CN113341358B - 用于在快速扫描和连续波模式之间快速epr线圈切换的机械设备 - Google Patents
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Abstract
一种电子顺磁共振(=“EPR”)设备(9),包括:主磁体(10),其在气隙的两侧上设置有两个磁极片(11);至少一个适于快速扫描(=“RS”)测量的EPR探头,所述EPR探头位于主磁体的磁极片之间和一对RS线圈(1)之间,其特征在于,EPR设备还包括:位于主磁体的磁极片之间的适于连续波(=“CW”)信号测量的至少一个EPR探头;和载具(20),其允许将RS线圈插入到主磁体的磁极片之间的气隙中使之处于工作位置中以及从气隙中抽出RS线圈到CW工作容积之外的存储位置。这提供了组合的CW‑RS EPR装置,其配备有允许快速且安全地改变RS线圈的机构,并且包含定位装置,使得单个用户可以安全且快速地将线圈安装和锁定在其工作位置。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子顺磁共振(=“EPR”)设备,该电子顺磁共振设备包括:主磁体,其在气隙的两侧上设置有两个磁极片;至少一个适于快速扫描(=“RS”)测量的EPR探头,所述EPR探头位于主磁体的磁极片之间和一对RS线圈之间。
通常,探头包括EPR共振器、样品架和微波(=“MW”)波导。
在参考文献[1](=EP19315067.9≈CN202010630802.6,在本申请日期时尚未公开)中描述了这种类型的设备。
背景技术
本发明涉及使用电子顺磁共振(EPR),尤其是所谓的快速扫描(RS)EPR的非侵入性和非破坏性分析和成像领域,并且更具体地涉及配备有特定RS线圈和对应的线圈装置的EPR设备。RS EPR是将频谱记录为连续波(CW)EPR和脉冲EPR的替代方法。
在参考文献[2](=US-A 4,782,296)中描述了用于CW工作和脉冲工作的电子自旋共振波谱仪。
在参考文献[3](=US 2012/0262176 A1)中公开了使用RS技术的EPR成像装置的示例。尽管此处显示的设备包括用于空间编码的梯度线圈,但也可以在没有诸如EPR波谱仪之类的线圈的情况中使用该设备。
标准的CW和快速扫描EPR波谱方法,无论是高灵敏度、中灵敏度还是低灵敏度类型的实施(灵敏度由测得的EPR频谱的信噪比反映),都需要在微波空腔内所包含的研究材料(即EPR样品)上同时施加静态、射频和微波磁场。
在参考文献[4](=US-A 5,345,203≈DE 41 25 655C2)中描述了用于EPR波谱的圆柱形TE01n微波模式的共振器装置。在参考文献[5](=US 2018/0172790 A1≈EP 3 339872B1)中公开了一种改进的EPR共振器,其在RF范围内具有扩展的透明性和均匀性。
参考文献[6](=TSEYTLIN OXANA等)公开了一种模块化成像系统,用于以800MHz快速扫描EPR,其结合了数字模拟技术,该模块化成像系统设计成通过采用恒定源频率与中频AWG输出的频率混合来实现最大的灵活性和多功能性。
参考文献[7](=DEBORAH G MITCHELL等)描述了通过对辐照熔融石英的连续波、自旋回波和快速扫描EPR的比较发现脉冲波谱和快速扫描波谱是通过无通过效应的实验数据的解卷积获得的。
在最初引用的参考文献[1]中,公开了一种RS EPR设备的结构。RS线圈需要精确且可重复地放置在磁体和微波共振器之间。对于连续波测量,需要将RS线圈从该工作位置移除并存储在主磁体的磁场之外的某一位置处,使得RS线圈释放CW设备的气隙间隙。
重置RS线圈需要克服的主要挑战是出于安全原因要保持RS线圈与冷却水回路和电源连接,并且出于舒适原因要使得单个用户在短时间内可行。在两种工作模式之间进行改变时,即从设备中抽取RS线圈时,应确保用户安全;连接需要保持绝缘。
然而,到目前为止,在本领域中还没有用于CW测量模式和RS测量模式的组合EPR设备。
发明内容
本发明提出了一种基本上克服了上述现有设备的一个或多个缺点和权衡的方式。
本发明的一个主要目的是提供一种组合的CW-RS EPR设备,其配备有允许快速且安全地改变RS线圈的机构。
本发明的另一个目的是包括一种定位装置,使得单个用户可以安全且快速地将线圈安装和锁定在其工作位置中。
根据本发明,这些目的是通过修改上述设备而实现的,其中,EPR设备还包括
-至少一个适于连续波(=“CW”)信号测量的EPR探头,其位于主磁体的磁极片之间,和
-载具(carrier),其允许将RS线圈插入到主磁体的磁极片之间的气隙中使之位于工作位置中,以及允许将RS线圈从该气隙抽出到CW工作容积之外的存储位置。
在这个新开发的带有专用线圈组的快速扫描(RS)附件中,现在可以在CW升级波谱仪上测量RS信号。这两种波谱方法(RS和CW)是互补的并且各有自己的优点。因此,用户可能想每天几次从一种模式快速切换到另一种模式。在仪器方面,CW和RS之间的主要区别在于快速扫描线圈、驱动器、检测器带宽和快速数字转换器。特别地,RS线圈是物理装置,当从一种模式改变为另一种模式时,需要对所述RS线圈进行更换。即,在CW模式下,用户必须确保未使用的RS线圈安全地存储在视野之外并防止任何损坏。当前,从一种模式到另一种模式的改变用时相当长,需要两个操作员在狭窄的空间内操纵易碎的RS线圈,并且操作员不得不与高压和水冷环境相互影响。
作为本发明基础的基本构思是开发一种设备,该设备实现了两个功能:
-在不使用时将RS线圈存储在波谱仪的背侧,无需断开电连接或水连接。存储位置必须使得CW工作不受RS线圈的影响。
-在RS模式下充当用于安装线圈的定位装置,使得单个用户可以安全且快速地将线圈安装和锁定在其工作位置中。
-另外,在RS模式下,设备未使用并且必须易于访问,以便下次从RS切换到CW模式。
为了实现这两个功能,所提出的载具设计是基于附接至磁体的滑动或枢转机构。在该设备的前面,设计了专用的机械支撑件来保持线圈以及将线圈从工作位置(较大的线圈间隙)轴向移动到紧凑的存储位置(较小的间隙,以避免对波谱仪造成机械干扰)。
需要使用刚性和轻量化的材料来精确定位,以及需要使用非磁性材料(强磁场附近)。
本发明的优选变型
在本发明的优选实施例中,至少一个EPR探头是适于RS测量和CW信号测量两者的单个探头,从而利用了根据本发明的EPR设备的特殊优点。探头一般包括EPR共振器、样品架和微波波导。
在本发明的替代实施例中,代替单个探头,库存适于RS测量或CW信号测量的一组几个不同的EPR探头。不同的探头适于特定的测量。然而,应该注意的是,对于该实施例,要求RS探头和CW探头通过微波波导连接到同一前端模块。此外,可以将RS探头和RS线圈两者都布置在载具上,并且将这些部件同时插入和抽出。
在本发明的实际应用中,载具由非磁性材料制成,优选地由塑料、玻璃纤维或铝制成,从而避免了对EPR设备中使用的磁场造成任何干扰。
在本发明的一类特别优选的实施例中,载具包括:
-用于将载具牢固地附接到EPR设备的机械结构的支座,
-长形的间隔件,该间隔件布置在支座上并且其第二端延伸到气隙中,
-布置在间隔件的第二端处的保持件,用于附接和拆卸RS线圈,以及
-布置在支座上的枢转和/或滑动机构,用于使间隔件与保持件一起在存储位置和工作位置之间移动。
在此类实施例的第一变型中,保持件包括固定板,两个RS线圈在彼此间隔开的预定位置处附接到所述固定板。固定板包括用于在载具运动期间将RS线圈固定至固定板的附接装置。用于在工作位置和存储位置之间运输期间固定线圈的附接装置可以是例如螺钉和/或夹具和/或钩。在任何情况下都必须保护线圈的易碎陶瓷体。
在此类实施例的第二(补足或补充)变型中,保持件包括支架,用以保持两个线圈彼此间隔开。
在优选的进一步修改中,RS线圈的预定间隔位置对应于线圈所固定至的磁极片的距离。在单次运动中这允许将线圈直接插入到磁极片的抵接表面上。否则,用户需要在单独的运动中定位RS线圈。对于此选项,手柄是有用的。
在本发明的另一个实施例中,RS线圈配备有调整装置,该调整装置允许在RS线圈附接至载具时调整RS线圈的位置,特别是线圈气隙的位置,使得RS线圈在滑动至存储位置时不会干扰安装爪。
在本发明的又一实施例中,磁极片配备有用于精确定位RS线圈的固定装置,特别是配备有抵接表面,或配备有定心装置,例如销或夹爪。由此,用户可以将RS线圈在气隙内部的预定位置处固定至磁极片,例如用螺钉固定以避免由RS线圈的振动引起的分离。
在本发明的另一个实施例中,磁极片配备有用于通过压配合可释放地固定RS线圈的装置。在操作期间,RS线圈会遭受明显的振动。为了避免RS线圈发生任何运动或甚至松脱,RS线圈需要刚性地固定至磁极片。在一个实施例中,操作员可以使用滚花螺钉,该滚花螺钉能够施加确保线圈压配合到磁极片所需的力。
本发明的另一类实施例的特征在于,RS线圈具有供给线,特别是用于电力供给的供给线,所述供给线由柔性材料制成,以便允许用户移动RS线圈,不会折断供给线。
在此类实施例的优选变型中,RS线圈的供给线包括具有两个间隔开的馈电线的馈送部,所述馈电线优选地被扭绞以防止电磁兼容问题。
在根据本发明的EPR设备的进一步有利的实施例中,RS线圈的供给线包括用于冷却水的进给线,所述用于冷却水的进给线单独地布置,优选布置在EPR设备的下方,以避免在冷却水泄漏的情况下将水倾泻到电气设备中。在工作中,RS线圈会产生热量,必须散发掉所述热量。
对于大多数实施方式,根据本发明的EPR设备配备有用于在RS模式和CW模式之间自动或半自动顺序切换的装置,所述切换特别是通过使用电动化单元或液压单元或气动单元进行的。
附图说明
通过结合附图仔细研究本发明的当前优选示例性实施例的以下详细描述,可以更好地理解和领会本发明的这些以及其他目的和优点。
为了使本领域技术人员更清楚本发明的上述以及其他特征和优点,下面将参考附图详细描述本发明的优选实施例,其中相同的附图标记表示相同的部分。
图1示出了用于RS线圈的载具的实施例的示意性3D视图;
图2a示出了EPR设备的实施例的示意性3D视图,其中RS线圈在紧凑的存储位置(CW模式)中附接到载具;
图2b更详细地示出了根据图2a的EPR设备的一部分,特别是将RS线圈夹紧到磁极片的夹爪;
图3a示出了安装至磁极片的RS线圈的一部分的截面图;
图3b示出了安装至磁极片(未图示的间隔件)的RS线圈的正视图;
图4a示出了根据图2a的实施例的示意性3D视图,其中RS线圈仍然附接至载具并位于磁体气隙中,载具和RS线圈处于中间位置,其中载具延伸成使得RS线圈能够附接至磁极片或者从磁极片拆卸;
图4b更详细地示出了根据图4a的EPR设备的一部分。
图5a示出了根据图4a的实施例的示意性3D视图,其中RS线圈附接到磁体,载具撤回以在RS模式下工作;
图5b更详细地示出了根据图5a的EPR设备的一部分;
图5c示出了根据图5a的载具的实施例;
图6示出了EPR设备的实施例的示意性3D视图,其中RS线圈附接到磁体,载具撤回,并且探头包括插入在RS线圈之间的微波共振器以便在RS模式下工作;
图7示出了根据现有技术的EPR设备的主要部件的示意图(参考文献[1])。
具体实施方式
现有技术仅接受用于仅单一用途的一般电子顺磁共振(=“EPR”)设备,即配备有适于快速扫描(=“RS”)测量的EPR探头或配备有适于连续波(=“CW”)信号测量的EPR探头。
图7示意性地示出了如现有技术参考文献[1]中所述的适于RS测量的EPR设备的主要部件。这种已知的EPR设备9包括:主磁体10,其具有两个相对的磁极片11,在所述磁极片11之间限定了气隙;适于RS测量的EPR探头,其定位在主磁体10的磁极片11之间和一对RS线圈1之间。EPR设备的EPR探头包括:微波共振器12,其与微波波导14联接;以及样品架13,用于保持要分析的样品。EPR设备还包括电流源1”,该电流源1”适合用作RS线圈1的线圈驱动器并通过电力供给线16与RS线圈1连接。
在工作期间,RS线圈1可以用冷却流体(特别是水)冷却,所述冷却流体从冷却单元7’经由进给线7(图中未完全示出)进给至RS线圈1。优选地,冷却单元7’和进给线7的尺寸和构造可以使得RS线圈1的表面温度不超过约35℃。
与此相反,本发明产生了具有两种可能的工作模式(即RS测量和CW信号测量)的组合的EPR设备构思。为此目的,根据本发明的EPR设备的特征在于,除了已知的单一用途装置外,它还包括:
-至少一个适于连续波(=“CW”)信号测量的EPR探头,所述EPR探头位于主磁体10的磁极片11之间,和
-载具20,该载具20允许将RS线圈1插入到主磁体10的磁极片11之间的气隙中使之处于工作位置中以及允许将RS线圈1从该气隙中抽出到CW工作容积之外的存储位置。
在根据本发明的EPR设备的实施例中,至少一个EPR探头是适于RS测量和CW信号测量两者的单个探头。在替代实施例中,库存有适于RS测量或CW信号测量的一组几个不同的EPR探头。
在下文中,通过示例并参考描绘本发明细节的图1至图6进一步详细解释和讨论本发明:
图1示出了用于RS线圈1的载具20的实施例的重要细节,该载具包括:
-支座21,所述支座21用于将载具20刚性地附接至EPR设备的机械结构,
-长形的间隔件22,所述间隔件22布置在支座21上并且其第二端延伸到气隙中,
-保持件23,所述保持件23布置在间隔件的第二端处,用于附接和拆卸RS线圈,以及
-枢转和/或滑动机构24,所述枢转和/或滑动机构24布置在支座21上,用于使间隔件22与保持件23一起在存储位置和工作位置之间移动。
在图1的载具20中,保持件23还包括支架23’,以将两个线圈1保持彼此间隔开。在图3b和图5a-5c中还更详细地示出了该支架23’。
此外,保持件23包括固定板25,两个RS线圈1在彼此间隔开的预定位置处附接至所述固定板25。
另外,RS线圈1配备有调整装置26,该调整装置26允许在RS线圈1附接至载具20时调整RS线圈1的位置。调整装置26构造成使得每个固定螺钉均在狭槽中被引导,以便将RS线圈1从固定板25处的紧凑“停放”位置移向磁极片11。图1中的小双箭头表示固定板25相对于所述螺钉沿着相同方向来回线性运动的可能性。
图2a和图2b示出了在紧凑的存储位置(CW模式)中附接至载具20的RS线圈1,其中在释放位置中可以看到夹爪27”’,其中RS线圈1从磁极片11拆卸。
作为替代的固定方式,图3a和图3b示出了一实施例,其中磁极片11配备有用于精确地定位RS线圈1的固定装置27,尤其是配备有定心装置,例如作为图2b所示的夹爪27”’的替代的销27”。磁极片11设置有这些突出的永久安装的销27”,允许RS线圈1在例如通过螺钉固定到磁极片1上之前相对于磁极片11对中。
图3a的截面图示出了安装至磁极片11的销27’。这些销27”用作定心装置和用于螺钉的附接。
图3b示出了RS线圈1所安装至的磁极片1。保持件23仍附接至RS线圈1。在该实施例中,保持件23配备有手柄,从而允许用户用一只手定位RS线圈1,同时用另一只手将RS线圈1通过螺钉旋拧到磁极片11上。支架23’保持两个RS线圈1彼此间隔开。
图4a示出了根据图2a的实施例,其中RS线圈1仍在磁体气隙中附接至载具20,带有支座21和间隔件22的载具20处于CW模式和RS模式之间的中间位置,其中RS线圈与载具20一起定位在气隙中。
注意,在工作中(CW或RS),载具20始终撤回。仅在将RS线圈1附接到磁极片11或从磁极片11移除RS线圈1时,载具20才伸出。
图4b更详细地示出了RS线圈1的电力供给线16,其包括两对间隔开的馈电线16’、16”,馈电线16’、16”优选是螺旋形的或扭绞的,以便防止电磁兼容问题。电力供给线16将RS线圈1与电流源1”(在该图中未示出)电连接,电力供给线16由柔性材料制成。
图5a示出了图4a的实施例,其中RS线圈1附接至主磁体10,载具20撤回并准备好以RS模式工作。在工作期间必须撤回载具20,这是因为微波共振器12需要插入到RS线圈1之间(如下图6所示)。
在图5b中更详细地示出了根据图5a的载具20的实施例,其中用于精确定位RS线圈1的固定装置27配备有抵接表面27’。为了保持高频下的线性阻抗(最小化寄生电容器),每个RS线圈1的电力供给线16同样包括两个间隔开的馈电线16’、16”,它们由彼此缠绕的电线构成。
图5c更详细地示出了具有根据图5a的保持件23的载具20,该保持件23具有支架23’。
图6示出了根据本发明的EPR设备,其中,RS线圈1附接至主磁体10,载具20撤回,探头包括微波共振器12、微波波导14和样品架13,所述样品架13插入在RS线圈1之间以便以RS模式工作。载具20配备有用于在RS模式和CW模式之间自动或半自动顺序切换的装置28,所述切换特别是通过使用电动化单元或液压单元或气动单元(在附图中未示出)进行。替代选择是其他滑动解决方案或其他机械运动,例如旋转运动。
本发明的基本特征是:
-单个用户在非常狭窄的空间内可以在RS和CW EPR模式之间快速切换RS线圈位置。用户可能一天几次想要从RS切换到CW。
-避免用户干预电气和/或冷却连接,以确保操作员安全(高压)和部件完整性(永久连接)。
-允许EPR波谱仪进行标准操作接入。
-限制用户操纵RS线圈(易碎陶瓷材料)。
-在不使用RS线圈时保证安全存储。
-在不使用时始终安装在磁铁上。
尽管本文仅示出和描述了本发明的某些特征,但是本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此,应理解,所附权利要求书意图涵盖落入本发明的真实精神内的所有此类修改和改变。
附图标记列表
1 RS线圈
1” 电流源
7 进给线
7’ 冷却单元
9 EPR设备
10 主磁体
11 磁极片
12 微波共振器
13 样品架
14 微波波导
16 电力供给线
16’,16” 馈电线
20 载具
21 支座
22 间隔件
23 保持件
23’ 支架
24 枢转和/或滑动机构
25 固定板
26 调整装置
27 固定装置
27’ 抵接表面
27” 销
27”’ 夹爪
28 用于在RS模式和CW模式之间切换的装置
现有技术参考文献目录
有关本发明的可专利性考虑的文献:
[1]EP19315067.9≈CN202010630802.6,在本申请日期尚未公布
[2]US-A 4,782,296
[3]US 2012/0262176 A1
[4]US-A 5,345,203≈DE 41 25 655 C2
[5]US 2018/0172790 A1≈EP 3 339 872 B1
[6]TSEYTLIN OXANA等:“Modular imaging system:Rapid scan EPR at800MHz”,JOURNAL OF MAGNETIC RESONANCE,美国学术出版社,美国佛罗里达州奥兰多市,第305卷,2019年6月8日(2019-06-08),第94-103页,XP085735920,ISSN:1090-7807,D01:10.1016/J.JMR.2019.06.003[检索2019-06-08]
[7]DEBORAH G MITCHELL等:“Comparison of continuous wave,spin echo,andrapid scan EPR of irradiated fused quartz”,RADIATION MEASUREMENTS,埃尔斯维尔,荷兰阿姆斯特丹,第46卷,第9期,2011年3月28日(2011-03-28),第993-996页,XP028291559,ISSN:1350-4487,D01:10.1016/J.RADMEAS.2011.03.035[检索2011-04-07]
Claims (19)
1.一种电子顺磁共振设备(9),包括:主磁体(10),其在气隙的两侧上设置有两个磁极片(11);适于快速扫描测量的至少一个电子顺磁共振探头,所述电子顺磁共振探头位于所述主磁体(10)的所述磁极片(11)之间和一对快速扫描线圈(1)之间,
其特征在于,所述电子顺磁共振设备(9)还包括:
-适于连续波信号测量的至少一个电子顺磁共振探头,所述适于连续波信号测量的至少一个电子顺磁共振探头位于所述主磁体(10)的所述磁极片(11)之间;和
-载具(20),所述载具允许将所述一对快速扫描线圈(1)插入到所述主磁体(10)的所述磁极片(11)之间的所述气隙中使之处于工作位置中以及允许从所述气隙中抽出所述一对快速扫描线圈(1)到连续波工作容积之外的存储位置,所述载具能够从所述气隙撤回,而所述一对快速扫描线圈则留在所述述磁极片之间的所述气隙中。
2.根据权利要求1所述的电子顺磁共振设备,其特征在于,所述至少一个电子顺磁共振探头是适于快速扫描测量和连续波信号测量两者的单个探头。
3.根据权利要求1或2所述的电子顺磁共振设备,其特征在于,所述载具(20)由非磁性材料制成。
4.根据权利要求3所述的电子顺磁共振设备,其特征在于,所述非磁性材料是塑料、玻璃纤维或铝。
5.根据权利要求1或2所述的电子顺磁共振设备,其特征在于,所述载具(20)包括:
-支座(21),所述支座用于将所述载具(20)刚性地附接至所述电子顺磁共振设备的机械结构,
-长形的间隔件(22),所述间隔件布置在所述支座(21)上并且所述间隔件的第二端延伸到所述气隙中,
-布置在所述间隔件的所述第二端处的保持件(23),所述保持件用于附接和拆卸所述一对快速扫描线圈,和
-布置在所述支座(21)上的枢转和/或滑动机构(24),所述枢转和/或滑动机构用于使所述间隔件(22)和所述保持件(23)在所述存储位置和所述工作位置之间移动。
6.根据权利要求5所述的电子顺磁共振设备,其特征在于,所述保持件(23)包括固定板(25),所述一对快速扫描线圈(1)在彼此间隔开的预定位置处附接至所述固定板。
7.根据权利要求5所述的电子顺磁共振设备,其特征在于,所述保持件(23)包括支架(23’),用以使所述一对快速扫描线圈(1)保持彼此间隔开。
8.根据权利要求1或2所述的电子顺磁共振设备,其特征在于,所述一对快速扫描线圈(1)配备有调整装置(26),从而允许在所述一对快速扫描线圈附接至所述载具(20)时调整所述一对快速扫描线圈(1)的位置。
9.根据权利要求1或2所述的电子顺磁共振设备,其特征在于,所述磁极片(11)配备有用于精确地定位所述一对快速扫描线圈(1)的固定装置(27)。
10.根据权利要求9所述的电子顺磁共振设备,其特征在于,所述固定装置是抵接表面(27’)或定心装置。
11.根据权利要求10所述的电子顺磁共振设备,其特征在于,所述定心装置是销(27”)或夹爪(27”’)。
12.根据权利要求1或2所述的电子顺磁共振设备,其特征在于,所述磁极片(11)配备有用于通过压配合可释放地固定所述一对快速扫描线圈(1)的装置(27)。
13.根据权利要求1或2所述的电子顺磁共振设备,其特征在于,所述一对快速扫描线圈(1)具有由柔性材料制成的电力供给线(16)。
14.根据权利要求13所述的电子顺磁共振设备,其特征在于,所述一对快速扫描线圈(1)的所述电力供给线(16)包括两个间隔开的馈电线(16’,16”),以便防止电磁兼容问题。
15.根据权利要求14所述的电子顺磁共振设备,其特征在于,所述馈电线为螺旋形或扭绞的。
16.根据权利要求1或2所述的电子顺磁共振设备,其特征在于,所述一对快速扫描线圈(1)包括用于冷却水的进给线(7),所述用于冷却水的进给线与所述一对快速扫描线圈(1)的电力供给线(16)分开布置。
17.根据权利要求16所述的电子顺磁共振设备,其特征在于,所述用于冷却水的进给线布置在所述电子顺磁共振设备下方。
18.根据权利要求1或2所述的电子顺磁共振设备,其特征在于,所述载具(20)配备有用于在快速扫描模式和连续波模式之间进行自动或半自动顺序切换的装置(28)。
19.根据权利要求18所述的电子顺磁共振设备,其特征在于,所述自动或半自动顺序切换通过使用电动化单元或液压单元或气动单元进行。
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