальная угловая расходимость банча;

- интенсивность банча;

- длительность банча;

- тип ионов (ион-электрон-позитрон-гамма-квантного) банча.

Характер подложки

В случае варианта для длительного архивного хранения информации применяются специально изготовленные пластины удовлетворяющие требованиям в зависимости от назначения.

Двухстороннее (сквозное) считывание с относительно больших глубин занесенной информации требует прозрачности в используемых для считывания диапазонах электромагнитного спектра, минимального числа химических элементов (изотопов) входящих в базовую структуру основы (подложки, носителя информации), а также минимального количество примесей. Таким образом, рекомендациями по выбору подложки при двухстороннем считывании являются - прозрачность, чистота (базового состава).

Минимальная толщина для информационно-значимого слоя вещества подложки составляет не менее 10 мкм при двухстороннем считывании и не менее 30-50 мкм для слоя обеспечивающего жесткость и долговечность носителя.

Варианты материалов при двухстороннем считывании выбираются из класса диэлектриков или полупроводников; в частности, подходящими материалами будут кристаллические и аморфные - кварц, кремний, германий и другие.

При одностороннем считывании (и естественно, ограниченной глубине занесения информации) возможно использование гораздо более широкого набора материалов, в том числе и металлов.

Плотность записи

Для минимальной чувствительности считывающего устройства при считывании 10³ атомов любого выбранного для занесения элемента периодической системы в 1 куб. мкм число частиц заносимых в ячейку объемом 1 куб. мкм можно варьировать в широких пределах - 10³-10⁵ ионов (превышение уровня - 10⁵ ионов для одной ячейки технически возможно, но потребует достаточно больших энергетических затрат и, таким образом, не всегда целесообразно).

К настоящему времени известно [9] 115 химических элементов, из них 82 находятся в достаточном количестве в земной коре и используются в производственной деятельности, кроме того, количество открытых различных изотопов элементов составляет ~3500, таким образом, оценка ~100 изотопов, которые можно использовать для обеспечения разнообразия типов информационных меток являющимся носителями бит информации, является нижней оценкой.

Достижимый в этом случае объем информации заносимой на кварцевую пластину с размерами 10×10×0.01 см³ (толщина рабочего слоя пластины ~10 мкм, остальная толщина для поддержания жесткости пластины при длительном хранении) составит величину порядка 1 Петабит (Пбит), или примерно 10 Терабит (Тбит)/см².

Предложенный способ использования малоинвазивной многопучковой лучевой низкоэнергетической записи информации (способ малоинвазивной многопучковой лучевой низкоэнергетической записи информации - мИМПЛНэЗИ), надежный способ воспроизведения (считывания) занесенной информации и система, реализующая данный способ позволяет впервые осуществить новый способ и устройство прецизионного занесения информации для долговременного хранения путем введения сверхмалых доз (атто - сгустков, кластеров, фрагментов) контрастных веществ в точечно подобную пространственную область облучаемой зоны объекта.

Вычисление параметров управления для пучкового устройства мИМПЛНэЗИ и контроль идентичности вносимой информации заданной изначально производится в блоке вычислений и управления за счет информации поступающей с системы мониторинга встроенной соосно с МКМФГ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент №2644121.

2. Haberberger D et al. Nature Phys. 8 95 (2012).

3. Ogura К et al. Opt. Lett. 37 2868 (2012).

4. Kim I J et al. Phys. Rev. Lett. 111 165003 (2013).

5. Hegelish В M et al., arXiv: 1310.8650.

6. Jung D et al. Phys. Plasmas 20 083103 (2013).

7. Korzhimanov A V et al. Phys. Rev. Lett. 109 245008 (2012).

8. Nishiuchi M et al. Rev. Sci. Instrum. 85 02B904 (2014).

9. https://ru.wikipedia.org/wiki/Изотопы

Изобретение относится к способам занесения информации на материальный объект, предназначенным для обеспечения длительного хранения на поверхности объектов - из числа предметов (изделий), получаемых в результате хозяйственной деятельности, а также специально изготовленных для длительного хранения информации, с возможностью быстрого получения информации в процессе считывания. Впервые предлагается способ и многопучковая система, создающая потоки параллельных пучков ионов низких энергий с непосредственной доставкой их к области воздействия для занесения информации, организованной побитно в виде оптимальных по размерам, числу, направлению движения, средней кинетической энергии сгустков (банчей) ионов контрастного вещества, имплантируемых в приповерхностный слой объекта, выполненные в едином корпусе (многопучковый инструмент внесения данных). В случае варианта для длительного архивного хранения информации применяются специально изготовленные пластины удовлетворяющие ×требованиям в зависимости от назначения. Двухстороннее (сквозное) считывание с относительно больших глубин занесенной информации требует прозрачности в используемых для считывания диапазонах электромагнитного спектра, минимального числа химических элементов (изотопов), входящих в базовую структуру основы (подложки, носителя информации), а также минимального количества примесей. Таким образом, рекомендациями по выбору подложки при двухстороннем считывании являются - прозрачность, чистота (базового состава). Минимальная толщина для информационно-значимого слоя вещества подложки составляет не менее 10 мкм при двухстороннем считывании и не менее 30-50 мкм для слоя, обеспечивающего жесткость и долговечность носителя. Достигаемый в этом случае объем информации, заносимой на кварцевую пластину с размерами 10×10×0.01 см³ (толщина рабочего слоя пластины ~10 мкм, остальная толщина для поддержания жесткости пластины при длительном хранении), составит величину порядка 1 Петабит или примерно 10 Терабит/см². 2 н. и 11 з.п. ф-лы.

1. Способ занесения информации на любой твердый материальный объект, в том числе специально изготовленный для обеспечения длительного хранения и возможности быстрого получения информации в процессе считывания, согласно которому в приповерхностном слое примесными добавками создается малоразмерное изображение метки, т.е. бита, единицы информации, заносимое путем модифицирования маркируемого участка этой поверхности с помощью ионного пучка контрастного вещества химического элемента, отличающийся тем, что в качестве устройства для занесения информации используется многоканальный/ многопучковый ионный ускоритель «многопучковый маркиратор».

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что каждый канал представляет собой ускоритель ионов на основе короткоимпульсных атто-, фемтосекундных лазеров, и тем, что каждый канал управляется индвидуально.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что имеется многоканальная мишенно-фокусирующая головка с фрагментарно-секторальной структурой для обеспечения фокусировки и разнотипности ионов в пучках.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что лазерные импульсы доставляются к многоканальной мишенно-фокусирующей головке по гибким световодам для обеспечения возможности расположения ее непосредственно на границе облучаемой области объекта.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе занесения информации также осуществляется одновременно и диагностика-мониторинг (контроль правильности процесса и конечного результата занесения информации) облучаемой и прилегающих областей объекта.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что управление средней энергией, начальной угловой расходимостью, интенсивностью, длительностью ионного сгустка (банча) осуществляется манипулированием параметрами лазерных импульсов и мишенно-фокусирующей головки в блоке вычислений и управления.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изображение единицы информации (бита, метки) надежно детектируется при зондировании не только по отраженному-рассеянному (одностороннее считывание), но и прошедшему сквозь вещество носителя (двухстороннее считывание) излучению с одновременным использованием когерентных излучателей и приемников в нескольких диапазонах электромагнитного спектра.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что имплантация кластеров (бит) примесных добавок в атомную структуру приповерхностного слоя носителя в варианте двухстороннего считывания достигает плотности информации до 10 Терабит/кв.см или суммарной информационной емкости для пластины площадью 100 кв.см - 1 Пбит.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для комбинированного носителя (сборка), состоящего из 10 этажей параллельных пластин площадью 100 кв.см каждая, и единой системы перемещаемых головок записи-считывания в варианте двухстороннего считывания каждой пластины суммарная информационная емкость составит до 10 Пбит.

10. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее блок вычислений и управления, подключенный к дисплею отображения, и блок питания, отличающееся тем, что оно содержит управляемый инструмент записи-считывания, выполненный виде пучковой системы, генерирующей банчи заряженных частиц, лазера генератора низкоэнергетических ионов, при этом блок вычислений и управления подключен к управляющим входам пучковой системы, лазера и устройства индикации, информационный вход которого соединен с соответствующим выходом пучковой системы, оптически связанной через многоканальный световод с лазером генератора низкоэнергетических ионов, подключенным к блоку питания.

11. Устройство для осуществления способа по п. 1, отличающееся тем, что пучковая система записи-воспроизведения и долговременного хранения содержит корпус, внутри корпуса последовательно расположены многоканальный световод, поворотный механизм для ориентации многоканальной мишенно-фокусирующей головки, электроуправляемая матрица управляемой оптики, многослойная структурированная мишень, излучатель с держателем и элементы магнитно-электростатической тонкой фокусировки банчей, при этом внутри корпуса проложена шина обмена и управления, соединенная с электроуправляемым оптическим узлом (матрицей управляемой оптики), блоками считывания, аналого-цифровых преобразований, коммутации, передачи и управления и электромагнитными элементами для фокусировки банчей.

12. Устройство для осуществления способа по п. 1, отличающееся тем, что ионы генерируются использованием многослойной структурированной тонкой твердотельной, сложного атомного состава (углеродоводородная группа из биологически эффективных и безопасных тяжелых частиц с массовым числом больше 1) мишени-излучателя, расположенной ортогонально оси пучковой системы записи-воспроизведения и долговременного хранения.

13. Устройство для осуществления способа по п. 1, отличающееся тем, что система записи-воспроизведения содержит насадку, соосную устройству, содержащую многослойную аксиальную сканирующую головку, расположенную в концевой части и состоящую из матрицы чувствительных элементов для приема ультрафиолетового, видимого, инфракрасного диапазонов, пьезодатчиков для приема ультразвукового излучения, излучателей ультрафиолетового, видимого, инфракрасного диапазонов и излучателей ультразвука для считывания информации и диагностики.