CN207052566U - 一种研究离子光激发后产物的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及光电子及分子反应动力学领域,一种研究离子光激发后产物的装置,包括离子源、加速器、飞行时间质谱、粒子质量选择器、磁屏蔽罩、离子束入口、聚焦电极组、集束电极、光电子出口、质量选择电极组、离子出口、离子探测器、电子背景减少板、反射板、离子修正板、抽取电极、聚束电极、电子探测器、激光器、再生放大器、光纤振荡器、FPGA、信号发生器、光信号延迟单元、电信号延迟单元、符合单元、计算机,集束电极、反射板、离子修正板、抽取电极、聚束电极均为环形,电子背景减少板、反射板、离子修正板、集束电极依次排列且位于聚焦电极组和质量选择电极组之间,聚焦电极组和质量选择电极组的分别五个电极中心的孔均具有金属网。
Description
技术领域
本实用新型涉及光电子成像技术及分子反应动力学领域,特别是一种能同时进行电子和离子碎片成像、具备瞬时发射的电子以及延时发射的电子的探测能力的一种研究离子光激发后产物的装置。
背景技术
粒子速度成像技术是分子反应动力学研究的一种重要手段,其最重要的特点是可以在一幅影像中同时得到散射粒子的全三维的速度大小和方向分布,即可以同时获得粒子的能谱信息和角分布信息。粒子速度成像技术可以应用在光致分离同步测量实验中,稳态的分子阴离子中电子的光致分离产生解离的已知内能的中性中间产物。通过收集解离过程中产生的所有中性碎片并通过使用时间及位置敏感的探测器将中性碎片与分离的电子的相关信息对应起来,则相关的产物的动量和能量能够被计算出来。
在某些多原子阴离子体系中,根据非绝热耦合,由光激发而得到的电子能量以其振动自由度分布;当振动能量重新转化为电子能量时,电子从体系中发射出来,这个过程相对于光激发的过程是有微秒量级的延迟的,但是,现有技术缺陷是,在大多数现有的光电子能谱实验中,只能获得即时的电子发射的相关实验数据,却无法探测延时发射电子并得到其相关信息,所述一种研究离子光激发后产物的装置能解决问题。
实用新型内容
为了解决上述问题,本实用新型装置能够记录多原子阴离子体系在光激发后任意时间尺度的延迟的电子发射,具有更稳定的离子集束及更精确的离子片段-激光同步效果,以保证实验具有较高的离子密度,以及振荡的离子与入射的激光脉冲的重叠在时间上更精确。
本实用新型所采用的技术方案是:
所述一种研究离子光激发后产物的装置主要包括离子源、加速器、飞行时间质谱、粒子质量选择器、磁屏蔽罩、离子束入口、由电极I、电极II、电极III、电极IV、电极V组成的聚焦电极组、集束电极、光电子出口、由电极VI、电极VII、电极VIII、电极IX、电极X组成的质量选择电极组、离子出口、离子探测器、电子背景减少板、反射板、离子修正板、抽取电极、聚束电极、电子探测器、激光器、再生放大器、光纤振荡器、FPGA、信号发生器、光信号延迟单元、电信号延迟单元、符合单元、计算机及电缆,其中离子源至电子探测器的十八个部件均位于超高真空环境内,所述电子探测器、电信号延迟单元、符合单元、计算机依次电缆连接,所述再生放大器和光纤振荡器包含在所述激光器内部,所述磁屏蔽罩具有所述离子束入口、光电子出口、离子出口,所述集束电极、反射板、离子修正板、抽取电极、聚束电极均为环形,所述聚焦电极组和所述质量选择电极组均为环形电极,相邻电极之间串联有电阻,电极I、电极II、电极III、电极IV、电极V、电极VI、电极VII、电极VIII、电极IX、电极X的中心孔均为圆形,所述加速器包括电极、离子反射器、抽取器和接地电极等,且都有金属网附着,所述金属网与抽取器和接地电极是接触的,以产生静电透镜效应来前满足粒子速度成像的聚焦条件。
所述磁屏蔽罩外侧正对所述离子束入口共轴依次安装有所述粒子质量选择器、飞行时间质谱、加速器、离子源,所述磁屏蔽罩外侧正对所述光电子出口共轴依次安装有所述抽取电极、聚束电极、电子探测器,所述离子探测器位于所述磁屏蔽罩外侧正对所述离子出口处,所述离子探测器由电缆连接到所述电信号延迟单元和符合单元之间,所述光信号延迟单元位于所述激光器的激光束出口处,所述电子背景减少板、反射板、离子修正板位于所述聚焦电极组和质量选择电极组之间且均依次位于所述磁屏蔽罩内,所述集束电极位于所述电极V与离子修正板之间、且与电极V中心孔同轴,所述集束电极、信号发生器、FPGA、光纤振荡器、离子源依次电缆连接,所述聚焦电极组中仅有电极I中心的孔具有金属网,所述聚焦电极组对离子与激光相互作用后产生的光碎片进行聚焦,以使得离子在到达所述离子探测器前满足粒子速度成像的聚焦条件,所述质量选择电极组的五个电极中心的孔均具有金属网,不会明显影响离子束速度的垂直分量,所述质量选择电极组对从所述离子束入口进入磁屏蔽罩的离子进行质量选择,在所述质量选择电极组上施加一个电压,能够使得具有相同质量的离子以最小的时间分布到达某个特别的位置;调节施加在聚焦电极组和质量选择电极组上电压的比例,能够达到能量聚焦条件,并由此改善质谱的分辨率;所述离子探测器具有孔,所述激光器发出的激光能够贯穿所述离子探测器的孔入射,使得在空间上激光与离子能够有更大的重叠,之后激光束再从所述离子出口进入磁屏蔽罩、穿过所述质量选择电极组、并于所述离子修正板中心上方处形成激光与离子的相互作用区域;通过所述FPGA将信号发生器的输出信号锁相于激光的重复率,信号发生器输出信号至所述集束电极,通过改变集束电极上的电压,使得在有激光脉冲发射的时间内离子束以离子片段的形式通过集束电极,进行离子片段和激光脉冲的同步;通过所述电信号延迟单元将电子探测器得到的电子信号展宽延迟,通过所述光信号延迟单元将激光信号展宽延迟,将离子探测器得到的中性粒子信号、延迟的电子信号、延迟的激光信号均输入所述符合单元,通过所述符合单元处理后得到同步测量信号,该同步测量信号用于触发一个数字转换器,该数字转换器在有同步测量信号触发时,将经过放大的电子探测器的信号数字化,并将其发送至计算机,经过分析后得到延迟发射的电子的能谱信息和角分布信息,并由此研究光激发过程中的反应机理。
利用所述一种研究离子光激发后产物的装置进行研究的方法步骤为:
一.离子源产生离子,加速器上施加加速电压使离子被加速,离子经过飞行时间质谱和粒子质量选择器的质量选择后,从离子束入口进入磁屏蔽罩内;
二.进行离子片段和激光脉冲的同步,光纤振荡器的振荡频率(50MHz)预分频,除以50000得到的频率为1000Hz的信号,以驱动再生放大器,激光的重复率为1000Hz:FPGA中合成频率为光纤振荡器频率3/5的信号,得到30MHz的锁相信号,将该信号驱动信号发生器的30.00MHz参考振荡器,使得信号发生器的输出信号锁相于激光的重复率;信号发生器输出信号至集束电极,改变集束电极上的电压,使得在该段时间内的离子束通过集束电极,这样,输入信号发生器的1000的整数倍的任意频率能够自动地在激光重复率的整数倍时引起离子集束,从而产生离子片段;
三.将聚焦电极组的电压设为零,质量选择电极组上施加电压,使电极VI、电极VII、电极VIII、电极IX、电极X上的电压按照同一斜率递增、且电极X上的电压高于加速电极上的加速电压;
四.待离子束片段通过聚焦电极组后,在聚焦电极组上施加脉冲电场,使电极V、电极IV、电极III、电极II、电极I上电压依次递增,离子运动至质量选择电极组中,受到反向电压的作用作减速运动并反向运动,使得向聚焦电极组运动;
五.在离子离开质量选择电极组后,将质量选择电极组上的电压设为零,接着,被质量选择电极组反射的前驱离子在离子修正板处附近的相互作用区域被激光照射,离子和激光相互作用产生离子碎片和光电子;
六.离子和激光相互作用而产生的离子碎片飞向聚焦电极组并被反射,在电极I上施加电压,最终,被反射的离子碎片通过接地的质量选择电极组飞向离子探测器;
七.离子束与激光相互作用后产生的光电子从光电子出口射出,并经过抽取电极和聚束电极加速后到达电子探测器;
八.比较离子探测器得到的离子碎片的信息以及电子探测器得到的光电子的信息,用于进行离子光激发后产物的研究。
技术上说明如下:
通过电子-中性粒子同步测量实验来达到延时电子的探测:对于延迟的电子,不会生成与即时电子的图像类似的一个单独的电子图像。延迟电子发射一般在阴离子的光致激发后微秒到毫秒时间内发生。在这段时间内,阴离子集束会在聚焦电极组和质量选择电极组之间振荡。由于阴离子的来回振荡,发射的电子具有附加的两个方向都有的速度分量,这样,造成所得图像分辨率下降。为了克服这点,采用了电子-中性粒子同步测量实验。
中性粒子被离子探测器探测:由于只有阴离子产生的中性粒子具有朝向离子探测器方向的速度,产生以上中性粒子的阴离子发射的相对应的电子只具有一个方向的速度分量,即朝向离子探测器方向,这样,从同步测量实验数据就能够得到单一的电子图像。
阴离子在聚焦电极组和质量选择电极组之间振荡,具有确定的动能,即具有确定的速度,则离子与激光相互作用时产生的中性粒子运动到离子探测器的飞行时间是确定的。电子探测器中探测到电子以及离子探测器探测到对应的中性粒子的时间差是恒定的。
由于电子质量比中性粒子小,电子信号比中性粒子的信号出现的要早,为了使电子探测器与离子探测器中探测到信号的时间更为接近,电子信号被延迟以与中性粒子信号相对应同步。电子信号的展宽延迟了1微秒,决定了光致分离同步测量实验中采集中性粒子时间窗口,即这段时间内的中性粒子信号被用于光致分离同步测量实验。为了采集只来自于光激发事件的数据,激光信号也延迟以在时间上与延迟的电子-中性粒子同步信号相重叠。延迟的激光信号宽度设置为1.5微秒,即数据采集时间窗口,在这段时间间隔内的测量的同步测量信号被用于分析。将中性粒子信号、延迟的电子信号、延迟的激光信号输入一个符合单元,同步测量信号用于触发一个数字转换器,这个数字转换器在有同步测量信号触发时将经过放大的电子探测器的信号数字化,并将其发送至计算机。
本实用新型的有益效果是:
本实用新型能同时进行电子和离子碎片成像、具备瞬时发射的电子以及延时发射的电子的探测能力,具有更稳定的离子集束及更精确的离子片段-激光同步效果,以保证实验具有较高的离子密度以及振荡的离子与入射的激光脉冲的重叠在时间上更精确。
附图说明
下面结合本实用新型的图形进一步说明:
图1是本实用新型结构示意图。
图中,1.离子源,2.加速器,3.飞行时间质谱,4.粒子质量选择器,5.磁屏蔽罩,6.离子束入口,7.聚焦电极组,7-1.电极I,7-2.电极II,7-3.电极III,7-4.电极IV,7-5.电极V,8.集束电极,9.光电子出口,10.质量选择电极组,10-1.电极VI,10-2.电极VII,10-3.电极VIII,10-4.电极IX,10-5.电极X,11.离子出口,12.离子探测器,13.电子背景减少板,14.反射板,15.离子修正板,16.抽取电极,17.聚束电极,18.电子探测器,19.激光器,20.再生放大器,21.光纤振荡器,22.FPGA,23.信号发生器,24.光信号延迟单元,25.电信号延迟单元,26.符合单元,27.计算机。
具体实施方式
如图1是本实用新型结构示意图,主要包括离子源(1)、加速器(2)、飞行时间质谱(3)、粒子质量选择器(4)、磁屏蔽罩(5)、离子束入口(6)、由电极I(7-1)、电极II(7-2)、电极III(7-3)、电极IV(7-4)、电极V(7-5)组成的聚焦电极组(7)、集束电极(8)、光电子出口(9)、由电极VI(10-1)、电极VII(10-2)、电极VIII(10-3)、电极IX(10-4)、电极X(10-5)组成的质量选择电极组(10)、离子出口(11)、离子探测器(12)、电子背景减少板(13)、反射板(14)、离子修正板(15)、抽取电极(16)、聚束电极(17)、电子探测器(18)、激光器(19)、再生放大器(20)、光纤振荡器(21)、FPGA(22)、信号发生器(23)、光信号延迟单元(24)、电信号延迟单元(25)、符合单元(26)、计算机(27)及电缆,其中离子源(1)至电子探测器(18)的十八个部件均位于超高真空环境内,所述电子探测器(18)、电信号延迟单元(25)、符合单元(26)、计算机(27)依次电缆连接,所述再生放大器(20)和光纤振荡器(21)包含在所述激光器(19)内部,所述磁屏蔽罩(5)具有所述离子束入口(6)、光电子出口(9)、离子出口(11),所述集束电极(8)、反射板(14)、离子修正板(15)、抽取电极(16)、聚束电极(17)均为环形,所述聚焦电极组(7)和所述质量选择电极组(10)均为环形电极,相邻电极之间串联有电阻,电极I(7-1)、电极II(7-2)、电极III(7-3)、电极IV(7-4)、电极V(7-5)、电极VI(10-1)、电极VII(10-2)、电极VIII(10-3)、电极IX(10-4)、电极X(10-5)的中心孔均为圆形,所述加速器(2)包括电极、离子反射器、抽取器和接地电极等,且都有金属网附着,所述金属网与抽取器和接地电极是接触的,以产生静电透镜效应来前满足粒子速度成像的聚焦条件。
所述磁屏蔽罩(5)外侧正对所述离子束入口(6)共轴依次安装有所述粒子质量选择器(4)、飞行时间质谱(3)、加速器(2)、离子源(1),所述磁屏蔽罩(5)外侧正对所述光电子出口(9)共轴依次安装有所述抽取电极(16)、聚束电极(17)、电子探测器(18),所述离子探测器(12)位于所述磁屏蔽罩(5)外侧正对所述离子出口(11)处,所述离子探测器(12)由电缆连接到所述电信号延迟单元(25)和符合单元(26)之间,所述光信号延迟单元(24)位于所述激光器(19)的激光束出口处,所述电子背景减少板(13)、反射板(14)、离子修正板(15)位于所述聚焦电极组(7)和质量选择电极组(10)之间且均依次位于所述磁屏蔽罩(5)内,所述集束电极(8)位于所述电极V(7-5)与离子修正板(15)之间、且与电极V(7-5)中心孔同轴,所述集束电极(8)、信号发生器(23)、FPGA(22)、光纤振荡器(21)、离子源(1)依次电缆连接,所述聚焦电极组(7)中仅有电极I(7-1)中心的孔具有金属网,所述聚焦电极组(7)对离子与激光相互作用后产生的光碎片进行聚焦,以使得离子在到达所述离子探测器(12)前满足粒子速度成像的聚焦条件,所述质量选择电极组(10)的五个电极中心的孔均具有金属网,不会明显影响离子束速度的垂直分量,所述质量选择电极组(10)对从所述离子束入口(6)进入磁屏蔽罩(5)的离子进行质量选择,在所述质量选择电极组(10)上施加一个电压,能够使得具有相同质量的离子以最小的时间分布到达某个特别的位置;调节施加在聚焦电极组(7)和质量选择电极组(10)上电压的比例,能够达到能量聚焦条件,并由此改善质谱的分辨率;所述离子探测器(12)具有孔,所述激光器(19)发出的激光能够贯穿所述离子探测器(12)的孔入射,使得在空间上激光与离子能够有更大的重叠,之后激光束再从所述离子出口(11)进入磁屏蔽罩(5)、穿过所述质量选择电极组(10)、并于所述离子修正板(15)中心上方处形成激光与离子的相互作用区域;通过所述FPGA(22)将信号发生器(23)的输出信号锁相于激光的重复率,信号发生器(23)输出信号至所述集束电极(8),通过改变集束电极(8)上的电压,使得在有激光脉冲发射的时间内离子束以离子片段的形式通过集束电极,进行离子片段和激光脉冲的同步;通过所述电信号延迟单元(25)将电子探测器(18)得到的电子信号展宽延迟,通过所述光信号延迟单元(24)将激光信号展宽延迟,将离子探测器(18)得到的中性粒子信号、延迟的电子信号、延迟的激光信号均输入所述符合单元(26),通过所述符合单元(26)处理后得到同步测量信号,该同步测量信号用于触发一个数字转换器,该数字转换器在有同步测量信号触发时,将经过放大的电子探测器的信号数字化,并将其发送至计算机(27),经过分析后得到延迟发射的电子的能谱信息和角分布信息,并由此研究光激发过程中的反应机理。
技术上说明如下:
通过电子-中性粒子同步测量实验来达到延时电子的探测:对于延迟的电子,不会生成与即时电子的图像类似的一个单独的电子图像。延迟电子发射一般在阴离子的光致激发后微秒到毫秒时间内发生。在这段时间内,阴离子集束会在聚焦电极组(7)和质量选择电极组(10)之间振荡。由于阴离子的来回振荡,发射的电子具有附加的两个方向都有的速度分量,这样,造成所得图像分辨率下降。为了克服这点,采用了电子-中性粒子同步测量实验。
中性粒子被离子探测器(12)探测:由于只有阴离子产生的中性粒子具有朝向离子探测器(12)方向的速度,产生以上中性粒子的阴离子发射的相对应的电子只具有一个方向的速度分量,即朝向离子探测器(12)方向,这样,从同步测量实验数据就能够得到单一的电子图像。
阴离子在聚焦电极组(7)和质量选择电极组(10)之间振荡,具有确定的动能,即具有确定的速度,则离子与激光相互作用时产生的中性粒子运动到离子探测器(12)的飞行时间是确定的。电子探测器(18)中探测到电子以及离子探测器(12)探测到对应的中性粒子的时间差是恒定的。
由于电子质量比中性粒子小,电子信号比中性粒子的信号出现的要早,为了使电子探测器(18)与离子探测器(12)中探测到信号的时间更为接近,电子信号被延迟以与中性粒子信号相对应同步。电子信号的展宽延迟了1微秒,决定了光致分离同步测量实验中采集中性粒子时间窗口,即这段时间内的中性粒子信号被用于光致分离同步测量实验。为了采集只来自于光激发事件的数据,激光信号也延迟以在时间上与延迟的电子-中性粒子同步信号相重叠。延迟的激光信号宽度设置为1.5微秒,即数据采集时间窗口,在这段时间间隔内的测量的同步测量信号被用于分析。将中性粒子信号、延迟的电子信号、延迟的激光信号输入一个符合单元,同步测量信号用于触发一个数字转换器,这个数字转换器在有同步测量信号触发时将经过放大的电子探测器(18)的信号数字化,并将其发送至计算机(27)。
Claims (1)
1.一种研究离子光激发后产物的装置,主要包括离子源(1)、加速器(2)、飞行时间质谱(3)、粒子质量选择器(4)、磁屏蔽罩(5)、离子束入口(6)、由电极I(7-1)、电极II(7-2)、电极III(7-3)、电极IV(7-4)、电极V(7-5)组成的聚焦电极组(7)、集束电极(8)、光电子出口(9)、由电极VI(10-1)、电极VII(10-2)、电极VIII(10-3)、电极IX(10-4)、电极X(10-5)组成的质量选择电极组(10)、离子出口(11)、离子探测器(12)、电子背景减少板(13)、反射板(14)、离子修正板(15)、抽取电极(16)、聚束电极(17)、电子探测器(18)、激光器(19)、再生放大器(20)、光纤振荡器(21)、FPGA(22)、信号发生器(23)、光信号延迟单元(24)、电信号延迟单元(25)、符合单元(26)、计算机(27)及电缆,其中离子源(1)至电子探测器(18)的十八个部件均位于超高真空环境内,所述电子探测器(18)、电信号延迟单元(25)、符合单元(26)、计算机(27)依次电缆连接,所述再生放大器(20)和光纤振荡器(21)包含在所述激光器(19)内部,所述磁屏蔽罩(5)具有所述离子束入口(6)、光电子出口(9)、离子出口(11),所述集束电极(8)、反射板(14)、离子修正板(15)、抽取电极(16)、聚束电极(17)均为环形,所述聚焦电极组(7)和所述质量选择电极组(10)均为环形电极,相邻电极之间串联有电阻,电极I(7-1)、电极II(7-2)、电极III(7-3)、电极IV(7-4)、电极V(7-5)、电极VI(10-1)、电极VII(10-2)、电极VIII(10-3)、电极IX(10-4)、电极X(10-5)的中心孔均为圆形,所述加速器(2)包括电极、离子反射器、抽取器和接地电极等,且都有金属网附着,所述金属网与抽取器和接地电极是接触的,以产生静电透镜效应来前满足粒子速度成像的聚焦条件,
其特征是:所述磁屏蔽罩(5)外侧正对所述离子束入口(6)共轴依次安装有所述粒子质量选择器(4)、飞行时间质谱(3)、加速器(2)、离子源(1),所述磁屏蔽罩(5)外侧正对所述光电子出口(9)共轴依次安装有所述抽取电极(16)、聚束电极(17)、电子探测器(18),所述离子探测器(12)位于所述磁屏蔽罩(5)外侧正对所述离子出口(11)处,所述离子探测器(12)由电缆连接到所述电信号延迟单元(25)和符合单元(26)之间,所述光信号延迟单元(24)位于所述激光器(19)的激光束出口处,所述电子背景减少板(13)、反射板(14)、离子修正板(15)位于所述聚焦电极组(7)和质量选择电极组(10)之间且均依次位于所述磁屏蔽罩(5)内,所述集束电极(8)位于所述电极V(7-5)与离子修正板(15)之间、且与电极V(7-5)中心孔同轴,所述集束电极(8)、信号发生器(23)、FPGA(22)、光纤振荡器(21)、离子源(1)依次电缆连接,所述聚焦电极组(7)中仅有电极I(7-1)中心的孔具有金属网,所述聚焦电极组(7)对离子与激光相互作用后产生的光碎片进行聚焦,以使得离子在到达所述离子探测器(12)前满足粒子速度成像的聚焦条件,所述质量选择电极组(10)的五个电极中心的孔均具有金属网,不会明显影响离子束速度的垂直分量,所述质量选择电极组(10)对从所述离子束入口(6)进入磁屏蔽罩(5)的离子进行质量选择,在所述质量选择电极组(10)上施加一个电压,能够使得具有相同质量的离子以最小的时间分布到达某个特别的位置;调节施加在聚焦电极组(7)和质量选择电极组(10)上电压的比例,能够达到能量聚焦条件,并由此改善质谱的分辨率;所述离子探测器(12)具有孔,所述激光器(19)发出的激光能够贯穿所述离子探测器(12)的孔入射,使得在空间上激光与离子能够有更大的重叠,之后激光束再从所述离子出口(11)进入磁屏蔽罩(5)、穿过所述质量选择电极组(10)、并于所述离子修正板(15)中心上方处形成激光与离子的相互作用区域;通过所述FPGA(22)将信号发生器(23)的输出信号锁相于激光的重复率,信号发生器(23)输出信号至所述集束电极(8),通过改变集束电极(8)上的电压,使得在有激光脉冲发射的时间内离子束以离子片段的形式通过集束电极,进行离子片段和激光脉冲的同步;通过所述电信号延迟单元(25)将电子探测器(18)得到的电子信号展宽延迟,通过所述光信号延迟单元(24)将激光信号展宽延迟,将离子探测器(18)得到的中性粒子信号、延迟的电子信号、延迟的激光信号均输入所述符合单元(26),通过所述符合单元(26)处理后得到同步测量信号,该同步测量信号用于触发一个数字转换器,该数字转换器在有同步测量信号触发时,将经过放大的电子探测器的信号数字化,并将其发送至计算机(27),经过分析后得到延迟发射的电子的能谱信息和角分布信息,并由此研究光激发过程中的反应机理。
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CN107507753A (zh) * | 2017-08-02 | 2017-12-22 | 金华职业技术学院 | 一种研究离子光激发后产物的装置 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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GR01 | Patent grant | ||
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AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20180227 Effective date of abandoning: 20190111 |
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AV01 | Patent right actively abandoned |