Разработка физических принципов и создание оборудования для модификации магнитных состояний тонкопленочных слоев магнитных носителей информации

Актуальность темы

.

В настоящее время развитие и применение новых современных технологий во всех областях производственной деятельности неразрывно связано с обменом, использованием, обработкой и хранением информации.

Прогресс в развитии технологий и оборудования для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники, начавшийся в конце прошлого столетия, предопределил широкое внедрение ЭВМ, в том числе и персональных, во всех сферах человеческой деятельности. Объединение отдельных ЭВМ в глобальную компьютерную сеть «Интернет» позволило органам государственной власти, министерствам, ведомствам, силовым структурам, различным организациям, фирмам и частным лицам существенно расширить доступ к информационным ресурсам, увеличить обмен информационными потоками, осуществлять их обработку в реальном масштабе времени или в сжатые временные сроки.

Совершенствование различных радиоэлектронных средств, подключение их к ЭВМ, объединенным в локальные сети, привело к возникновению сложных управляющих систем и комплексов, предназначенных для автоматизированной обработки больших потоков информации и выдачи сигналов управления (системы управления движением, навигационные системы и т. п.).

Значительное увеличение объема хранимой информации и сокращение временных ресурсов, требуемых для ее обработки, обусловило необходимость применения наряду с бумажными носителями информации и иных носителей, сопрягаемых с ЭВМ. К таким носителям следует отнести магнитные носители, применяемые в системах магнитной записи, входящими в состав персональных ЭВМ. В настоящее время на различных предприятиях и в организациях, структурах, находящихся в подчинении военных ведомств, в качестве носителей информации, широкое распространение получили гибкие и жесткие магнитные диски, различные типы аудио-, видео и стримерных кассет, специальная магнитная проволока [1].

Среди систем магнитной записи особое место занимают накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД, винчестеры). Они характеризуются объемом записываемой л информации в десятки и сотни гигабайт и временем доступа порядка 10″ секунды. В последние десять лет поверхностная плотность записи информации на НЖМД увеличивалась ежегодно в среднем на 60%. Если эта тенденция сохранится, то в ближайшее время может быть достигнута.

Q «У плотность записи -5*10 бит/см. Легко оценить, что при этом характерные размеры соответствующие 1 биту информации будут составлять -140 * 140 нм. В настоящее время эти носители занимают ведущие позиции среди других видов носителей информации.

На таких магнитных носителях возможно хранение большого количества конфиденциальной информации, т. е. информационных ресурсов, неконтролируемое распространение которых по каким-либо причинам нежелательно.

К моменту начала работы над диссертацией было известно, что для защиты конфиденциальной информации, которая может храниться на магнитных носителях, применяются организационно-режимные и организационно-технические меры, позволяющие перекрыть возможные каналы утечки информации.

К организационно-режимным мерам следует отнести ограничение круга лиц, допущенных к работе на данной ЭВМ, учет и хранение на магнитных носителей в специальных местах, находящихся под охраной и т. п.

К организационно-техническим мерам следует отнести контроль технических и эксплуатационных характеристик [2−4] и дальнейшее закрытие каналов утечки информации путем применения аппаратуры засекречивания, уменьшение излучения составных частей ЭВМ и т. п.

Вместе с тем в комплекс мероприятий по закрытию каналов утечки информации входит не только охрана и скрытие информации, размещенной на магнитных носителях, но также ее надежное уничтожение после ознакомления и обработки, а также в экстренных обстоятельствах.

Если речь идет о конфиденциальной информации, то в этом случае у пользователя, собственника или владельца этой информации должна быть уверенность в надежности ее уничтожения.

Уничтожение информации, записанной на магнитных носителях, может осуществляться с помощью программного стирания заданных файлов, физического уничтожения носителя информации или изменения магнитных характеристик рабочего слоя [5].

Следует отметить, что выполнение стандартной операции для операционной системы по стиранию заданного файла не дает необходимого положительного эффекта, поскольку при этом уничтожается не сама информация, а только ссылки на нее в каталоге и таблице размещения файлов. Сама же информация по-прежнему находится на жестком диске и может быть восстановлена при помощи специальных устройств.

Физическое уничтожение носителя требует или достаточных временных ресурсов, или в ряде случаев (например, взрывное уничтожение) может представлять опасность для находящегося вблизи персонала.

Значительных энергетических и временных затрат требует изменение магнитных характеристик рабочего слоя путем его перегрева выше точки Кюри.

Для экстренного уничтожения конфиденциальной информации целесообразным представляется способ, основанный на размагничивании или намагничивании магнитного слоя носителя. Следует ожидать, что данный способ позволит осуществить операцию по уничтожению информации в сравнительно небольшом временном промежутке, однако потребует создания достаточно сильных магнитных полей с амплитудами, определяемыми свойствами тонкопленочных слоев магнитных носителей информации.

Актуальность проблемы по закрытию каналов утечки информации с помощью экстренного уничтожения информации, записанной на НЖМД, подтверждается приказом Министра обороны Российской Федерации от 10 августа 2002 года № 306 «О введении в действие общих и специальных технических требований, предъявляемых к устройствам уничтожения информации с магнитных носителей посредством электромагнитного воздействия». В приказе ставится задача по созданию устройств уничтожения информации с магнитных носителей и их сертификации в системе сертификации средств защиты информации Министерства обороны Российской Федерации. Заказывающим управлениям, научно-исследовательским учреждениям Министерства обороны Российской Федерации вменяется разрабатывать тактико-технические задания на создание устройств уничтожения информации с магнитных носителей, а органам сертификации и испытательным аккредитованным лабораториям в системе сертификации средств защиты информации Министерства обороны Российской Федерации, руководствоваться требованиями безопасности информации при проведении их сертификации. Контроль за выполнением вышеуказанного приказа возложен на восьмое управление генерального штаба Вооруженных сил Российской Федерации.

Возникшая актуальная задача уничтожения информации систем магнитной записи, входящих в состав персональных ЭВМ, определила.

Цель диссертационной работы — разработка физических принципов и создание оборудования для модификации магнитных состояний тонкопленочных слоев магнитных носителей информации, определилась актуальностью возникшей задачи уничтожения информации систем магнитной записи, входящих в состав персональных ЭВМ.

Задачами данной диссертационной работы, обеспечивающими достижения поставленной цели, являются:

— рассмотрение физических особенностей намагничивания магнитотвердых материалов;

— оценка магнитных полей необходимых для уничтожения информации записанной на жесткий магнитный носитель;

— теоретические оценки влияния различных факторов при конструировании магнитных систем;

— разработка и создание импульсной магнитной полеобразующей системы;

— разработка и создание электронных систем управления и регистрации;

— разработка и создание оборудования для модификации магнитных состояний тонкопленочных слоев магнитных носителей для скрытия экстренного уничтожения информации.

Научная новизна работы заключается:

— в теоретическом и экспериментальном исследовании устойчивости состояний тонкопленочных слоев магнитных носителей к внешним импульсным магнитным полям;

— в проведении комплексного экспериментального исследования влияния элементов конструкции на параметры стирающего импульсного магнитного поля;

— в разработке новых принципов создания импульсной магнитной системы;

— в экспериментальном подтверждении возможности формирования импульсных магнитных полей с использованием новых предложенных способов конструирования устройств управления импульсной магнитной системой;

— в предложенном новом подходе регистрации стирания информации с магнитных носителей при экстренном уничтожении;

— в экспериментальном изучении процессов формирования импульсных магнитных полей в объеме размещения магнитного носителя.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается удовлетворительным согласием теоретических оценок и экспериментальных результатов, хорошим совпадением экспериментальных данных, полученных при заводских и государственных испытаниях трех опытных образцов прибора, систематическим характером результатов испытанийиспользованием современных методов исследования процессовпрактической реализацией научных положений и новых предложенных способов и устройствреализацией выводов при конструировании и разработке серийной документации прибора.

Практическая ценность работы обусловлена тем, что:

— предложенный прибор обеспечивает надежное экстренное уничтожение информации на магнитных носителях формата 3,5 дюйма типа НЖМД, НГМД, аудиокассете, видеокассете без возможности ее восстановления;

— разработанный технологический процесс экстренного уничтожения информации обеспечивает ориентировочную производительность прибора стирания информации с магнитных носителей: типа НЖМД — до 25 шт. в частипа НГМД — до 125 шт. в час;

— разработанная технология позволяет вести совместную работу с ПЭВМ в штатном режиме с размещенным жестким магнитным носителем в рабочей камере прибора и в режиме 8 экстренного уничтожения информации допускает ее уничтожение непосредственно от устройств управления прибора или с помощью дистанционного управления;

— разработанная конструкторская, технологическая документация прибора (при серийном запуске УЭ01) и оборудование были изготовлены и переданы для серийного изготовления на предприятие ОАО Ставропольский радиозавод «Сигнал».

Представленные в диссертации исследования выполнены по планам НИР «Первопут».

2000 г. и ОКР «Слепота» 2003 г. по заказу Министерства обороны Российской Федерации, и.

НИР «Умозаключение» 2004 г. [6−8].

На защиту выносятся следующие научные положения:

— магнитная запись будет уничтожена, если внешнее импульсное магнитное поле превышает коэрцитивную силу тонкопленочных слоев магнитных носителей информации в 2,5−3 раза;

— воздействие внешним тангенциальным к плоскости диска полем напряженностью 300−350 кА/м уничтожает информацию без возможности ее восстановления;

— использование стирающего намагничивающего импульса длительностью более 1 мс обеспечит уменьшение потерь напряженности магнитного поля в защитном кожухе магнитного диска;

— с увеличением числа витков катушек расширяется диапазон допустимых значений емкости, без существенного снижения поля в рабочем объеме;

— при неопределенности материала и толщины кожуха можно принять оптимальное значение емкости накопителя в пределах от 50 до 200 мкФ, при числе витков в каждой катушке 70. При этом частота собственных колебаний находится в пределах 200−500 Гц, что соответствует длительности полупериода 1−2,5 мс;

— применение взаимно-перпендикулярных стирающих полей, включающихся последовательностью импульсов, в симметричных импульсных магнитных системах уменьшает различие в остаточных намагниченностях ячеек, повышает равномерность и надежность стирания записи на магнитном носителе;

— учет и оптимизация конструкции импульсной магнитной системы и ее составляющих элементов (сопротивление цепи контура, диаметр провода, количество витков, вид намотки, емкость конденсатора и др.) обеспечивает максимальное значение напряженности ортогонального магнитного поля с линейным рельефом магнитных зарядов вдоль всего объема размещения магнитного диска;

— использование в электронных системах управления устройств измерения параметров сигналов (частоты, уровня, фазы и амплитудно-временных) обеспечивает надежность стирания, достоверность при сохранении совокупности электрических параметров импульсного магнитного поля;

— использование точечных преобразователей для контроля импульсного магнитного поля в полеобразующей системе, позволяет преобразовать импульсный магнитный рельеф или рельеф магнитных зарядов в объеме размещения магнитного диска, электропотенциальный рельеф и обеспечивает гарантированный, надежный контроль за значением напряженности и направлением вектора каждого стирающего импульса внешнего магнитного поля;

— использование синфазного и противофазного суммирования с параллельным и последовательным включением катушек при формировании импульсных магнитных полей обеспечивает равномерность, линейность и увеличение значения напряженности магнитного поля.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на:

Научно-технической конференции-выставке «Современные образцы ВТ». Образец прибора УЭ01 демонстрировался на выставке, г. Санкт-Петербург, февраль 2004 г.

Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании», Турция, май 2004 г.

Международной научно-технической конференции «Моделирование электронных приборов и аппаратуры, обеспечение их качества надежности» «Приборинформ-2004», г. Севастополь, сентябрь 2004 г.

Результаты работы опубликованы в шестнадцати авторских свидетельствах и патентах на изобретение РФ, в шести научных статьях, в трех научно-технических отчетах.

Личный вклад автора.

Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично. Автор внес основной вклад в разработку и постановку задач исследований, планирование и проведение экспериментов, анализ полученных результатов, макетирование прибора, разработку структурных, функциональных, принципиальных электрических схем и конструкционных решений прибора, изготовление опытных образцов, разработку рабочей конструкторской и эксплуатационной документации, проведение заводских и государственных испытаний опытных образцов прибора, освоение изготовления прибора на серийном заводе.

Соавторы, принимавшие участие в исследованиях по отдельным направлениям, указаны в списке основных публикаций по теме диссертации.

Выводы к главе 6.

Разработана рабочая конструкторская документация на прибор для экстренного уничтожения информации на магнитных носителях и ей присвоена литера Oi.

Обоснованы и применены в конструкции прибора решения для обеспечения тепловых режимов работы прибора в заданных условиях эксплуатации.

Разработан испытательный стенд для отработки конструкции, испытаний образцов приборов и измерения их характеристик.

Исследованы параметры магнитных полей, формируемых прибором.

Экспериментально показано уничтожение магнитной информации с носителей без возможности восстановления.

Разработаны циклограммы работы с прибором.

Прибор признан Государственной комиссией выдержавшим полный цикл испытаний на соответствие требованиям тактико-технического задания.

Образцы прибора сертифицированы на соответствие требованиям к средствам защиты информации, принятым в МО РФ.

Прибор принят на снабжение Вооруженных Сил РФ. Освоено серийное производство прибора [87].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Главным итогом, определяющим научную и практическую значимость проведенных исследований, является разработка физических принципов и создание оборудования для модификации магнитных состояний тонкопленочных слоев магнитных носителей информации.

Наиболее важные конкретные результаты работы состоят в следующем.

1. На основании проведенного теоретического анализа установлено, что совокупность требований, предъявляемых к тонкопленочным слоям современных магнитных носителей информации, включает высокую перпендикулярную анизотропию, высокую коэрцитивную силу в перпендикулярном направлении рабочего слоя и высокую однородность его магнитных свойств. Кроме того, носитель должен обладать хорошей коррозийной стойкостью и достаточной механической прочностью. Наиболее полно указанным требованиям соответствуют кобальт-хромовые, кобальт-содержащие, барий-ферритовые, железосодержащие и аморфные тонкопленочные слои, а также материалы не вакуумного осаждения, которые и применяются в настоящее время в качестве магнитных носителей информации в системах внешней памяти ЭВМ. В качестве материалов подложки магнитных накопителей используют стекло, кремний и пластмассу. Для гибких носителей информации широко используются полиэтилентерафталатовые, полиэтиленнафталатовые и полиамидные пленки.

2. Результаты проведенного теоретического анализа показывают, что для экстренного уничтожения информации, содержащейся на носителях магнитной записи, целесообразно применять способ, основанный на размагничивании или намагничивании магнитного слоя носителя внешним магнитным полем. Данный способ позволит осуществить операцию по гарантированному уничтожению информации в сравнительно небольшом временном промежутке без возникновения опасности для работающего персонала и техники, однако потребует создания достаточно сильных магнитных полей с амплитудами, определяемыми свойствами тонкопленочных слоев магнитных носителей информации.

3. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований установлено, что магнитные свойства тонкопленочных слоев магнитных носителей информации зависят от толщины пленки, процентного состава составляющих ее элементов, технологических условий напыления и термообработки, микроструктуры пленки. Значение коэрцитивной силы тонкопленочных слоев современных магнитных носителей информации ограничивается возможностями создания мощных магнитных полей миниатюрными магнитными головками, используемыми при штатной записи-воспроизведении, и может достигать 200 кА/м.

4. Результаты исследований подтвердили, что тангенциальное магнитное поле с напряженностью 300. 350 кА/м уничтожает информацию на магнитных носителях.

Воздействие на магнитный носитель магнитного поля с напряженностью, превышающей коэрцитивную силу магнитного материала в 2,5.3 раза, гарантирует уничтожение исходной записи без возможности её восстановления.

5. Произведена теоретическая оценка влияния различных факторов при конструировании магнитных систем:

• вариация диаметров катушек при конструировании магнитных систем позволяет выбрать условия, при которых поле в области стираемой магнитной записи будет наибольшим и в тоже время практически однородным;

• катушки стирающих устройств должны обладать значительной механической прочностью;

• для снижения потерь магнитного поля в кожухе длительность импульса намагничивания необходимо увеличивать;

• для экранирования устройства необходимо использовать экраны из алюминиевых сплавов толщиной не менее 5 мм. Они ослабляют поле на 70. .80%.

6. Разработана и создана конструкция импульсной магнитной полеобразующей системы, которая обеспечивает получение магнитных полей с практически равномерным распределением амплитудных значений поля по всему объему размещения магнитного носителя.

7. Разработан путь повышения энергетической эффективности стирания записей с магнитных носителей за счет более полного использования энергии в контуре.

8. В результате проведенных исследований предложены новые способы регистрации параметров синусоидальных и импульсных сигналов, которые могут быть применены при создании систем управления и регистрации в устройствах уничтожения информации с магнитных носителей. Эти способы обеспечивают:

• измерение амплитуды сигналов;

• измерение частоты сигнала в широком динамическом диапазоне амплитуды;

• измерение разности фаз между двумя электрическими колебаниями;

• регистрацию уровней сигналов в реальном масштабе времени;

• измерение временных параметров импульсных сигналов;

• измерение временной задержки между импульсными сигналами;

• точность измерения параметров.

Предложены принципы построения системы управления и регистрации в устройствах экстренного уничтожения информации с магнитных носителей.

Разработаны способы регистрации и контроля параметров магнитного поля в устройствах уничтожения информации.

Предложена структурная схема устройства встроенного контроля напряженности магнитного поля.

9. Разработано и создано оборудование для модификации магнитных состояний тонкопленочных слоев магнитных носителей для скрытия экстренного уничтожения информации:

• разработана рабочая конструкторская документация на прибор УЭ01 для экстренного уничтожения информации на магнитных носителях и ей присвоена литера Оь.

• экспериментально показано уничтожение магнитной информации с носителей без возможности восстановления;

• разработаны циклограммы работы с прибором;

• прибор признан Государственной комиссией выдержавшим полный цикл испытаний на соответствие требованиям тактико-технического задания;

• образцы прибора сертифицированы на соответствие требованиям к средствам защиты информации, принятым в МО РФ.

10. Прибор принят на снабжение Вооруженных Сил РФ. Освоено серийное производство прибора.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность и искреннюю признательность:

• научному руководителю А. Ю. Митягину за постоянное внимание, творческое участие и поддержку настоящей работы;

• за ряд полезных советов и рекомендаций начальнику отдела печатных плат, ученому секретарю института к.т.н. Э. А. Сахно (ОАО «ЦНИТИ Техномаш»);

• за помощь в выполнении исследований сотрудникам испытательного отдела, начальнику сектора С. Г. Борисову, ведущему инженеру Е. В. Макешиной, инженеру М. В. Фесенко (ФГУП «ЦНИРТИ»);

• за помощь в выполнении организационных и экспериментальных работ заместителю директора по научной части к.т.н. А. А. Лебедю (ФГУП «ЦНИРТИ»);

• за организацию серийного изготовления и техническую помощь генеральному директору А. Ю. Митягину (ООО НПФ «Промтехн»);

• за участие в испытаниях сотрудникам ЦФТИ МО РФ.