CN115453603A - 一种液体闪烁体氡测量探测器及氡浓度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种液体闪烁体氡测量探测器及氡浓度测量方法,该液体闪烁体氡测量探测器,包括容器、光电倍增管、隔地磁罩、集氡滤膜和反射膜,容器为透明材料制成,顶部敞口,且内部充满液体闪烁体;集氡滤膜密封在容器顶部敞口位置,并与容器内部的液体闪烁体接触;光电倍增管设置在容器底部;反射膜包覆在容器外壁上;隔地磁罩套设在容器和光电倍增管外侧。本发明通过疏水疏油透气滤膜实现液体闪烁体快速溶解氡即可实现液闪对氡的收集并测量,解决了目前液闪收集氡气需要进行的复杂操作的问题,实现取样和测量同步进行,测量时间短、避免了大量人为操作的工作、同时具有结构简单,成本低廉等特点。
Description
技术领域
本发明涉及探测设备技术领域,尤其是涉及一种液体闪烁体氡测量探测器及氡浓度测量方法。
背景技术
氡气是自然界中存在的稀有气体之一。氡有27种同位素,其中最重要的为两种;Rn220、Rn222,均为放射性核素。大气中氡本身不参加化学反应,但其衰变产生的射线及衰变产生的短寿命衰变产物对人体健康具有危害作用(衰变图见图1)。UNSCEAR 2013报告了放射性核素氡是引起肺癌的原因之一,是仅次于香烟引起人类肺癌的第二大元凶。
目前,测量氡技术已经比较成熟,从原理上最常用的方法为电离静电计法和闪烁脉冲计数法。电离静电计法原理是氡气被鼓入电离室后,氡及其子体的α射线使空气分子电离,在外加电场作用下产生电离电流,致使静电计的石英丝偏移,目测石英指示丝移动的格值格,便可计算氡浓度。闪烁脉冲计数法原理是氡气被鼓入闪烁室后,氡及其子体的α粒子冲击闪烁室内壁的硫化锌(银)闪烁体,激发出光子,输出负脉冲再经电子线路放大、鉴别、整形后被自动定标器记录下来,根据在单位时间内的脉冲计数,便可计算氡浓度。
其中最广泛使用的是液体闪烁体计数法,其优点是液体闪烁体对氡有较高的溶解度,自身铀钍含量低,同时具有无自吸收、能实现4π立体角测量等特点。
然而,液体闪烁体氡测量需要将氡气充分溶解于液闪,因此需要将测量样品通入液闪一段时间后取样测量:有的是通过一个装有活性炭吸附剂的瓶子吸收氡气后倒入液体闪烁液充分融合后带回实验室测量;有的是通过滤膜富集氡气后,将滤膜充分浸没在液体闪烁体后测量;有的直接通过气泵将气体打入液体闪烁体一段时间,让氡气溶解于液闪后测量。液体闪烁体测量氡气不论是哪种方法,都存在液体收集氡气需要将测量物质与液体闪烁体充分搅拌混合、静置分层、取出液体闪烁体等操作,也就存在取样和测量两个步骤,不仅投入较多的时间和人力,而且导致测量不够便捷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液体闪烁体氡测量探测器及氡浓度测量方法,以解决现有技术中存在的液体闪烁体氡测量探测器取样和测量分步完成,费事费力、测量不够便捷的技术问题。
为实现上述目的,本发明提供了以下技术方案:
本发明提供的一种液体闪烁体氡测量探测器,包括容器、光电倍增管、隔地磁罩、集氡滤膜和反射膜,其中:
所述容器为透明材料制成,顶部敞口,且内部充满液体闪烁体;
所述集氡滤膜密封在所述容器顶部敞口位置,并与所述容器内部的液体闪烁体接触;
所述光电倍增管设置在所述容器底部;
所述反射膜包覆在所述容器外壁上;
所述隔地磁罩套设在所述容器和所述光电倍增管外侧。
作为本发明的进一步改进,还包括设置在所述容器外壁上的溢流管,所述溢流管一端插入到所述容器内,另一端通过封堵介质进行端口封堵。
作为本发明的进一步改进,所述溢流管呈螺旋方式绕设在所述容器外部。
作为本发明的进一步改进,所述溢流管为聚四氟乙烯管。
作为本发明的进一步改进,所述集氡滤膜为疏水疏油透气膜。
作为本发明的进一步改进,所述隔地磁罩采用坡莫合金制成。
作为本发明的进一步改进,所述封堵介质为硅脂。
作为本发明的进一步改进,所述疏水疏油透气膜采用特氟龙材料制成。
本发明提供的一种氡浓度测量方法,利用所述的液体闪烁体氡测量探测器进行氡浓度测量的方法,包括
步骤S1、液体闪烁体氡测量探测器接收到开启信号,持续向集氡滤膜输送待测介质,待测介质中的氡通过集氡滤膜直接进入容器中的液体闪烁体内;
步骤S2、选取合适的时间窗长度,光电倍增管在选取的时间窗长度内持续收集氡衰变时促使液体闪烁体发出的光信息,并转换为电信号波形输出到控制模块;
步骤S3、控制模块记录该时间窗长度的所有波形信息,并依次判断所有波形是否符合级联事件中β粒子的参数,如果符合β粒子的参数,则执行步骤S4;如果不符合β粒子的参数,则直接舍去该波形信息,并继续执行S3;
步骤S4、判断步骤S3中波形之后的波形是否符合级联事例中α粒子的参数,如果符合α粒子的参数则记录事例;如果不符合α粒子的参数则直接舍去该波形信息;
步骤S5、根据步骤S4中记录的所有级联事例数,计算出液体闪烁体中级联事件的事例率;
步骤S6、根据计算出的事例率计算氡浓度。
作为本发明的进一步改进,步骤S6中,根据计算出的事例率计算氡浓度,包括
CRn220=NLS/εEKVLSA;
A=(1-2-t/TPb);
其中,NLS为液体闪烁体氡测量探测器测量的Rn220子体的级联事例事例率;ε为集氡滤膜的渗透系数;E为测量Rn220的探测效率;K为液体闪烁体对氡的溶解度系数;VLS为容器的体积;A为积累因子;TPb为Pb212的半衰期;t为时间窗长度。
作为本发明的进一步改进,步骤S6中,根据计算出的事例率计算氡浓度,包括
CRn222=N’LS/εE’KVLSA’;
A’=(1-2-t/TRn);
其中,N’LS为液体闪烁体氡测量探测器测量的Rn222子体的级联事例事例率;ε为集氡滤膜的渗透系数;E’为测量Rn222的探测效率;K为液体闪烁体对氡的溶解度系数;VLS为容器的体积;TRn为Rn222的半衰期;A’为积累因子;t为时间窗长度。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
本发明提供的液体闪烁体氡测量探测器,主要由一个液体闪烁体容器和光电倍增管组成,其中液体闪烁体容器为一个装有闪烁体的有机玻璃容器,容器口焊接一层疏水疏油透气滤膜,滤膜能起到透气、同时防止液闪泄漏的作用;使用时,仅需在容器口加一个风扇或气泵,通过疏水疏油透气滤膜实现液体闪烁体快速溶解氡即可实现液闪对氡的收集并测量,解决了目前液闪收集氡气需要进行的复杂操作的问题,实现取样和测量同步进行,测量时间短、避免了大量人为操作的工作、同时具有结构简单,成本低廉等特点。此外,本发明提供的氡浓度测量方法,在测量方法上,采取了收集氡子体产生的Bi-Po-Pb的级联事例,同时对级联事例做粒子鉴别,降低本底带来的偶然符合影响,实现快速测量环境中的氡气,通过液体闪烁体测量该级联事例来准确挑选氡事例,在探测器开机后,人为选取测量时间,在测量时间内,根据在线分析算法,实时挑选出测量时间内的所有级联事例数,计算出液体闪烁体中级联时间的事例率,即可推算出环境中的Rn220和Rn222浓度,测氡算法在抓取级联事例的同时进行了波形甄别,大大降低了本底带来的偶然符合的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是氡的其中最重要的两种同位素Rn220、Rn222的衰变图;
图2是本发明液体闪烁体氡测量探测器的结构示意图;
图3是本发明液体闪烁体氡测量探测器的剖面示意图;
图4是本发明氡浓度测量方法获得的Rn220的Bi212-Po212-Pb208级联事例波形图;
图5是本发明氡浓度测量方法中挑选算法的流程框图。
图中1、容器;2、光电倍增管;3、隔地磁罩;4、集氡滤膜;5、反射膜;6、溢流管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式,都属于本发明所保护的范围。
如图1所示,是氡的其中最重要的两种同位素Rn220、Rn222的衰变图,通过图1可以看出,Rn222和Rn220分别存着Bi214-Po214-Pb210(半衰期163μs)和Bi212-Po212-Pb208(半衰期298ns)产生的一对β-α的级联衰变,均为放射性核素。
对于有机闪烁体,发光衰减时间有快慢两种成分,其中慢成分的强度会因入射粒子的种类不同而不同,从而导致有机闪烁探测器探测不同粒子时输出的脉冲波形产生差别,即可以通过脉冲波形来区分不同粒子(波形分辨),而我们关心的级联事例恰好是β-α的级联事例。因此可通过波形分辨方法来判断级联事例的粒子类型,在一定程度上减少本底带来的偶然符合影响。
如图2所示,本发明提供了一种液体闪烁体氡测量探测器,包括容器1、光电倍增管2、隔地磁罩3、集氡滤膜4和反射膜5,其中:
容器1为透明材料制成,顶部敞口,且内部充满液体闪烁体,具体的,容器1采用透明有机玻璃制成,整体为透明,液体闪烁体充满整个容器1顶面位于敞口处;
集氡滤膜4密封在容器1顶部敞口位置,并与容器1内部的液体闪烁体接触;更进一步的,集氡滤膜4通过热焊方式固定在容器1口部,通过集氡滤膜4可防止液体闪烁体从容器1内流出,而集氡滤膜4又允许气体通过,氡可通过集氡滤膜4进入到容器内熔解到液体闪烁体中;
如图3所示,光电倍增管2设置在容器1底部;
反射膜5包覆在容器1外壁上,通过设置反射膜5以将光聚集,提高探测效率;
如图3所示,隔地磁罩3套设在容器1和光电倍增管2外侧。
作为本发明的一种可选实施方式,还包括设置在容器1外壁上的溢流管6,溢流管6一端插入到容器1内,另一端通过封堵介质进行端口封堵。
更进一步的,溢流管6呈螺旋方式绕设在容器1外部。
具体的,在本实施例中,溢流管6为聚四氟乙烯管。
具体的,集氡滤膜4为疏水疏油透气膜。
具体的,隔地磁罩3采用坡莫合金制成。
具体的,封堵介质为硅脂。
进一步的,疏水疏油透气膜采用特氟龙材料制成。
本发明提供的液体闪烁体氡测量探测器,主要由一个液体闪烁体容器和光电倍增管组成,其中液体闪烁体容器为一个装有闪烁体的有机玻璃容器,容器口焊接一层疏水疏油透气滤膜,滤膜能起到透气、同时防止液闪泄漏的作用;使用时,仅需在容器口加一个风扇或气泵,通过疏水疏油透气滤膜实现液体闪烁体快速溶解氡即可实现液闪对氡的收集并测量,解决了目前液闪收集氡气需要进行的复杂操作的问题,实现取样和测量同步进行,测量时间短、避免了大量人为操作的工作、同时具有结构简单,成本低廉等特点。
本发明提供的液体闪烁体氡测量探测器,结构具体如图2和图3所示,包括疏水疏油透气膜也就是集氡滤膜4、有机玻璃容器1、反射膜5、聚四氟乙烯溢流管6。有机玻璃容器1呈圆柱体,其外径为45mm,其壁厚为5mm,其高度为50mm,有机玻璃容器1的开口下方2-3mm处钻有3mm的斜孔,与聚四氟乙烯溢流管6通过环氧树脂胶连接。聚四氟乙烯溢流管6的外径约2.8mm,内径约1.7mm。通过聚四氟乙烯溢流管6可以将液体闪烁体灌入有机玻璃容器1内部,由于探测器的使用环境的温差可能比较大,液体闪烁体因热胀导致液体体积变大,即可通过聚四氟乙烯溢流管6向外扩张,起到可以保护容器薄膜不会变形。反射膜5采用特氟龙材质,贴绕在有机玻璃容器1侧壁上,以增加光的收集。疏水疏油透气集氡滤膜4通过热焊技术焊接在有机玻璃容器1的开口处,达到氡气能透过薄膜进入液体闪烁体,同时防止液体闪烁体泄漏的作用。
有机玻璃容器1通过硅油和一个型号为XP3240的PMT光电倍增管耦合,外部装有一个直径59mm,高200mm的坡莫合金隔地磁罩用于屏蔽地磁,坡莫合金隔地磁罩能起到减小磁场对PMT的干扰作用,同时隔地磁罩开有小孔用于注胶来固定容器和PMT,能起到固定和保护探测器的内部的作用。
使用时,空气或水中的氡通过疏水疏油透气集氡滤膜4直接进入有机玻璃容器1中的液体闪烁体中,当氡发生衰变后,衰变的粒子能量促使液体闪烁体发光,液体闪烁体发光后,光通过反射膜5反射,最终被底部的光电倍增管2收集到,从而将看不见的核信号转换成电信号,解决了目前液体收集氡气需要进行的复杂操作的问题。
本发明还提供了一种氡浓度测量方法,利用上述的液体闪烁体氡测量探测器进行氡浓度测量的方法,包括
步骤S1、液体闪烁体氡测量探测器接收到开启信号,持续向集氡滤膜输送待测介质,待测介质中的氡通过集氡滤膜直接进入容器中的液体闪烁体内;
步骤S2、选取合适的时间窗长度,光电倍增管在选取的时间窗长度内持续收集氡衰变时促使液体闪烁体发出的光信息,并转换为电信号波形输出到控制模块;
步骤S3、控制模块记录该时间窗长度的所有波形信息,并依次判断所有波形是否符合级联事件中β粒子的参数,如果符合β粒子的参数,则执行步骤S4;如果不符合β粒子的参数,则直接舍去该波形信息,并继续执行S3;
步骤S4、判断步骤S3中波形之后的波形是否符合级联事例中α粒子的参数,如果符合α粒子的参数则记录事例;如果不符合α粒子的参数则直接舍去该波形信息;
步骤S5、根据步骤S4中记录的所有级联事例数,计算出液体闪烁体中级联事件的事例率;
步骤S6、根据计算出的事例率计算氡浓度。
在此需要说明的是,步骤S3中在依次判断波形是否符合级联事件是否符合β粒子的参数前,需要先行根据波形图判断是否为级联事例;若判断为级联事例后,再对级联事件进行分析,以依次判断是否符合β和α粒子信息。
步骤S6中,根据计算出的事例率计算氡浓度,包括
CRn220=NLS/εEKVLSA;
A=(1-2-t/TPb);
其中,NLS为液体闪烁体氡测量探测器测量的Rn220子体的级联事例事例率;ε为集氡滤膜的渗透系数;E为测量Rn220的探测效率;K为液体闪烁体对氡的溶解度系数;VLS为容器的体积;A为积累因子;TPb为Pb212的半衰期;t为时间窗长度。
根据计算出的事例率计算氡浓度,包括
CRn222=N’LS/εE’KVLSA’;
A’=(1-2-t/TRn);
其中,N’LS为液体闪烁体氡测量探测器测量的Rn222子体的级联事例事例率;ε为集氡滤膜的渗透系数;E’为测量Rn222的探测效率;K为液体闪烁体对氡的溶解度系数;VLS为容器的体积;TRn为Rn222的半衰期;A’为积累因子;t为时间窗长度。
本发明提供的氡浓度测量方法,在测量方法上,采取了收集氡子体产生的Bi-Po-Pb的级联事例,同时对级联事例做粒子鉴别,降低本底带来的偶然符合影响,实现快速测量环境中的氡气,通过液体闪烁体测量该级联事例来准确挑选氡事例,在探测器开机后,人为选取测量时间,在测量时间内,根据在线分析算法,实时挑选出测量时间内的所有级联事例数,计算出液体闪烁体中级联时间的事例率,即可推算出环境中的Rn220和Rn222浓度,测氡算法在抓取级联事例的同时进行了波形甄别,大大降低了本底带来的偶然符合的影响。
具体的,在本实施例中,利用液体闪烁体氡测量探测器测量到的级联信号的波形图如图4所示,在该图中前面一个信号是Bi212衰变产生的β粒子,后面一个信号是Po212衰变产生的α粒子,该级联信号是在一个ns量级上的时间级联。挑选算法流程框图如图5所示。
在液体闪烁体氡测量探测器开机后,人为选取测量时间也就是时间窗,在测量时间内,按照图5的在线分析算法,实时挑选出测量时间内的所有级联事例数,计算出液体闪烁体中级联时间的事例率,通过上述的公式即可推算出环境中的Rn220和Rn222浓度。
由于氡气溶解在液闪中,氡在衰变过程中,会产生α粒子和β粒子,α粒子和β粒子会被液体闪烁体吸收后发光,通过光电探测器(PMT、SiPM等)将光信号转换成可识别的电信号,液体闪烁体计数法主要是通过测量氡子体衰变产生的α粒子,从而计算出环境中的氡浓度。
积累因子,即代表液闪中Rn220浓度随时间的关系,通过该因子即可起到探测器在一定时间内测量的级联事例数推算出外界环境中Rn220浓度的作用。
这里首先需要说明的是,“向内”是朝向容置空间中央的方向,“向外”是远离容置空间中央的方向。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种液体闪烁体氡测量探测器,其特征在于,包括容器、光电倍增管、隔地磁罩、集氡滤膜和反射膜,其中:
所述容器为透明材料制成,顶部敞口,且内部充满液体闪烁体;
所述集氡滤膜密封在所述容器顶部敞口位置,并与所述容器内部的液体闪烁体接触;
所述光电倍增管设置在所述容器底部;
所述反射膜包覆在所述容器外壁上;
所述隔地磁罩套设在所述容器和所述光电倍增管外侧。
2.根据权利要求1所述的液体闪烁体氡测量探测器,其特征在于,还包括设置在所述容器外壁上的溢流管,所述溢流管一端插入到所述容器内,另一端通过封堵介质进行端口封堵。
3.根据权利要求2所述的液体闪烁体氡测量探测器,其特征在于,所述溢流管呈螺旋方式绕设在所述容器外部。
4.根据权利要求2所述的液体闪烁体氡测量探测器,其特征在于,所述溢流管为聚四氟乙烯管。
5.根据权利要求1所述的液体闪烁体氡测量探测器,其特征在于,所述集氡滤膜为疏水疏油透气膜。
6.根据权利要求1所述的液体闪烁体氡测量探测器,其特征在于,所述隔地磁罩采用坡莫合金制成。
7.根据权利要求1所述的液体闪烁体氡测量探测器,其特征在于,所述疏水疏油透气膜采用特氟龙材料制成。
8.一种氡浓度测量方法,其特征在于,利用如权利要求1-7中任一项所述的液体闪烁体氡测量探测器进行氡浓度测量的方法,包括
步骤S1、液体闪烁体氡测量探测器接收到开启信号,持续向集氡滤膜输送待测介质,待测介质中的氡通过集氡滤膜直接进入容器中的液体闪烁体内;
步骤S2、选取合适的时间窗长度,光电倍增管在选取的时间窗长度内持续收集氡衰变时促使液体闪烁体发出的光信息,并转换为电信号波形输出到控制模块;
步骤S3、控制模块记录该时间窗长度的所有波形信息,并依次判断所有波形是否符合级联事件中β粒子的参数,如果符合β粒子的参数,则执行步骤S4;如果不符合β粒子的参数,则直接舍去该波形信息,并继续执行S3;
步骤S4、判断步骤S3中波形之后的波形是否符合级联事例中α粒子的参数,如果符合α粒子的参数则记录事例;如果不符合α粒子的参数则直接舍去该波形信息;
步骤S5、根据步骤S4中记录的所有级联事例数,计算出液体闪烁体中级联事件的事例率;
步骤S6、根据计算出的事例率计算氡浓度。
9.根据权利要求8所述的氡浓度测量方法,其特征在于,步骤S6中,根据计算出的事例率计算氡浓度,包括
CRn220=NLS/εEKVLSA;
A=(1-2-t/TPb);
其中,NLS为液体闪烁体氡测量探测器测量的Rn220子体的级联事例事例率;ε为集氡滤膜的渗透系数;E为测量Rn220的探测效率;K为液体闪烁体对氡的溶解度系数;VLS为容器的体积;A为积累因子;TPb为Pb212的半衰期。t为时间窗长度。
10.根据权利要求8所述的氡浓度测量方法,其特征在于,步骤S6中,根据计算出的事例率计算氡浓度,包括
CRn222=N’LS/εE’KVLSA’;
A’=(1-2-t/TRn);
其中,N’LS为液体闪烁体氡测量探测器测量的Rn222子体的级联事例事例率;ε为集氡滤膜的渗透系数;E’为测量Rn222的探测效率;K为液体闪烁体对氡的溶解度系数;VLS为容器的体积;TRn为Rn222的半衰期;A’为积累因子;t为时间窗长度。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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