DD250765A1 - OPTICAL ARRANGEMENT FOR SIMULTANEOUS SPECTROMETERS - Google Patents
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Abstract
Bei einer optischen Anordnung fuer Simultanspektrometer auf der Basis von Zeilenempfaengern mit dem Ziel der Aufwandsverringerung, der Verbesserung der Streulichtbedingungen und der Gewaehrleistung eines hohen Lichtleitwertes besteht die Aufgabe, bei funktioneller Trennung der spektralen Teilbereiche und alternierender Nutzung der Lichtquellen, die Strahlungsleistung jeder Lichtquelle ueber die gesamte Messzeit und die zur Verfuegung stehende Apertur fuer beide Teilbereiche wirksam werden zu lassen und eine Ueberlagerung von Spektren zu verhindern. Zwei in je einem spektralen Teilbereich Strahlung emittierenden Lichtquellen ist je ein Polychromator zugeordnet. Lichtquellen und Polychromatoren sind symmetrisch zur Verbindungsgeraden zwischen zwei gemeinsamen Schnittpunkten, in denen Unlenkelemente vorgesehen sind, angeordnet. Die Umlenkeinheiten besitzen neben Lichtdurchlassbereichen beidseitig reflektierende Bereiche und arbeiten phasensynchron zueinander. Fig. 1In an optical arrangement for simultaneous spectrometer on the basis of line receivers with the aim of reducing expenses, improving the scattered light conditions and the guarantee of a high light conductance is the task, with functional separation of the spectral portions and alternating use of the light sources, the radiation power of each light source over the entire Measurement time and the available aperture for both sub-areas to take effect and to prevent a superposition of spectra. Two light sources emitting radiation in each spectral subregion are each assigned a polychromator. Light sources and polychromators are arranged symmetrically to the connecting straight line between two common points of intersection in which deflecting elements are provided. The deflection units have light transmission areas on both sides reflective areas and operate in phase with each other. Fig. 1
Description
Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings
Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung für Simultanspektrometer, bei der die von Lichtquellen in spektralen Teilbereichen emittierte Strahlung an einem ersten gemeinsamen Schnittpunkt durch optische Umlenkeinheiten, die lichtdurchlässige und reflektierende Bereiche aufweisen, in einen Meß- und einen Referenzstrahl aufgespalten, an einem zweiten gemeinsamen Schnittpunkt wieder vereint und nach Wellenlängen zerlegt einem Empfänger zugeführt wird. Als Empfänger dienen Zeilenempfänger, wie Fotodiodenarrays oder CCD-Zeilen, die Simultanuntersuchungen im gesamten vorgesehenen Spektralbereich ermöglichen.The invention relates to an optical arrangement for simultaneous spectrometer in which the radiation emitted by light sources in spectral sub-areas at a first common intersection point by optical deflection units having translucent and reflective areas, split into a measuring and a reference beam, at a second common intersection again unified and split into wavelengths is fed to a receiver. The receivers are line receivers, such as photodiode arrays or CCD lines, which allow simultaneous investigations in the entire spectral range provided.
Für simultan arbeitende UV/VIS-Spektrometer auf der Basis von Zeilenempfängern ergeben sich im Vergleich zu UV/VIS-Abtastspektrometern folgende technischen Probleme:For simultaneously operating UV / VIS spectrometers on the basis of line receivers, the following technical problems arise in comparison to UV / VIS scanning spectrometers:
1. Die einzelnen Empfängerelemente der Zeilenempfänger sind um Größenordnungen kleiner als die üblicherweise verwendeten Photomultiplier der Abtastspektrometer, was zwei Konsequenzen zur Folge hat.1. The individual receiver elements of the line receiver are smaller by orders of magnitude than the commonly used photomultipliers of the scanning spectrometer, which has two consequences.
Die Systemkomponenten eines Simultanspektrometers müssen eine große geometrische Justiergenauigkeit und zeitliche Konstanz garantieren.The system components of a simultaneous spectrometer must guarantee a high degree of geometric accuracy and temporal consistency.
Der um etwa eine Größenanordnung kleinere geometrische Lichtleitwert der Simultanspektrometer zwingt zu erhöhtem Aufwand, um eine gutes Signal-Rausch-Verhältnis zu realisieren.The geometrical light conductance of the simultaneous spectrometers, which is smaller by about one size, forces more effort to realize a good signal-to-noise ratio.
2. Der UV/VIS-Spektralbereich stellt eine übliche anwendungsorientierte Einheit dar. Es gibt aber weder Lichtquellen noch Gitter, die hinreichend gute Eigenschaften für den gesamten Spektralbereich besitzen. Bei den Abtastspektrometern werden der apparative UV-Teilbereich und der apparative VIS-Teilbereich nacheinander benutzt. Diese Möglichkeit scheidet bei einem Simultanspektrometer aus. Es besteht hier die Aufgabe, vor der Probe die beiden Teilbereiche zu vereinigen und hinter der Probe, d. h. gitter- bzw. empfängerseitig, wieder zu trennen.2. The UV / VIS spectral range is a common application-oriented unit. However, there are neither light sources nor gratings that have sufficiently good properties for the entire spectral range. In the case of the scanning spectrometers, the apparatus UV subarea and the apparative VIS subarea are used successively. This possibility is eliminated with a simultaneous spectrometer. The task here is to combine the two subsections before the sample and behind the sample, d. H. lattice or receiver side, to separate again.
3. Das dritte technische Problem betrifft die Reduzierung von Streulicht bzw. die Unterdrückung von Strahlung höherer Ordnung. Bei Abtastspektrometern kann das hinreichend gut gelöst werden durch die Verwendung von Streulicht- und Ordnungsfiltern, die in den einzelnen spektralen Teilbreichen nacheinander in den Strahlengang eingebracht werden. Diese Lösung kann für Simultanspektrometer nicht übernommen werden.3. The third technical problem concerns the reduction of scattered light or the suppression of higher order radiation. In Abtastspektrometern this can be solved sufficiently well by the use of scattered light and order filters, which are introduced in the individual spectral Teilbreichen successively in the beam path. This solution can not be adopted for simultaneous spectrometers.
Das Problem ist besonders relevant, wenn die UV- und die VIS-Strahlung gleichzeitig in einen gemeinsamen Polychromator gelangen.The problem is particularly relevant when the UV and VIS radiation simultaneously enter a common polychromator.
Von den bekannt gewordenen technischen Lösungen arbeiten einige nach dem Einstrahlungsprinzip. Der Verzicht auf bewegliche Spiegelelemente und der ohnehin kompakte optisch-geometrische Aufbau eines Einstrahlspektrometers garantiert eine gorße geometrische Justiergenauigkeit und zeitliche Konstanz. Der Verzicht auf ein Referenzsignal (bessere Meßzeitausnutzung) und die relativ geringe Anzahl reflektierender Flächen sichern außerdem ein günstiges Signal-Rausch-Verhältnis.Of the technical solutions that have become known, some work according to the irradiation principle. The absence of movable mirror elements and the already compact optical-geometric structure of a Einstrahlspektrometers guarantees a gorße geometric adjustment accuracy and temporal consistency. The absence of a reference signal (better measuring time utilization) and the relatively small number of reflective surfaces also ensure a favorable signal-to-noise ratio.
Die Nachteile gegenüber einem Zweistrahlspektrometer bestehen in der größeren Drift und in der Unmöglichkeit einer simultanen Messung einer Probe gegen eine Referenzprobe.The disadvantages compared to a two-beam spectrometer are the greater drift and the impossibility of simultaneous measurement of a sample against a reference sample.
Bei einer anderen technischen Lösung, US-PS 4227079 wird ein Spektrometer mit Referenzstrahlengang realisiert. Bei Bedarf können sogar mehrere Proben gleichzeitig gegen eine Referenzprobe gemessen werden. Diese Möglichkeit bietet ein computergesteuerter „Beam Director" mit einem Rückkopplungssystem zur optischen Strahlpositionierung. Eine derartige „Simultanmessung" mehrerer Proben gegen eine Referenzprobe erfordert aber entweder eine größere Meßzeit bei konstantem Signal-Rausch-Verhältnis, oder es ergibt sich bei konstanter Meßzeit ein schlechteres Signal-Rausch-Verhältnis.In another technical solution, US-PS 4227079 a spectrometer with reference beam path is realized. If required, even several samples can be measured simultaneously against a reference sample. This possibility is provided by a computer-controlled "beam director" with a feedback system for optical beam positioning, but such a "simultaneous measurement" of several samples against a reference sample either requires a longer measurement time with a constant signal-to-noise ratio or a worse signal with a constant measurement time -Rausch ratio.
Für die Mehrzahl der Anwendungsfälle, bei denen nur eine Probe gegen eine Referenzprobe gemessen wird, stellt diese technische Lösung eine aufwendige und überdies langsame Anordnung dar.For the majority of applications in which only one sample is measured against a reference sample, this technical solution represents a complex and, moreover, slow arrangement.
Lampenseitig wird die Vereinigung des UV- und des VIS-Teilbereiches dadurch gelöst, daß in eine Deuteriumlampe von der einen Seite die VIS-Strahlung einer Halogenlampe eingestrahlt wird, so daß nach der entgegengesetzten Seite die Strahlungsanteile beider Lampen abgestrahlt werden.On the lamp side, the combination of the UV and the VIS sub-range is achieved in that the VIS radiation of a halogen lamp is irradiated into a deuterium lamp from one side, so that the radiation components of both lamps are radiated to the opposite side.
Die gitter- bzw. empfängerseitige Trennung der beiden spektralen Teilbereiche erfolgt durch Verwendung eines Spezialgitters und zweier separater Zeilenempfänger im hinter der Probe angeordneten Polychromaten. Das Spezialgitter besteht aus je einem Teilgitter für den UV- und den VIS-Teil bereich, die beide auf dem gleichen Gitterträger mit einer Schrägstellung der Gitterfurchen der beiden Teilgitter zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise werden in der Fokalebene des Polychromators zwei gegeneinander geneigte Teilspektren erzeugt, die auf die Empfänger gelangen.The grating or receiver-side separation of the two spectral subregions is carried out by using a special grating and two separate line receivers in arranged behind the sample polychromates. The special grid consists of a sub-grid for the UV and the VIS part area, both of which are arranged on the same lattice girder with an inclined position of the grid grooves of the two sub-grids to each other. In this way, two mutually inclined partial spectra are generated in the focal plane of the polychromator, which reach the receiver.
Nachteilig ist es, daß mit diesem Gitter für jeden spektralen Teilbereich nur die halbe Apertur und der halbe Lichtleitwert genutzt werden können. Die Herstellung eines Spezialgitters erfordert eine spezielle Technologie und damit verbundenen Aufwand.The disadvantage is that only half the aperture and half the light conductance can be used with this grid for each spectral subregion. The production of a special grid requires a special technology and associated effort.
Es ist das Ziel der Erfindung, den für simultane Messungen im gesamten UV/VIS-Bereich bei den bekannten technischen Lösungen auftretenden Aufwand zu mindern, einen hohen Lichtleitwert zu gewährleisten und die Streulichtbedingungen zu verbessern.It is the object of the invention to reduce the effort required for simultaneous measurements in the entire UV / VIS range in the known technical solutions, to ensure a high light conductance and to improve the scattered light conditions.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer nach dem Zweistrahlprinzip arbeitenden Anordnungen zur Simultanmessung im UV/VIS-Bereich bei funktioneller Trennung der spektralen Teilbereiche und alternierender Nutzung der Lichtquellen, die Strahlungsleistung jeder Lichtquelle über die gesamte Meßzeit und die zur Verfügung stehende Apertur für beide Teilbereiche wirksam werden zu lassen und eine Überlagerung der UV-Spektren höherer Ordnung mit den VIS-Spektren zu verhindern. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwei in je einem spektralen Teilbereich Strahlung emittierenden Lichtquellen je ein Polychromator zugeordnet ist, daß die Lichtquellen und die Polychromatoren symmetrisch zur Verbindungsgeraden der Schnittpunkte angeordnet und die lichtreflektierenden Bereiche der Umlenkeinheiten als beidseitig reflektierende Bereiche umgebildet sind, und daß die Umlenkeinheiten phasensynchron zueinander arbeiten. Vorteilhafterweise ist zur Reduzierung der Dickeneinflüsse der Umlenkelemente einer Reflexionsstellung der einen Umlenkeinheit immer eine Durchlaßstellung der anderen Umlenkeinheit zugeordnet (beide Umlenkeinheiten arbeiten mit 180° Phasenverschiebung zueinander).The object of the invention is, in a working on the two-beam principle arrangements for simultaneous measurement in the UV / VIS region with functional separation of the spectral portions and alternating use of the light sources, the radiation power of each light source over the entire measurement time and the available aperture for both partial areas become effective and to prevent a superposition of the UV spectra of higher order with the VIS spectra. According to the invention, this object is achieved in that two each emitting a spectral portion radiation emitting light sources each associated with a polychromator, that the light sources and the polychromators arranged symmetrically to the connecting line of the intersections and the light-reflecting areas of the deflecting units are reformed as bilaterally reflective areas, and that the deflection units work in phase synchronization with each other. Advantageously, to reduce the thickness influences of the deflection of a reflection position of a deflection always associated with a passage position of the other deflection unit (both deflection operate with 180 ° phase shift to each other).
Sind die Dickeneinflüsse vernachlässigbar, d. h. werden die Eintrittsspalte der Polychromatoren trotz Strahlenversatzes vollständig ausgeleuchtet, ist auch eine Arbeitsweise der Umlenkeinheiten möglich, bei der die Reflexionsstellungen bzw. die Durchlaßstellungen einander zugeordnet sind (beide Umlenkeinheiten arbeiten ohne Phasenverschiebung parallel zueinander).Are the thickness influences negligible, d. H. If the entrance gaps of the polychromators are completely illuminated despite beam offset, an operation of the deflection units is also possible in which the reflection positions or the transmission positions are assigned to one another (both deflection units operate without phase shift parallel to one another).
Vorteilhafterweise sind die optischen Umlenkeinheiten als rotierende Sektorspiegel oder Schwenkspiegel ausgebildet, deren Phasensynchronität über Schrittantriebe realisiert ist.Advantageously, the optical deflection units are designed as rotating sector mirrors or pivoting mirrors whose phase synchronism is implemented via step drives.
Die als Empfänger vorgesehenen Zeilenempfänger sind in Reihe geschaltet, so daß die gesamte nachfolgende Elektrik (Steuerschaltung, Verstärker, AD-Wandler) nur einmal benötigt wird.The intended as a receiver line receiver are connected in series, so that the entire subsequent electrical system (control circuit, amplifier, AD converter) is needed only once.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt eine Vereinigung zweier Tei!spektrometer zu einem Spektrometer für den gesamten Spektralbereich durch Einhaltung einer optisch-geometrischen Symmetrie und Verwendung gemeinsamer Funktionselemente, wobei die funktionell Trennung der Spektralbereiche UV und VlS im gesamten Gerät gewahrt bleibt. Die sich aus einer konsequenten apparativen Trennung der beiden Spektralbreiche ergebende Nachteile (wie größerer apparativer Aufwand, zwei getrennte Meßpositionen für die Probe usw.) werden durch die vorgeschlagene Lösung vermieden. Durch die bilaterale und phasensynchrone antiparallele bzw. parallele Arbeitsweise der Umlenkeinheiten wird die von den Lichtquellen ausgehende Strahlung ineinander verschachtelt, abwechselnd durch die Meß- und die Referenzprobe und immer jeweils auf den zur Lichtquelle zugeordneten Polychromator, bestehend aus Eintrittsspalt, abbildendem Gitter und Zeilenempfänger, gelenkt. Dabei gelangt im UV-Teilspektrometer die Strahlung zur gleichen Zeit über den Meßstrahlengang zum Polychromator wie im VIS-Teilspektrometer über den Referenzstrahlengang und umgekehrt.The solution according to the invention combines two partial spectrometers into one spectrometer for the entire spectral range by observing an optical-geometric symmetry and using common functional elements, whereby the functional separation of the spectral ranges UV and VSI is maintained throughout the device. The resulting from a consequent separation of the two Spektralbreiche disadvantages (such as greater expenditure on equipment, two separate measurement positions for the sample, etc.) are avoided by the proposed solution. As a result of the bilateral and phase-synchronous antiparallel or parallel operation of the deflection units, the radiation emanating from the light sources is nested alternately through the measuring and reference samples and always onto the polychromator associated with the light source, consisting of entrance slit, imaging grating and line receiver , In the UV spectrometer, the radiation arrives at the same time over the measuring beam path to the polychromator as in the VIS partial spectrometer via the reference beam path and vice versa.
Die Verwendung zweier Polychromatoren für die beiden Teilbereiche UV und VIS gewährleistet die Ausnutzung der vollen Apertur für jeden der Polychromatoren. Die UV-Spektren höherer Ordnung können nicht auf den Zeilenempfänger für die VIS-Strahlung gelangen, und es ergeben sich günstige Voraussetzungen bezüglich des Streulichtes.The use of two polychromators for the two subregions UV and VIS ensures the utilization of the full aperture for each of the polychromators. The UV spectra of higher order can not reach the line receiver for the VIS radiation, and there are favorable conditions with respect to the scattered light.
Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to the schematic drawing. Show it:
Fig. 1: die Strahlenführung gemäß der Erfindung Fig.2: Drehspiegel als Umlenkeinheiten Fig.3: Schwenkspiegel als UmlenkeinheitenFig. 1: the beam guide according to the invention Fig.2: rotating mirror as deflection units Fig.3: pivoting mirror as deflection units
Bei der in Figur 1 dargestellten optischen Anordnung, die aus einer Lampensektion 1, einer Probensektion 2 und einer Polychromatorsektion 3 besteht, sind symmetrisch zu einer Verbindungsgeraden G durch Schnittpunkte 4, 5 eine UV- und eine VIS-Lichtquelle 6,7, sowie elliptische Abbildungsspiegel 8, 9 angeordnet. Als UV-Lichtquelle 6 dient eine Deuteriumlampe, als VIS-Lichtquelle 7 eine Halogenlampe.In the optical arrangement shown in Figure 1, which consists of a lamp section 1, a sample section 2 and a Polychromatorsektion 3 are symmetrical to a connecting line G through intersections 4, 5, a UV and a VIS light source 6,7, and elliptical imaging mirror 8, 9 arranged. The UV light source 6 is a deuterium lamp, as the VIS light source 7 is a halogen lamp.
In gleicher Symmetrie sind elliptische Abbildungsspiegel 10,11 und Polychromatoren 12,13, bestehend aus Eintrittsspalten 14, 15, abbildenden Gittern 16,17 und Zeilenempfängern 18,19 bezüglich der Verbindungsgeraden G vorgesehen. Die Gitter 16,17 sind für den jeweiligen spektralen Teilbereich (UV oder VIS) optimiert.In the same symmetry are elliptical imaging mirror 10,11 and polychromators 12,13, consisting of entrance columns 14, 15, imaging grids 16,17 and line receivers 18,19 provided with respect to the connecting line G. The grids 16, 17 are optimized for the respective spectral subrange (UV or VIS).
Durch die Probensektion 2 verlaufen ein Meßstrahlengang 20 und ein Referenzstrahlengang 21.Through the sample section 2, a measuring beam path 20 and a reference beam path 21 run.
In den Schnittpunkten 4,5 sind Umlenkeinheiten 22, 23 angeordnet, die als Dreh-oder Schwenkspiegel ausgebildet sind (Fig.2 und Fig.3) und mittels Schrittmotoren 24, 25 phasensynchron angetrieben werden. Die Umlenkeinheiten 22, 23 besitzen beidseitig reflektierende Bereiche 26 und lichtdurchlässige Bereiche 27 und arbeiten antiparallel, d.h., wenn die Umlenkeinheit 22 sich in Reflexionsstellung befindet, ist die andere Umlenkeinheit 23 in Durchlaßstellung.In the intersections 4,5 deflecting units 22, 23 are arranged, which are designed as a rotating or pivoting mirror (Figure 2 and Figure 3) and phase-synchronously driven by stepper motors 24, 25. The deflecting units 22, 23 have bilaterally reflecting portions 26 and translucent portions 27 and are anti-parallel, that is, when the deflecting unit 22 is in the reflection position, the other deflecting unit 23 is in the open position.
Die Lichtquellen 6,7 werden im Verhältnis 1:1 auf die Eintrittsspalte 14,15 der Polychromatoren 12,13 abgebildet. Dabei finden Zwischenabbildungen, das sind Orte engster Bündeleinschnürung, an den beiden Schnittpunkten 4, 5 sowie in den beiden Strahlengängen 20, 21 statt. An den Orten engster Bündeleinschnürung in den Strahlengängen 20, 21 werden die Proben angeordnet (nicht dargestellt).The light sources 6, 7 are imaged in a ratio of 1: 1 onto the entrance gaps 14, 15 of the polychromators 12, 13. In this case, intermediate images, which are places closest Bundeleinschnürung, take place at the two intersections 4, 5 and in the two beam paths 20, 21. At the locations of closest bundle constriction in the beam paths 20, 21, the samples are arranged (not shown).
Die in den Schnittpunkten 4, 5 vorgesehenen Umlenkeinheiten 22, 23 erzeugen durch ihre wechselseitige Reflexions- und Durchlaßstellung eine Verschachtelung der Strahlungsanteile, die die Lichtquellen 6, 7 abstrahlen. Befindet sich die Umlenkeinheit 22 in Reflexionsstellung, wird sowohl die UV- als auch die VIS-Strahlung reflektiert. Die UV-Strahlung gelangt in den Meß- und die VIS-Strahlung in den Referenzstrahlengang 20 bzw. 21.The provided in the intersections 4, 5 deflection units 22, 23 generate by their mutual reflection and transmission position nesting of the radiation components which emit the light sources 6, 7. If the deflecting unit 22 is in the reflection position, both the UV and the VIS radiation are reflected. The UV radiation passes into the measuring and the VIS radiation in the reference beam path 20 and 21, respectively.
Über die dann zugeordnete Durchlaßstellung des anderen Umlenkelmentes 23 erreicht die UV-Strahlung den dafür optimierten Polychromator 12 und die VIS-Strahlung den optimierten Polychromator 13.Via the then assigned open position of the other Umlenkelmentes 23, the UV radiation reaches the optimized polychromator 12 and the VIS radiation the optimized polychromator 13th
Sind die Umlenkeinheiten 22, 23 umgekehrt einander zugeordnet, d. h. befindet sich die Umlenkeinheit 22 in Durchlaßstellung und die Umlenkeinheit 23 in Reflexionsstellung, so durchläuft die UV-Strahlung den Referenz- 21 und die VIS-Strahlung den Meßstrahlengang 22 bevor beide Strahlungen wieder in die ihnen zugeordneten, optimierten Polychromatoren 12,13 gelangen.If the deflection units 22, 23 are inversely associated with each other, d. H. is the deflection unit 22 in the forward position and the deflection unit 23 in the reflection position, the UV radiation passes through the reference 21 and the VIS radiation the Meßstrahlengang 22 before both radiations again get into their assigned, optimized polychromators 12,13.
Die optische Modulation des Strahlenganges kann wahlweise durch einen separaten oder einen mit den optischen Umlenkeinheiten 22, 23 kombinierten Unterbrecher erfolgen.The optical modulation of the beam path can be done either by a separate or a combined with the optical deflection units 22, 23 breakers.
Die Zeilenempfänger 18,19 sind vorteilhafterweise, was nicht dargestellt ist, elektrisch in Reihe geschaltet, so daß die gesamte nachfolgende Elektrik nur einmal benötigt wird.The line receiver 18,19 are advantageously, what is not shown, electrically connected in series, so that the entire subsequent electrical system is needed only once.
Es ist auch möglich die Umlenkeinheiten 22, 23 parallel arbeiten zu lassen, d.h., daß beide sich in Reflexions- bzw. in Durchlaßstellung befinden.It is also possible to have the diverting units 22, 23 work in parallel, that is to say that both are in the reflection or in the passage position.
Das erfordert eine hinreichend geringe Dicke der Umlenkelemente 22, 23, so daß trotz Strahlenversatzes eine vollständige Ausleuchtung der Eintrittsspalte 14,15 gewährleistet bleibt.This requires a sufficiently small thickness of the deflection elements 22, 23, so that a complete illumination of the entrance column 14,15 remains guaranteed despite beam offset.
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Also Published As
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