DE1589933A1

DE1589933A1 - Sekundaerelektronenvervielfacher mit einem Leuchtschirm

Info

Publication number: DE1589933A1
Application number: DE19671589933
Authority: DE
Inventors: Watson Robert Tanner
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1966-03-21
Filing date: 1967-03-18
Publication date: 1970-07-02
Also published as: SE315666B; US3415990A; GB1166397A; NL6703883A

Description

7000 Stuttgart W
RotebUhlatr. 70

ISE/Rtg. 3600
B.T.Watoon - 1

INTERNATIONAL 3TAHDAHD ELECTRIC CORPORATION, NBW YORK Sekundärelektronenvervielfacher mit eintn Leuchtschirm

Die Priorität der Anmeldung vom 21.März 1966 in den Vereinigten Staaten von Amerika Hr. 535,842, Or· 250« ist in Anspruch genommen

Die Erfindung betrifft einen Sekundärelektronenvervielfacher mit einem Leuchtschirm, insbesondere zur Verwendung ale BiId-Übertragunga- und Anzeigeröhre mit einem evakuierten Gehäuse, das eine Einrichtung, die bewirkt, daaa Elektronen aus einer !Fotokathode emittiert werden» mehrere Dynoden sowie eine mit dem Ausgang des 7ervielfachere verbundene Anode einsohliesst.

Sekundärelektronenvervielfacher sind bekannt und mit verschiedenen Konstruktionsformen in Gebrauch. Me Empfindlichkeit der in Vervielfacher^ enthaltenen Einrichtungen zur Herstellung einer Photoemission iat bei UT-Licht, sichtbarem Lioht und Infrarotstrahlung jedooh sehr klein, da die Zahl der absorbierten Quanten der dem Vervielfacher zugeführten Energie su klein ist, um genügend Elektronen für die Eaission su aktivieren. Verschiedene Anstrengungen, die die Beseitigung dieses Nachteils zum Ziel hatten, wurden bisher gemacht. Beispielsweise brachte man die Emissionskathode in ein starkes elektrisches PeId. Mit dieser zusätzlichen Haasnahae war es Jedoch ebenfalls noch nicht möglich, den Bereich unter 1 μ Wellenlänge su meistern«

16.Mär« 1967

B*i/f* ν ο 0 9 8 2 7 / 1 5 3 2 "²~

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Es ist dataer Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zu schaffen, die es ermöglicht, Infrarot- sowie Ultraviolettstrahlung atlhelos anzeigen und Übertragen zu können. Erfindungagemäas geschieht dies dadurch, dass an Gehäuse ein Lichtleiter beispielsweise in Geetalt eines Lichtleitatabes schräg an einem durchsichtigen Schirmträger angebracht ist, der seinerseits zusammen mit einer Fotokathode eine Leuchtstoff enthaltende Wandlerschicht einochliesst und dass vor der Fotokathode auf deren zum Innenraum des 7ervielfächerβ gelegenen Seite ein Regelgitter angeordnet ist, das mit einem negative Iopulie abgebenden Ausgang eines Impulsgebers verbunden ist, der über einen zweiten, synchrone Impulse abgebenden Ausgang eine den durchsichtigen Schirm« träger bestrahlende UV-Strahlungsquelle steuert.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung weist die Wandlerschicht einen grossen Brechungsindez auf·

uemäss einer weiteren Ausbildung d er Erfindung ist die Sicke der Fotokathode auf die Wellenlänge der von der Wandlerschicht abgegebenen Lumineszenzstrahlung abgcstiurt·

Hach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist der Vervielfacher derart aufgebaut, da.s die Wandlersohicht, die Fotokathode, das Kontrollgitter sowie die Dynoden umd die Anode konzentrisch um den Lichtleiter angeordnet ein*.

OemäsB einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind mehrere, aus Lichtleiter» Wandlerschiebt und Fotokathode bestehende Wand* lereinheiten nebeneinander mit ihren jeweils aus den Gehäuse heraussagenden Lichtleitern in diesen Gehäuse untergebracht.

Haoh einer weiteren Ausbildung der Erfindung weist jede Fotokathode eines elektrischen Anschluss aa Gehäuse auf·

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Hach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist den einseinen Wandlereinheiten ein geaelnsaaes Regelgitter benachbart angeordnet.

Gemäse einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird die mit dem Ausgang des Vervielfachere verbundene Anode von einem Leuchtschirm gebildet.

lach einer weiteren Ausbildung der Erfindung geben beide auseerhalb des Gehäuses befindliche und auf die Wandlerschicht direkt baw. über denLlchtleiter gerichteten Strahlungsquellen verschiedene Strahlungeapektren ab·

Gemäss einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird als Leuchtstoff Tetramethylparaphenylendlajiin (TMPD) in 3-Xethylpentan verwendet·

lach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist der leuohtetoff mit einem Mantel, beispielsweise aus Glas oder einem ähnlichen Material, das alt einer reflektierenden Schicht, wie S.B· Sold oder Aluminium, versehen iet, umgeben.

GemäsB einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird als Leuchtstoff DimethylBulfoxyd oder Dimethylfornanid in flüssigem Zustand oder als Gelatine, in Glas oder einem ähnlichen Werkstoff eingebettet, verwendet·

Der Vervielfacher nach der Erfindung weist gegenüber bekannten Anordnungen die Vorteile auf, <Ibb3 er sehr gut im 1μ-Wellenlängenbereich verwendbar ist, sogar noch bei recht tiefen Temperaturen. Ein Regelgitter verhindert weitgehend das Eigenrauschen des Vervielfachers, wodurch er gröesere Empfindlichkeit aufweist. Ein eingebauter leuchtschirm stellt eine unmittelbare Anzeige dar, ohne erst weitere Verstärker einschalten zu müssen.

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DIe Erfindung wird anhand τοπ Zeichnungen erläutert« In den Zeichnungen zeigern

Fig. 1 einen SekundärelektronenνerVielfacher !■ Längsschnitt sowie einen Impulsgeber,

Tic· 2 einen Vervielfacher, der konzentrisch aufgebaut ist, im Längsschnitt,

Pig. 3 einen !iehrfaohvervielfaeher in längsschnitt,

Ein evakuiertes Gehäuse 10 (I¹Ig* 1 ) ist einseitig mit einen Schi πträger 12 abgeschlossen, der einen βchräggeeteilten Lichtleiter 14» beiapielsweise in form eines Lichtleitetabee, trägt. Das Gehäuse 10 wird derart geneigt, dass sich der Lichtleiter in einem ganz bestimmten Winkel zu einer fremden Strahlenquelle 16, die infrarotes oder anderes unsichtbares Licht aussendet, befindet. Eine Festkörper-Iandlerschicht 18, die tint Leuchtschicht enthält, die swei Verunreinigungs-Komponenten einschlieset, 1st innerhalb des Schirmträgers 12 untergebracht. Sine Fotokathode 20 bildet den Abschluss des Schirmträgere gegen das Innere des Gehäuses. Sa bei Infrarotbestrahlung der Abeorptionekoefficient klein ist, leitet der Lichtleiter 14 diese Strahlung an die Wandlerschioht 16 weiter, in der sie mehrmals total reflektiert und auf diese weise weitergeleitet wird, bis sie innerhalb der Wandlerschicht 18 vollkommen absorbiert ist. Der Strahlungsverlauf in der Schicht 18 wird in Tig· 1 als unterbrochene Linie dargestellt. Bei dem für die Wandlerschicht vorzugsweise verwendeten pulverisierten Leuchtstoff sollten möglichst gute Heflexionswerte angestrebt werden, um Streuung der Infraroten Strahlung weitgehend vermeiden sowie grosse Leuchtkraft erreichen zu können. Der gröeste Anteil der erregten Lumineszenz wird von der Fotokathode absorbiert. Der spitze Auftreffwinkel erhöht, da ausserdem eine sehr dünne Fotokathode

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verwendet werden kann, den Betrag der losgeschlagenen Elektronen, weil die Absorption nahe der Oberfläche stattfindet, wo die Möglichkeit der Heraualöeung τοη Elektronen am. grössten ist.

aus3erhalb des Vervielfaohers angebrachte Strahlungsquelle, wie z.B. eine UY-Quelle 22 liefert so viel Energie, dass mit zusätzlicher Energie be ladene Elektronen elektrische Halbleitung oder sogar Leitung bewerkstelligen. Sie genaue, an sich bekannte physikalische Theorie hierüber kann den Artikel "Luminescence in crystalls", D.Curie (Published by Wiley, 1963) und dem Review of scientific Instruments, Vol. 36, S. 1511» Oktober 1965t sowie dem Artikel von W.E»Spioer u. F.Wooten in den Proceedings of the IEEl, August 1963, Seiten 1119-1126, entnommen werden.

Die absorbierte infrarote Strahlung hebt die Elektronen nach ihrer Rückkehr in das Valenzband in das Leitungsband, wo sie rekombinieren» wobei sie Lieht emittieren und durch die Wandler-

i i-cfyt Geschieht hindurchysenden« Das Licht wird an die Fotokathode weitergegeben, wo v/ eitere Elektronen aktiviert werden und in das Vakuum elnfliegen»

Das "Pumplieht" wird ebenso unerwünschte Fotoelektronen entweder durch Absorption in der Fotokathode oder durch künstlich hervorgerufene Lumineszenz ssur Folge haben, die ebenso wirkt, wie die infrarote Emission. Deshalb 1st es wichtig, die .ntstehung von Elektronen durch "Pueplieht" au vermeiden. Dies wird mit Hilfe eines Hegelgittere 24, das vor der Fotokathode 20 angeordnet 1st, erreicht· Dieses Regelgitter wird während der Zeit des Austritts der unerwünschten Elektronen mit Impulsen negativer Polarität gespeist. Dadurch wird den Elektronen der Austritt aus der Fotokathode unmöglich gemacht, solange das Hegelgitter mit einem Impulsgeber verbunden ist· Da Impuls-

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frequenzen 70η mehreren hundert MHz verwendet werden können, kann man dadurch erreichen, dass verschiedene "Pumpzeiten" sowie verschiedene Impulsformen verwendet werden können· Das Hegelgitter verbessert ausserdem den Rauschpegel, sofern sein Potential gegenüber der Fotokathode während der Zeit der Bestrahlung auf einem derart kleinen i/ert gehalten wird, dass die Fotoelektronen das Gitter passieren können, während die durch Wärme emittierten Elektronen zurückgehalten werden. Die Impulse v/erden einem Impulsgeber 26 entnommen, der in der Lage ist, synchrone Impulse 28, 30 abzugeben und damit synchron die UV-Strahlenquelle 22 und das Regelgitter 24 zu steuern.

Das Regelgitter wirkt ir/,tuer dann als Falle, wenn es mit ultraviolettem Licht bestrahlt wird· Durch die blitzartige Bestrahlung wird das Regelndtter, das normalerweise auf schwach negativem Potential liegt, bei jedem Impuls auf z.B. minus 3 Volt hinuntergezogen· Die Wandlerschicht und die Fotokathode können mittels eines fotoelektronischen Kühlere (in der Zeichnung nicht dargestellt) auf niedriger Temperatur gehalten werden, um thermische atöreffekte zu verhindern· Die Absorption des infraroten Lichtes führt zur Reko. bination, wobei sichtbare Lumineszenz auftritt· Die dabei freiwerdende Strahlung wird fast vollständig von der Fotokathode 20 aufgenommen; das lie^t an ihrer geringen Entfernung von der Wandlerschicht 18und deren hohem Brechungsindex. Die Fotokathode 20 ist in ihrer Dicke und ihrem Material auf die Wellenlänge der Luminessenz abgestimmt und weist daher bei der Umwandlung absorbierter Lichtquanten in freie Fotoelektronen einen grossen Wirkungsgrad auf· Qrpische Dicken der Fotokathode liegen bei 200 - 500 i, wobei zu bemerken ist, das« die Emission mit steigender Dicke abnimmt.

Die Elektronen passieren das Regelgitter 24 und treten hierauf in daa Innere des Vervielfachere 32 ein» der mit einer Vielzahl von Dynoden (Sekundäremissionskathoden) ausgestattet ist· Diese liegen in der Weiae an verschiedenen Spannungen, daaa die

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Spannungen τοη einer Dynode xur nächsten jeweile progressiv steigen und die Fotokathode 20 an Hullpotential liegt. Das Auegangesignal wird an einer Anode 34 ausgekoppelt und kann mit Hilfe eines herkömmlichen Verstärkers verstärkt bzw. mit. tela eines Leuchte chimes 36 (Tig· 3) wieder in sichtbares Licht verwandelt werden· Diejenigen Elektronen, die das Regelgitter 24 durchdrungen haben, können mit einem herkömmlichen Sekundärelektronenvervielfacher auf einen Wert gebracht werden, der es ermöglicht, den Rauschanteil des nachfolgenden Verstärken vernachlässigen-eu können·

Brauchbare Spannungewerte» die von einer Gleichstromquelle 38 abgegeben werden, sind beispielsweise folgendes Nullpotential an der fotokathode 20_t 200 bis 800 Y an den verschiedenen Dynoden und 900 V an der Anode 34.

Die Pig· 2 zeigt eine ähnliche Anordnung wie die oben beschriebene! jedoch in konzentrischer, rohrförmiger Bauweise. In TIg. 3 1st eine Einrichtung dargestellt, bei der mehrere Wandlerschichten nebeneinander zu einem Kehrfachvervielfacher kombiniert sind.

Die Wahl des infrarotempfindlichen Leuchtstoffes wird bestimmt durch die wellenlängenabhängige Empfindlichkeit der Fotokathode. Infraroter Leuchtstoff enthält grundsätzlich Sulfid und Selenld der II.Gruppe des Periodensysteme der Elemente, die ja auch Magnesium, Kalzium, Strontium, Zink und Kadmium enthält. Wenn man nun beispielsweise mit ultraviolettem Licht bestrahlt, so wird die dadurch Übermittelte Energie Im Leuchtstoff solange gespeichert, bis infrarote Jtrahlungsenergie geeigneter Wellenlänge auftrifft. Dieser umsteuerprosess dauert relativ lang und liegt in der Gröaaenordnung von Minuten. Die genaue Dauer hängt von der Intensität der ultravioletten otrahlungsquelle und der Wellenlänge der abgegebenen Strahlung ab. Impulsbetrieb

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»it einer Impulsdauer von mehreren hundert mseo. let daher teilhaft.Diβ Einschwinge·!! 1st bei infrarote* UoMt eehr kuri und liegt in der Grössenordnung Ton «seo· Babel lieft die Beak~ tlonseeit beispielsweise bei 10 aeec. umd die Urneteuerseit ImHI 100 »etc«

Die empfindlichsten Leuchtstoffe eind Alkalieulfide, die alt Jtaropium oder Cerium und Samarium ?erunreinigt sind. Ie eiftd viele fersohledene Kombinatieaen von infraroteepfindlieaen Leuchtstoffen möglich. Kine bekannt« ' Leuchtstoff«**^ enthält Zinksulfid, Blei und Kupfer» die bei Siamertemperatur im* frarote strahlung im 1,25 ~ 1»60 μ-Bereich mit time* Intensitätemaximum, das bei 5000 i liegt, abgibt. Mm weiter·« mit Mangan und Kupfer Terunreinigtei Sulfid sat eine lmiealeaeepltBe bei 6000 L Bei«· Leuchtstoffe eignen sieh TtrattgÜeh smr Verwendung bei der Herstellung ren rotokathodea. Mm ttwit Xa* terlalien anhaftender laohteil 1st der, da*s ei· a«hr laaga Phoephoressen«, die auf Am Kupferanteil aurückgelit» aufweise«. Mm Leuohtstoff, der kurse Phosphoresseas beeltat, besteht aus dem PIIieuchtstoff,der aus Btrontiua-eulfid, Oerlum, Samarium und Lithiumfluorid best·]!«· Das Lithiuafluotld kamm dmvtli ultra-Tiolette strahlung erregt wertem* 9er Leuebtsteff reagiert bei einer infraroten Strahlumg τοη 1,02 μ und weist ein !missions* Maximum bei 4850 X auf. Sie·«· Material ist sehr anfällig gegen Feuchtigkeit und hat keime Empfindlichkeit bei langerwelliger Infrarotstrahlung· Es kamm jedoch in durchsichtiges ilastikmaterial eingebettet werden« Die Infrarot««pfindliohkeit ist bei einem Leuchtstoff» der eine 3rS~7erbindung eingeht, gröseer und liegt bei 1 msec, obwohl bei ZnS-Cu-Pb die Heaktiemsseit sowie die Zeit bis zur Ausbildung der Emission in der Orössen-Ordnung von Sekunden liegt· SrS weist einen Brechungsindex von nahesu 2,1 auf·

Einige konventionelle infrarot-erregbare Leuohts'toffarten weisen

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. relativ breit« Inergieberelohe (Beionanaetellen) auf, in denen «ie erregt werden könnt». Seher empfiehlt eieh die Verwendung τοπ «usätslieh gekühlte« Leuohtstoff, der dann nur hei einer bestimmten Snergiesonwelle aufleuchtet · Se gibt eine ganse An» sohl solcher Leuchtstoffe, liner davon ist *.B. Zn₂3i0,_f der grünes Lieht aussendet_v und awar hei 260° K. Durch Kühlung auf -40° 6 und Aufladung mit 2557 I - ultravioletter Strahlung werdie die Resonansstellea Uberdeokt and ansohliessend mittels infrarotem Iloht wieder freigelegt. Die Sineehwinggeit ist nahes» die gleiche wie hei der normalerweise hei Zn₂BiOjKn anftretendea Luaineaiena-AbklingBeit. Diesee Material weist einen Breohungsindex von 1*71 auf, eingebettet in Polystyrene einen solchen von 1,59* Organische wie organisch-metallische Komponenten wirken sichι in einer Trägereubetanz gelöst, ntttslioh aus· Sin erst vor kurzem entwickeltes Material mit festen Aggregatsstistand ist das Setramethylparaphenylendiamitt (TMiD) in 5-Mttbylpentan gelöst, das sichtbares Lieht im 1»0 - 2_f5 μ-Bereloh aussendet* Die Ab» klingseit der fhosphoresaenji beträgt ea. 2 Sekunden. Sie Anordnung arbeitet hei der niedrigen temperatur von 77° K und ist in einen Glasmantel eingebettet, der mit einer Gold» oder Aluminiua-Bohicht stir Reflexion von infrarotem Lioht versehen Ißt. sin weiteres brauchbarea Material ist Beispielsweise eine Halbleiterflüsaigkeit oder «gelatine aus Dimethylsulfoxyd oder Dimethylformamid, das in einem Glasgehäuse aufbewahrt wird, das seiner* oeits mit einem infrarotes Lioht reflektierenden Mantel ausgerüstet ist· ZnHgS und Mg können ebenso als Leuchtstoff entweder in fester oder flüssiger Form verwendet werden· Metallische Erden, wie a.B. Kalziue-Wolfraa oder Molybdän, die zwei Verunreinigungen» Eu und Sh enthalten» können ebenfalls Anwendung finden.

12 Patentansprüche
2 Blatt Zeiohng, mit 3 figuren

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Claims

Patentansprüche

/ 1J Sekundärelektronenvervielfacher mit eine« Leuchte chirm, Ina- ^-^ besondere ;ur Verwendung als Üiaübertragungs- und Anseigeröhre, mit einem evakuierten Gehäuse, dae ein« Einrichtung, dit bewirkt, dasa Elektronen aus einer Totokathode emittiert werden, mehrere Dynoden sowie eine mit dem Ausgang des Vervielfaehers verbundene Anode einachlieast, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuse (10) ein Lichtleiter (H) beispielsweise in Gestalt eines Lichtleitstabes schräg an einem durchsichtigen Schirmtrager (12) angebracht ist, der seinerseits zusammen mit einer Fotokathode (20) eine Leuchtstoff enthaltende Wandlerechiclr (18) einschliesst und dass vor der Fotokathode (20) auf deren «um Innenraum des vervielfacher gelegenen Seite ein Hegelgitter (24) angeordnet ist, da« mit einem negative Impulse (30) abgebenden Ausgang eine a Impulsgebera (26) verbunden ist, der Über einen zweiten, synchrone Impulse (28) abgebenden Ausgang eine den durchsichtigen Schiraträger (12) bestrahlend· TJY-Strahlungsquelle steuert»

2« Yervielfaoher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerschicht (18) einen grossen Brechungsindex aufweist·

3· Yervielfaoher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Fotokathode (20) auf die Wellenlänge der von der Wandlerschicht (18) abgegebenen Lumineseenastrahlung abgestimmt ist·

4· Vervielfacher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, > dass er rohrförmig derart aufgebaut ist, dass die Wandlerschicht (18), die Fotokathode (20), das Kontrollgitter (24) sowie die Dynoden (52) dnd die Anode (34) konzentrisch um den Lichtleiter (14) angeordnet sind«

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5» Vtrvielfacher nach Anspruch 1 bis 4_# dadurch gekennieichnet, das· aehrere ana Lichtleiter (U)_f Wand 1 trachioht (18) und fotokathode (20) bestehende Wandlereinheiten nebeneinander alt ihrtn Jewell· ana da« «ehäuee (10) hcrauaragenden Lichtltittrn (14) ic diese« Gehäuse untergebracht sind·

6* Vervielfacher nach Anapneeh 5, dadurch gtktnnitiohntt, das8 itda Fotokathodt (20) tiaaa altktrie chtn Anachluae an Qehäuaa (10) aufweist·

?· Tertitlfaehtr nach Aaaprtioh 5 «aft 6, dadurch gektnnieiehnt-fc, dass daa elnstlnatt Wandlerainheittn ein jeaeineaaei legel^itter benachbart angeordnet iet.

8« Terfielfacher naeh Aamjanmh 5 »la 7» dadurch gekennseiohnet, daaa die ait den Ausfaag daa Vervielfacher« verbundene Anode von einen Leuehtaehim (56) gebildet iet.

9· Terrielfaeher nach Anipruch 1 Ha 8, dadurch gekennaeichnet, daas beide auaβerhalb daa ftehÄoeee (10) befindliehe und auf dia Wandlerschicht (18) direkt bsw. Über dan Lichtleiter (14) geriohteten 3trahlungequellen (16, 22) verschiedene Strahlunga« epektren abgaben·

10» Vervielfache* naea Anapruch t bie 9, dadurch gekennaeiehnet, daaa ala Leuchtstoff Tetraaethjlparaphenylen^diaain (TMPD) in >Methylpentan verwandet wir*.

1tn Tervielf acher nach Anapruoh 1O₉ dadmrca «ekenn*eichnet_f daaa dar Leuchtstoff alt ein«« Mantel» beispielsweise aua aias oder einen ähnlichen Material» «aa mit einer reflektierenden Schient, wie s.B« Sold oder Alttainiaa, versehen ist, uageben let·

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12« Tertielfaoher naob Aaepnteh 1 tola 9 «id 11» daAireh gtkennet lehnet, date ale Leuchtstoff Diatthyleulfoxjrd odor Dimethylformamid In flüseigem Zustand odtr als G#latiai_t in fflaa odtr einem ähnlichen Werkstoff eingebettet» verwendet wird·

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