CN216718266U - 一种基于gm制冷机的带双旋转轴的低温样品架 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于GM制冷机的带双旋转轴的低温样品架，包括制冷机(1)、法兰(2)和样品架头部，所述制冷机(1)包括一级冷头(3)和二级冷头(4)，所述二级冷头(4)连接所述一级冷头(3)，其特征在于：还包括面内角驱动电机(51)、面内角Rotary Feedthrough(52)、面内角柔性轴(53)、面内角传动轴(54)、面内角滑移联轴器(55)、面内角滑移齿轮组(56)、面内角万向节联轴器(57)、面内角直齿齿轮组(58)、面内角蜗轮蜗杆组(59)和样品台(7)。本实用新型的有益效果是：基于GM制冷机，可以在样品托极低温的前提下可实现2自由度旋转并且2个旋转运动相互独立，不受干扰并且在超大温区变化范围内面内角的运动顺畅。
Description
技术领域
本实用新型涉及超高真空和超低温领域，特别涉及一种基于GM制冷机的带双旋转轴的低温样品架。
背景技术
角分辨光电子能谱仪系统简称ARPES，利用光电效应研究固体的电子结构。低温样品架作为样品的测量平台，是ARPES系统的重要组成模块，为样品提供了超低温、多个自由度、无磁性的测量环境。基于GM制冷机的低温样品架具有天然的优势，不需要消耗液氦，仅需消耗电能，这对我们氦资源贫乏的中国来讲，意义尤为重大。
目前国内基于GM制冷机的低温样品架几乎没有相应的设计与研究。基于 GM制冷机的低温样品架设计难点主要有以下四个方面；1.实现样品台极低温的设计(温度小于5K)；2.在满足超高真空无磁且超低温的前提下，实现样品台(7) 面内角运动的机械结构设计；3.各个自由度均可以使用电机驱动，各轴运动相互独立，不受干扰；4.能够实现样品台在超大温区变化范围内(4K-350K)，样品台的面内角和倾仰角的运动顺畅，不会因材质的热胀冷缩固有特性导致各轴运动卡塞或脱节的情况。
故市场亟需一种基于GM制冷机的带双旋转轴的低温样品架，可以兼容超高真空环境且能提供低温至液氦温区，在超大温区变化范围内俯仰转动顺畅。
实用新型内容
为了解决上述技术问题，本实用新型中披露了一种基于GM制冷机的带双旋转轴的低温样品架，本实用新型的技术方案是这样实施的：
一种基于GM制冷机的带双旋转轴的低温样品架，包括制冷机(1)、法兰(2) 和样品架头部，所述制冷机(1)安装在所述法兰(2)上，所述制冷机(1)包括一级冷头(3)和二级冷头(4)，所述二级冷头(4)连接所述一级冷头(3)，其特征在于：还包括面内角驱动电机(51)、面内角Rotary Feedthrough(52)、面内角柔性轴(53)、面内角传动轴(54)、面内角滑移联轴器(55)、面内角滑移齿轮组(56)、面内角万向节联轴器(57)、面内角直齿齿轮组(58)、面内角蜗轮蜗杆组(59)和样品台(7)；所述面内角驱动电机(51)连接所述面内角RotaryFeedthrough(52)；所述面内角Rotary Feedthrough(52)连接所述面内角柔性轴 (53)；所述面内角柔性轴(53)穿过所述法兰(2)连接所述面内角传动轴(54)；所述面内角传动轴(54)连接所述面内角滑移联轴器(55)；所述面内角滑移联轴器(55)连接所述面内角滑移齿轮组(56)；所述面内角滑移齿轮组(56)连接所述面内角万向节联轴器(57)；所述面内角万向节联轴器(57)连接所述面内角直齿齿轮组(58)；所述面内角直齿齿轮组(58)连接所述面内角蜗轮蜗杆组(59)；所述面内角蜗轮蜗杆组(59)连接所述样品台(7)；所述样品台(7) 设置在所述样品架头部内。
优选地，还包括倾仰角驱动电机(61)、倾仰角Rotary Feedthrough(62)、倾仰角柔性轴(63)、倾仰角传动轴(64)、倾仰角直齿齿轮组(65)、倾仰角滑移联轴器(66)、倾仰角滑移齿轮组(67)和倾仰角蜗轮蜗杆组(68)；所述倾仰角驱动电机(61)连接所述倾仰角RotaryFeedthrough(62)；所述倾仰角Rotary Feedthrough(62)连接所述倾仰角柔性轴(63)；所述倾仰角柔性轴(63)连接所述倾仰角传动轴(64)；所述倾仰角传动轴(64)连接所述倾仰角滑移联轴器 (66)；所述倾仰角滑移联轴器(66)连接所述倾仰角直齿齿轮组(65)；所述倾仰角直齿齿轮组(65)连接所述倾仰角滑移齿轮组(67)；所述倾仰角滑移齿轮组(67)连接所述倾仰角蜗轮蜗杆组(68)；所述倾仰角蜗轮蜗杆组(68)连接所述样品台(7)。
优选地，还包括导热延长杆(81)；所述导热延长杆(81)的一端设置在所述二级冷头(4)上，另一端连接所述样品架头部；所述导热延长杆(81)与所述样品台(7)之间通过柔性辫子连接；所述柔性辫子的材料选自包括铜、金或者银的一种或者多种。
优选地，还包括支撑筒(82)；所述支撑筒(82)连接所述一级冷头(3)；所述支撑筒(82)包裹所述二级冷头(4)；所述支撑筒内还设置有绝热支撑片(83)；所述绝热支撑片(83)固定在所述导热延长杆(81)和所述支撑筒(82)之间；所述导热延长杆(81)穿过所述绝热支撑片(83)。
优选地，还包括卡箍支撑(84)；所述卡箍支撑(84)套接在所述支撑筒(82) 上；所述面内角传动轴(54)和所述倾仰角传动轴(64)固定在所述卡箍支撑(84) 上。
优选地，所述样品架头部包括传动齿轮箱、轴支撑座和侧支撑板；所述倾仰角直角齿轮组(65)和所述面内角滑移齿轮组(56)设置在所述传动齿轮箱中；所述轴支撑座固定在所述侧支撑板上；所述样品架头部还设置有金柱与热屏蔽板。
优选地，所述样品台(7)一体成型；所述样品台(7)上设置有三角支撑、热屏蔽门；样品测量台通过所述三角支撑与所述面内角蜗轮蜗杆组(59)和所述倾仰角蜗轮蜗杆组(68)连接；所述热屏蔽门的中心设置有测量孔。
优选地，所述法兰(2)上设置有电信号馈通(9)。
优选地，所述样品架头部上设置有附件接口。
实施本实用新型的技术方案可解决现有技术中无法在基于GM制冷机上实现双轴独立旋转的技术问题；实施本实用新型的技术方案，可实现基于GM制冷机的可以在极低温的前提下可实现双轴旋转并且相互独立运动的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一种实施例，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为一种基于GM制冷机的带双旋转轴的低温样品架的面内角转动部结构示意图；
图2为一种基于GM制冷机的带双旋转轴的低温样品架的倾仰角转动部结构示意图；
图3为一种基于GM制冷机的带双旋转轴的低温样品架的样品架头部结构示意图；
图4为一种基于GM制冷机的带双旋转轴的低温样品架的整体结构示意图；
图5为一种基于GM制冷机的带双旋转轴的低温样品架的样品台结构示意图。
在上述附图中，各图号标记分别表示：
制冷机(1)、法兰(2)、一级冷头(3)、二级冷头(4)；
面内角驱动电机(51)、面内角Rotary Feedthrough(52)、面内角柔性轴(53)、面内角传动轴(54)、面内角滑移联轴器(55)、面内角滑移齿轮组(56)、面内角万向节联轴器(57)、面内角直齿齿轮组(58)、面内角蜗轮蜗杆组(59)；
倾仰角驱动电机(61)、倾仰角Rotary Feedthrough(62)、倾仰角柔性轴(63)、倾仰角传动轴(64)、倾仰角直角齿轮组(65)、倾仰角滑移联轴器(66)、67-倾仰角滑移齿轮组(67)、倾仰角蜗轮蜗杆组(68)；
样品台(7)；
导热延长杆(81)、支撑筒(82)、绝热支撑片(83)、卡箍支撑(84)；
电信号馈通(9)。
R2-倾仰角方向；
R3-面内角方向。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在一种具体的实施例中，如图1-5所示，一种基于GM制冷机的带双旋转轴的低温样品架，包括制冷机(1)、法兰(2)和样品架头部，所述制冷机(1)包括一级冷头(3)和二级冷头(4)，所述二级冷头(4)连接所述一级冷头(3)，其特征在于：还包括面内角驱动电机(51)、面内角Rotary Feedthrough(52)、面内角柔性轴(53)、面内角传动轴(54)、面内角滑移联轴器(55)、面内角滑移齿轮组(56)、面内角万向节联轴器(57)、面内角直齿齿轮组(58)、面内角蜗轮蜗杆组(59)和样品台(7)；所述面内角驱动电机(51)连接所述面内角RotaryFeedthrough(52)；所述面内角Rotary Feedthrough(52)连接所述面内角柔性轴 (53)；所述面内角柔性轴(53)穿过所述法兰(2)连接所述面内角传动轴(54)；所述面内角传动轴(54)连接所述面内角滑移联轴器(55)；所述面内角滑移联轴器(55)连接所述面内角滑移齿轮组(56)；所述面内角滑移齿轮组(56)连接所述面内角万向节联轴器(57)；所述面内角万向节联轴器(57)连接所述面内角直齿齿轮组(58)；所述面内角直齿齿轮组(58)连接所述面内角蜗轮蜗杆组(59)；所述面内角蜗轮蜗杆组(59)连接所述样品台(7)；所述样品台(7) 设置在所述样品架头部内。
在该种具体的实施例中，制冷机(1)产生冷量，通过第一冷头传递到第二冷头再传递到样品架头部上，从而完成对于样品架头部上的样品冷却；面内角驱动电机(51)驱动旋转再通过面内角Rotary Feedthrough(52)转动面内角柔性轴 (53)，面内角柔性轴(53)设计解决了同面非平行轴之间传动的角度偏差问题，以及弥补工艺误差造成的不同心问题；面内角传动轴(54)带动面内角滑移联轴器(55)，滑移联轴器的设计，能够弥补面内角传动轴(54)和支撑筒(82)之间因热胀冷缩系数的不同而产生的相对位移，使得低温下也可以继续传动，面内角滑移联轴器(55)带动面内角滑移齿轮组(56)，面内角滑移齿轮组(56)带动面内角万向节联轴器(57)，面内角万向节联轴器(57)可保证在进行其他面的运动的同时，面内角万向节联轴器(57)依然可以给直齿齿轮组提供旋转动力，使得其他方向的运动和面内角运动之间互不干扰，面内角万向节联轴器(57)带动面内角直齿齿轮组(58)，面内角直齿齿轮组(58)带动面内角蜗轮蜗杆组(59) 运动，最后面内角蜗轮蜗杆组(59)带动样品台(7)，实现外部运动从外部到真空中的传递，产生在面内角方向上的运动并完成自锁，而在直角坐标系上的X、 Y、Z以及样品架本身倾斜方向的改变则可使用外部的机械或者摆放来实现；面内角传动轴(54)一般使用钼或者钛作为材料，具有良好的韧性且在热胀冷缩过程中形变量较小；通过上述模块之间的交互，实现了基于GM制冷机，可以在极低温的前提下可实现多自由度旋转并且各个自由度之间运动相互独立，不受干扰并且在超大温区变化范围内面内角的运动顺畅。
在一种优选的实施例中，如图4所示，还包括导热延长杆(81)；所述导热延长杆(81)的一端设置在所述二级冷头(4)上，另一端连接所述样品架头部；所述导热延长杆(81)与所述样品台(7)之间通过柔性辫子连接；所述柔性辫子的材料选自包括铜、金或者银的一种或者多种；导热延长杆(81)用于适应不同的实验需求，根据不同的实验需求，只需要更换相应的导热延长杆(81)即可，而不需要再对冷头进行修改。辫子由多根金属丝拧成，形状为发辫状，由于导热延长杆(81)在空间上不可也不能直接接触到样品台(7)，故使用辫子连接导热延长杆(81)与样品台(7)，辫子的一端连接导热延长杆(81)的一端，另一端连接在样品台(7)上，从而将热量导出；辫子的材料一方面要具有良好的导热性，另一方面要具有良好的柔软度，故为铜、金或者银以及其他具有上述特性的材料。
在一种优选的实施例中，如图4所示，还包括支撑筒(82)；所述支撑筒(82) 连接所述一级冷头(3)；所述支撑筒(82)包裹所述二级冷头(4)；还包括卡箍支撑(84)；所述卡箍支撑(84)套接在所述支撑筒(82)上；所述面内角传动轴(54)和所述倾仰角传动轴(64)固定在所述卡箍支撑(84)上；所述支撑筒内还设置有绝热支撑片(83)；所述绝热支撑片(83)固定在所述导热延长杆(81) 和所述支撑筒(82)之间；所述导热延长杆(81)穿过所述绝热支撑片(83)。
在该种优选的实施例中，支撑筒(82)通过设置在一级冷头(3)上的安装孔安装在一级冷头(3)上，一方面为样品台(7)提供支撑，另一方面是作为冷屏，将一级冷头(3)的冷量传导至所有冷屏；卡箍支撑(84)有两个作用，一方面为面内角传动轴(54)提供足够强度的支撑，方便同心调节，另一方面是避免了面内角传动轴(54)与支撑筒(82)之间接触，减少了支撑筒(82)与起到传动作用的部件之间的导热；绝热支撑片(83)可以阻隔热量进一步下沿，从而起到更好的隔热效果。
在一种优选的实施例中，所述样品架头部包括传动齿轮箱、轴支撑座和侧支撑板；所述倾仰角直角齿轮组(65)和所述面内角滑移齿轮组(56)设置在所述传动齿轮箱中；所述轴支撑座固定在所述侧支撑板上；所述样品架头部还设置有金柱与热屏蔽板。
在该种优选的实施例中，传动齿轮箱、轴支撑座和侧支撑板可起到固定、支撑以及收纳的作用，同时在样品架头部还设置有金柱与热屏蔽板，热屏蔽板用于屏蔽热量，金柱则用来进行费米能级的标定，作为参照样品使用来对实际的样品进行测定，使用起来较为方便。
在一种优选的实施例中，如图5所示，所述样品台(7)一体成型；所述样品台(7)上设置有三角支撑、热屏蔽门；样品测量台通过所述三角支撑与所述面内角蜗轮蜗杆组(59)和所述倾仰角蜗轮蜗杆组(68)连接；所述热屏蔽门的中心设置有测量孔。
在该种优选的实施例中，热屏蔽门用于隔离热辐射，一般使用镀金的无氧铜片，也可以使用其他的可以起到良好的隔热效果的材料；热屏蔽门上设置的测量孔正对样品托的样品位置；在使用时，将样品放置于样品托上，打开热屏蔽门，将样品托放在三角支撑上，然后再合上热屏蔽门，此时的样品正对测量孔，在正式的实验过程中，可以尽可能地减少样品暴露在热辐射的范围。
在一种优选的实施例中所述样品架头部上设置有附件接口。
在该种优选的实施例中，在样品台(7)上设置有附件接口，可以在附件的接口对设备进行扩展，可以用来安装样品托停放台、高温加热台、YAG晶体测量台、样品解理台等模块。
在一种优选的实施例中，如图4所示，所述法兰(2)上设置有电信号馈通 (9)，通过电信号馈通(9)，使得电信号得以从外部传入真空环境中，从而实现信号交流。
在一种优选的实施例中，如图1-5所示，还包括倾仰角驱动电机(61)、倾仰角Rotary Feedthrough(62)、倾仰角柔性轴(63)、倾仰角传动轴(64)、倾仰角直齿齿轮组(65)、倾仰角滑移联轴器(66)、倾仰角滑移齿轮组(67)、倾仰角蜗轮蜗杆组(68)；所述倾仰角驱动电机(61)连接所述倾仰角Rotary Feedthrough (62)；所述倾仰角RotaryFeedthrough(62)连接所述倾仰角柔性轴(63)；所述倾仰角柔性轴(63)连接所述倾仰角传动轴(64)；所述倾仰角传动轴(64)连接所述倾仰角滑移联轴器(66)；所述倾仰角滑移联轴器(66)连接所述倾仰角直齿齿轮组(65)；所述倾仰角直齿齿轮组(65)连接所述倾仰角滑移齿轮组(67)；所述倾仰角滑移齿轮组(67)连接所述倾仰角蜗轮蜗杆组(68)；所述倾仰角蜗轮蜗杆组(68)连接所述样品台(7)。面内角旋转过程中，样品托安装至三脚支撑上，三脚支撑与面内角蜗轮蜗杆组(59)固定配合，通过各级传动使得面内角蜗轮蜗杆组(59)旋转，面内角蜗轮蜗杆组(59)带动样品托做面内角运动。其中倾仰角运动过程中，样品台(7)与倾仰角蜗轮蜗杆组(68)固定配合，通过各级传动使得倾仰角蜗轮蜗杆组(68)的蜗杆驱动倾仰角蜗轮蜗杆组(68)的扇形蜗轮旋转，扇形蜗轮带动一体成型样品台做倾仰角运动，通过附加上述模块，可实现倾仰角与面内角两个不同方向上的在互不干扰的前提下的运动。
需要指出的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于GM制冷机的带双旋转轴的低温样品架，包括制冷机(1)、法兰(2)和样品架头部，所述制冷机(1)安装在所述法兰(2)上，所述制冷机(1)包括一级冷头(3)和二级冷头(4)，所述二级冷头(4)连接所述一级冷头(3)，其特征在于：还包括面内角驱动电机(51)、面内角Rotary Feedthrough(52)、面内角柔性轴(53)、面内角传动轴(54)、面内角滑移联轴器(55)、面内角滑移齿轮组(56)、面内角万向节联轴器(57)、面内角直齿齿轮组(58)、面内角蜗轮蜗杆组(59)和样品台(7)；
所述面内角驱动电机(51)连接所述面内角Rotary Feedthrough(52)；所述面内角Rotary Feedthrough(52)连接所述面内角柔性轴(53)；所述面内角柔性轴(53)穿过所述法兰(2)连接所述面内角传动轴(54)；所述面内角传动轴(54)连接所述面内角滑移联轴器(55)；所述面内角滑移联轴器(55)连接所述面内角滑移齿轮组(56)；所述面内角滑移齿轮组(56)连接所述面内角万向节联轴器(57)；所述面内角万向节联轴器(57)连接所述面内角直齿齿轮组(58)；所述面内角直齿齿轮组(58)连接所述面内角蜗轮蜗杆组(59)；所述面内角蜗轮蜗杆组(59)连接所述样品台(7)；
所述样品台(7)设置在所述样品架头部内。
2.根据权利要求1所述的一种基于GM制冷机的带双旋转轴的低温样品架，其特征在于：还包括倾仰角驱动电机(61)、倾仰角Rotary Feedthrough(62)、倾仰角柔性轴(63)、倾仰角传动轴(64)、倾仰角直齿齿轮组(65)、倾仰角滑移联轴器(66)、倾仰角滑移齿轮组(67)和倾仰角蜗轮蜗杆组(68)；
所述倾仰角驱动电机(61)连接所述倾仰角Rotary Feedthrough(62)；所述倾仰角Rotary Feedthrough(62)连接所述倾仰角柔性轴(63)；所述倾仰角柔性轴(63)连接所述倾仰角传动轴(64)；所述倾仰角传动轴(64)连接所述倾仰角滑移联轴器(66)；所述倾仰角滑移联轴器(66)连接所述倾仰角直齿齿轮组(65)；所述倾仰角直齿齿轮组(65)连接所述倾仰角滑移齿轮组(67)；所述倾仰角滑移齿轮组(67)连接所述倾仰角蜗轮蜗杆组(68)；所述倾仰角蜗轮蜗杆组(68)连接所述样品台(7)。
3.根据权利要求2所述的一种基于GM制冷机的带双旋转轴的低温样品架，还包括导热延长杆(81)；所述导热延长杆(81)的一端设置在所述二级冷头(4)上，另一端连接所述样品架头部；所述导热延长杆(81)与所述样品台(7)之间通过柔性辫子连接；所述柔性辫子的材料选自包括铜、金或者银的一种。
4.根据权利要求3所述的一种基于GM制冷机的带双旋转轴的低温样品架，其特征在于：还包括支撑筒(82)；所述支撑筒(82)连接所述一级冷头(3)；所述支撑筒(82)包裹所述二级冷头(4)；所述支撑筒内还设置有绝热支撑片(83)；所述绝热支撑片(83)固定在所述导热延长杆(81)和所述支撑筒(82)之间；所述导热延长杆(81)穿过所述绝热支撑片(83)。
5.根据权利要求4所述的一种基于GM制冷机的带双旋转轴的低温样品架，其特征在于：还包括卡箍支撑(84)；所述卡箍支撑(84)套接在所述支撑筒(82)上；所述面内角传动轴(54)和所述倾仰角传动轴(64)固定在所述卡箍支撑(84)上。
6.根据权利要求5所述的一种基于GM制冷机的带双旋转轴的低温样品架，其特征在于：所述样品架头部包括传动齿轮箱、轴支撑座和侧支撑板；
所述倾仰角直齿齿轮组(65)和所述面内角滑移齿轮组(56)设置在所述传动齿轮箱中；
所述轴支撑座固定在所述侧支撑板上；
所述样品架头部还设置有金柱与热屏蔽板。
7.根据权利要求6所述的一种基于GM制冷机的带双旋转轴的低温样品架，其特征在于：所述样品台(7)一体成型；所述样品台(7)上设置有三角支撑、热屏蔽门；样品测量台通过所述三角支撑与所述面内角蜗轮蜗杆组(59)和所述倾仰角蜗轮蜗杆组(68)连接；
所述热屏蔽门的中心设置有测量孔。
8.根据权利要求1所述的一种基于GM制冷机的带双旋转轴的低温样品架，其特征在于：所述法兰(2)上设置有电信号馈通(9)。
9.根据权利要求1所述的一种基于GM制冷机的带双旋转轴的低温样品架，其特征在于：所述样品架头部上设置有附件接口。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202021069416.6U CN216718266U (zh) | 2020-06-11 | 2020-06-11 | 一种基于gm制冷机的带双旋转轴的低温样品架 |
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| CN216718266U true CN216718266U (zh) | 2022-06-10 |
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ID=81872026
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| CN202021069416.6U Withdrawn - After Issue CN216718266U (zh) | 2020-06-11 | 2020-06-11 | 一种基于gm制冷机的带双旋转轴的低温样品架 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111812140A (zh) * | 2020-06-11 | 2020-10-23 | 费勉仪器科技（上海）有限公司 | 一种基于gm制冷机的带双旋转轴的低温样品架 |
| CN111812140B (zh) * | 2020-06-11 | 2024-07-16 | 费勉仪器科技（上海）有限公司 | 一种基于gm制冷机的带双旋转轴的低温样品架 |
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2020
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| Date | Code | Title | Description |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
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Granted publication date: 20220610 Effective date of abandoning: 20240716 |