DE1909841A1 - Spektrometer - Google Patents

Description

Spectra Metrics,Inc* (US 710 881 - prio 6,$Λ96Β Second Avenue, Northwest Park
Burlington» Mass« 01803». V.St.A,

den 26 „ Februar I96¹

Spektrometer

Spektrometer sind Vorrichtungen zum- Messern" der spektralen" Energieverteilung in Strahlung* die dureh ©Ine EinlaSblencle eintritt„ Ganz allgemein unterscheidet man zwei Arten von. Spektrometer»; den Blsperslons.tyPi» bei'dem-sine" räumliche . " Konzentration der Energie als eindeutige Funktion der Wsllenllnge erfolgt« ima den Interfer..oin©tertyp-₉ bei dem räumlich verteilte Xnterferensrous-ter als "Funktion- der Wellenlänge erzeugt werden _o Der Dispers Ions typ "mu$. überall'. dort verwendet werdtEij. wo ein. besonderer WöllenlSj'sg@nbsr-eich isoliert-werd'esj. sollj." .doho s b®i "Versuchen_tf die 'von ä®r " Energie pro Photon der /srinfallenden--Strahlung -abhängen, - . Zur Dispersion oder Beugung können-üfolicheT%'©ise" zwei Verfahren benutzt werden,.-wobei- eines-ein Prisma wad' das andere ein Gitter.verwendet_o Die Anwendung der bisherigen Verfahren, hing vosi der KMürurag der-Photonengesehwin^ .-"" digkeit-als Punkt%®n der Photonenenergie .ab und wurde daher sehr stark von den sur ferfügusig stehenden passenden Materla= Ilen beeinflußtο Bas letztgenannte Verfahren benutzt-dl© Interferenz von Wellen^, di® von verschiedenen Bereichen einer gerasterten Fläche, reflektiert werden« Da Inter··= . ferenzen zwischen allen Wellen benachbarter'Spalten eines Gitters auftreten können,- Ist die räumliche -Tresipung als Funktion der Wellenltoge nicht eindeutige JSs Ist daher erforderlich, zusammein mit dem Gitter.eine Möglichkeit.

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BAD ORtGlNAt

_ zur Feststellung der Ordnungszahlen d®v Issterferenaesi ·■ vorzusehen«

Wegen der mechanischen -Unterschiede in den Abmessungen' und Winkeln der Spalten» die Üblicherweise* bei der Her stellung derartiger Gitter auftreten« war es nicht derartige Gitter zur-Messwig "von-Wellenlängen-im Bereich" des sichtbaren Spektrums und dort zu hetiutz&n_e wo di® Zahl der V/ellenlMngenunterschlede zwischen- benachbarten Spalten groß is ta- El&e Ausnahme hierzu b©sfe®ht in-der""", Verwendung eines -5-tufengitters für die Infrarot'Spektrö*="

φ skopie₉ wo die Abmessungen d©r Spalfe© ausreichend groß sindp -so. daß die bei der maschinellen Herstellung; auf«-""-tretenden Toleranzen ausreichen^ Sieuere ■ technische ¥erfahren zur Kontrolle des ilitt©rras-tei?"S machen-, es -^; Jedochmögliche Qitter mit ausreichender Genauigkeit züv wendueg fUr hohe Ordnungszahlen in sichtbaren- und violetten Bereichen des Spektrums her2ust©ll#8i_e ^S'päfctipo--".■ meter mit derartigen. öittersi wurden'bereits -hergestellt_fl usid sswar im" allgemeines!, als Kombinatioa aus zwei iss Reifte liegenden Spektrsisneterni, von denen .eines -zur-Festlegung· der Ordnungszahl des asiderea bessutzt.-wirdv Di© -ineistan ".'."■ dieser Oeräfe® arbeiten iedocSi b@i Vorgegebeneai Werfe auf

^. in eisiem kleiuiess W@lleiralMBgeinb®r@iciip da di© libiicfen

™ Qitter mit hohem.. Auf lösungsvermögen' außerdem ©in© groß®" Winkelstreuung "hervorrufen₉...die nicht auf verhältnis«· ■-'" mäßig einfache Weise gesammelt wad getofMdelt werden käms«,"·

Es ist daher Aufgabe der Erfindung., ein Spektrometer "mit Stufengitter au schaffen, das di© vorstehend""genannten.; Nachteile nicht aufweist"«

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Diese Aufgabe wird mit einem Spektrometer mit-einer linXaßblende und einem Sfcufengitter gelöst*"welches gekennzeichnet 1st-durch mindestens einen ersten .Kollimatorspiegel und ein Prisma sowie durch mindestens eine erste Ausgangsbrennebene* auf die die vertikalen und horizontalen Komponenten der dispergieren Energie einstellbar sind» Dies kann dadurch erfolgen, daß das Stufengitter um eine erst© Achse und um eine zweite Achse drehbar igt und daß die erste Achse parallel zur Srundflache des Brechungsprismas und die zweite Achse parallel zu den Spalten des -Stufengitters und senkrecht zur ersten Achse verlauf env

Durch die Drehbewegung des Gitters können die horizontale und die vertikale Kompoüesifc© der dispergieren Energie in der Ausgangsbrennebeiie unabhängig voneinander elogestellt werden_fi wodurch eine größer® Auflösung -und- größerer Ordnungs«= abstand als-bisher möglich "erreicht'wird«

Das Prisma kann um' eine-hor-izoi&tale* -durch di® Mittellinie des einfallenden Strahls und parall©! zur Grundfläche, des Prismas verlaufende Achse drehbar -sein* wobei umfc er Grundfläche dos Prismas diej@saig@ FlSete verstanden wird, auf di© der einfallende Strahl zunächst- fällt _e Durefe Bewegen des Prismas kam d®F Wink©! zwischen -der eiEsfallenden Strahlung und der-ßrandflSch© ©ißgestellfe werden* otoe daß der Eißfallspusakt auf a®r ß.FUBdflleh© merklich verändert wird ο Durch eis&e Dr@hb.©w@gupg d®B Prisiaas mit nur ®irsein einzigen Freiiieltsgrad wird.sich@rgfesteilt_# -daß die Dis~ persion bzw« Bewgimg dureli «la© Prisma. ni©tot ve^seiiemfclich der Dispersion durch das ©Ifeter hinzugefügt wird« Vorzugsweise ist die asa w©itesten ¥©a ©lfet©r entfernte Fläche des

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BAD

Prismas nicht streuend, so daß der Kollimatorspiegel nicht bewegt werden muß.

Obwohl die Form der Einlaßblende nicht kritisch let, 1st deren Länge vorzugsweise gleich dem Fünf« bis Zehnfachen der Breite. ' '

Die mit dem Spektrometer geinäss der Erfindung erzielbare höhere Auflösung läßt sich am besten anhand von "Iron Triplet*¹ zeigen. Dies ist ein in der Industrie verwendetes Verfahren zur Feststellung der Brauchbarkeit von Spektrome tern, wobei auf eine Reihe von Linien bei 3,020 A Besstag genommen wird. Ein Spektrometer wird als aus2*eioh@SHi as= gesehen, wenn bei geringer Verstärkung in einem Spektragramm drei Linien zu erkennen sind. Mit Hilfe der durch das Spektrometer gemäss der Erfindung erzielbaren Aufläsimg können in einem Spektrogramm ohne Verstärkung deutlich fünf Linien erkannt werden.

Durch entsprechende Wahl des Materials für das Prisma und dessen Abmessung und durch Wahl eines Stufengitters mit einer geeigneten Anzahl von Spalten und geeigneten Spalten» abständen läßt sich Im Spektralbereich von 1.200 2 bis 0.50 Mikron ein Auflösungsvermögen von 250.000 erzielen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Ausführungs« beispiele zeigenden Figuren näher erläutert.

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BADORfGJNAL

Pig. 1 - zeigt im Prinzip eine Aufsicht auf ein Spektro« meter gemäss der Erfindung mit der Anordnung des Prismas bezüglich des Gitters.

Pig. 2 - zeigt eine Ansicht entsprechend Flg. 1.

Pig· 3 - zeigt schema tisch ein Spektrometer geraäss der Erfindung.

Flg. 4 - zeigt schematisch ein optisches System zur Erzeugung eines Bildes auf der Gltterfläohe in einem Spektrometer gemäss der Erfindung.

Die Figuren 1 und 2 zeigen die prinzipielle Anordnung von Prisma und Stufengitter sowie die Befestigung und die Drehachsen dieser beiden Elemente.Die von einer Quelle (nicht gezeigt) einfallende Energie trifft auf das Prisma 11, das auf einer Frismahalteplatte 18 befestigt ist. Es rotiert um die Achse 14. Die einfallende Energie wird durch das Prisma 11 hindurch und wird entlang einer sich in Richtung der Länge des Spaltes erstreckenden ersten Koordinate abgelenkt. Die so abgelenkte Strahlung vom Prisma 11 fällt auf das Stufengitter 12, das auf einer Oltterhalteplatte 17 befestigt 1st, die eine parallel zu den Oitterspalten verlaufende Achse 16 aufweist und alt einer senkrecht zur Aohee 16 und parallel zur Prismen» aohse 14 verlaufenden Achse 15 verbunden ist. Die Achse 14 1st an einer Halteplätte 19 befestigt, die rechtwinklig an der Grundplatte 13 angebracht ist. Die vom Stufengitter 12 gebeugte Strahlung gdangt zurück durch das Prisma, wo sie erneut gebrochen und auf einen nicht dargestellten

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BAD ORIOlNAL

Ausgangekollimator geleitet wird. Die Anordnung von Prisma und Gitter gemäss Figuren 1 und 2 eraöglicht eine maximale Dispersion bzw. Beugung durch die beiden Elemente, während Prisma und Gitter von m&ssiger Größe sind und ein kompakter Strahl erzeugt wird« so daß die erflndungegemKese Anordnung gegenüber den bisher bekannten Anordnungen verhältnlsmässig klein ist.

Wie den Figuren 1 und 2 zu entnehmen 1st« sind Prisma und Gitter auf einer vertikalen Halteplatte befestigt« die Ihrerseits an einer Grundplatte angebracht 1st. Die Lager für die Achsen sind aufrecht an der vertikalen Halteplatte befestigt. Bei einem anderen AusfUhrungsbeispiel kann die Grundplatte durch eine Welle am Instrumentenrahmen befestigt sein. Diese Welle rotiert um eine vertikale Achse, die durch den Schnittpunkt von Hittelstrahl der einfallenden Energie und Grundfläche des Prismas führt.

Die verwendeten Kollimatorspiegel sind entweder sphärisch oder haben die Form von achsenentfernten Parabeln.

Flg. 3 zeigt im Prinzip ein Spektrometer gemäss der Erfindung. Die Energie von der Quelle 25 wird durch die Optik 26 auf eine Schlitzblende 21 gebündelt und gelangt durch diese hindurch auf den Kollimatorspiegel 22« der ale auf das Prisma 11 leitet* das die Strahlung die pergiert. Von dort fällt die Strahlung auf da« Stufengitter la. Des Prisma 11 rotiert um die Aohae 14, während das Oitter 12 um die Achsen 16 und 15 (nioht dargestellt) rotiert. Die von den Spaltflächen la Oitter 12 reflektierte Strahlung wird durch das Prisma xurüok auf den Kollimatorsplegel 23

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BAD ORiOINAL

geleitet, von wo es in der Auegangebrennebene 24 gebündelt wird. Xn den vorstehenden Figuren 1st die Orientierung des Oitters derart gewählt, daß die reflektierte Strahlung vom Gitter zum Ausgangekollimator ein. zweites Mal durch das Prisma geleitet wird. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Orientierung des Gitters derart gewählt werden, daß die reflektierte Strahlung vom Gitter unmittelbar zum Kolli» mator geleitet wird» ohne das sie noch einmal durch das Prisma geführt wird. Eine derartige Ausführung ist dann erwünscht» wenn die Streuenergie infolge der Streuung durch das Auffallen des eintretenden Strahles auf die Grundfläche des Priemes ausgeschieden werden solle

Duron die Anordnung von Prisma zum Gitter im Spektrometer gemäss der Erfindung erhält man eine im wesentlichen quadratische Brennebene für mindestens eine Oktave des Spek» tralbereiohes. Gleichzeitig wird eine höhere Auflösung erreicht und man erzielt in einem breiten Spektralbereich . die gewünschten Eigenschaften, da nur ein kleiner Winkel« bereich bezüglich des Mittelstrahls des Brennpunktes erzeugt wird»

Bei dem Spektrometer gemäss der Erfindung ergibt sich eine Form der Brennebene, die besonders zur Verwendung von zwei«= dlmensionalen, elektrooptischen Fühlern geeignet ist. Als Fühler können im Spektrometer gemäss der Erfindung beiepiels= weise Detektoranordnungen, Bildröhren, Bildverstärker, Bild« wandler, Raum/Zeit-verschlüsseler und optische Zuordner verwendet werden.

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Übliche Verfahren zur quantitativen Messung des Auegangs«- signals eines Spektrometer benutzen entweder fotografischen Film als Zwischenspeicher mit nachfolgender quantitativer fotografischer Dichtemessung oder fotoelektrische Fühler zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangseignais enfcspre= chend der bestimmten auf den Fühler fallenden Wellenlänge, Die Form der Brennebene von Üblichen Spektrometer^ erraiSglicht nicht die Verwendung von zweidisnenslonalen elektrooptischen Anordnungen, beispielsweise von Bildröhren« Ein wesentlicher Vorteil der Form der Brennebene des Spektrc meters gemäss der Erfindung besteht darin« daß Infolge der zweldlmensionalen Verteilung und des Auflösungsmaß=* Stabes zweidimensional elektrooptisch® Keßelemente v@r« wendet werden können. Ein weiterer Vorteil des erflndungs« gemässen Spektrometers besteht in dem verhältnismäßig kleinen Winkelbereloh der Strahlen, die das Bild in der Brennebene herstellen. Dadurch 1st es verhältnismäßig einfach, die der Anfangsbrennebene nachfolgende Energie wieder zu sammeln und zusätzlich wieder abzubilden« Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn die Spektralwerte vor der elektrooptischen Anzeige geändert werden sollen» In denjenigen Fällen« in denen es bekannt 1st, daß ein großer dynamischer Bereich der Spektralkomponenten vor-» handen ist, kann eine entsprechende Filterung in der ersten Spektralebene vorgenommen werden, um den dynamischen Bereich zu kompensieren und örtliche Sättigungen der An» Zeigeeinrichtung zu vermelden sowie die Intensität der Spektrallinien anzugleichen, so daß Meßinstrumente mit begrenztem Dynamikbereich, beispielweise Bildröhren, verwendet werden können.

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In einem anderen AusfUhrungsbeispiel der Erfindung kann in der ersten Spektralebene ein Raum/Zeit Verschlüsseier angeordnet und die abgestrahlte Energie in einem einzigen Detektor gesammelt werden« Bei diesem Verfahren erhält man eine eindeutige Zeltfolgekodierung entsprechend jedem Verlegungselement in der spektralen Brennebene,, Die entspre« ohende Intensität kann aus dem Ausgangssignal des einzigen Detektors durch Verwendung zeltlicher Autokorrelation ge» ., wonnen werden. FUr den Fall« daß nur ein kleiner Teil der Spektralwerte gewünscht wird, kann eine mehrfache Wieder« abbildung angewendet werden, wobei in der ersten spektralen Brennebene eine stationäre Maske angeordnet wird, während in der zweiten spektralen Brennebene, in der ein Raum/Zeit« Verschlüaseler angeordnet ist, eine Wiederabbildung erfolgte

In Fig. 4 ist ein Belpiel für eine mehrfache Wiederabbildung gezeigt. Die Ausgangsenergie des Spektrometer 31 geht . von der spektralen Brennebene 30 durch eine Sammeloptik j$2 zur Erzeugung eines ersten Bildes 33 der Oitterflache „ Der emittierte Strahl gelangt dann durch die Wiederabbildungsoptik 37 zur Erzeugung eines zweiten Bildes 34 der spektralen Brennebene und dann durch die Wiederabbildungs~ optik 35, wo ein zweites Bild 36 der Oitterflache erzeugt wird. Vorzugsweise wird eine räumliche Verschlüssele!·- scheibe oder eine andere Art von VersohlUsseler oder ein« Bildröhr· in der spektralen Brennebene 36 oder in •inen nachfolgenden Bild der spektralen Brennebene 34

benutzt.

Die von dem Spektrometer gemäss der Erfindung hergestellten Linien in einer im wesentlichen quadratischen Brennebene ermöglichen außerdem die Verwendung von zweidimenslonalen,

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elektrooptischen Anordnungen, wie Bildverstärkern und Bildumsetzern zusammen mit üblichen Bildwandlern, beispielsweise Vidlcons oder Orthleons. Diese Anordnungen kennen die Empfindlichkeit des Systems verbessern oder d©n Spektralbereich der Bildröhre vergrößern.

Ferner können bei der Verteilung im Spektrometer gemäss der Erfindung zweidimensional, nicht kohärente optische Filter, etwa ein optischer Zuordner, verwendet werden. Dabei werden pro Element viele Spektrallinien benutzt, so daß die Empfinde lichkelt gegenüber üblichen Anordnungen erhöht wird, die nur eine Spektrallinie pro Element benutzen«

Die Möglichkeit, mit dem Spektrometer einen großen Spektralbereich bei hoher Auflösung zu beobachten und zu messen, ist anwendbar, wenn die zu· analysierende Energie von einer be=. kannten Quelle durch Emission von einem Material oder durch Absorption durch ein Material erzeugt wird. Für besondere Aufgaben können spezielle konstruktive Aufbauten gewählt werden, jedoch besteht der wesentliche Vorteil des Spektrometer gemäss der Erfindung in der zweidimensionalen Form der Brennebene und dem Abbildungsmaßstab bei Beobachtung verschiedener Ordnungszahlen.

Ein geeignete· Stufengitter für das Spektrometer geaSse der Erfindung hat 73.25 Linien pro Millimeter bei einer Neigung der wirksamen Spaltfläche (groove fao« blaze angle) von etwa 63°. Mit eine« 30-60-90° Prisma aus Calciuefluorid erhält man die erforderlich« Trennung und breit« Abdeckung des

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Spektralbereiches. Brennweite und Schlitzgröße werden auf« grund des besonderen Instrumentenaufheus und des Verwendungszweckes gewählt.

Die Disperslonsanordnung kann beispielsweise eine Brennweite von einem Meter haben, um eine reziproke Dispersion von 1,4 a pro Millimeter bei einer Wellenlänge von etwa 5.000 8 oder von 0,7 A pro Millimeter bei 2,500 S zu erreichen, wobei «In Spektralbereioh von 1.500 8 bis 6.000 A in einer einzigen 4x5 Fläche in der Brennebene abgebildet wird. Bie Auflösung beträgt bei 2.500 A etwa 0,03 A* bei einer Schiitsbreite von 50 Mikron.

Bei Verwendung einer Bildröhre, beispielsweise einem Vidicon, wird die Brennweite des Ausgangskollimators vorzugsweise auf etwa 125 Millimeter verringert. Dadurch erhält man mit einem üblichen Vidicon eine reziproke Dispersion von 11,2 8 pro Millimeter oder eine Auflösung von etwa 0,5 8 .

Eine sehr kompakte Anordnung fUr ein elektronisches System erhält man mit einer Brennweite von 0*5 Metern. Die reziproke Disperson 1st dann vergleichbar mit der von Üblichen 2-Meter~ Qeräten (2,8 8 pro Millimeter), jedoch beträgt die vertikale Abmessung weniger als 50 cm und die Tiefe weniger als 61 cm, Die Auflösung ist etwa 0,1 A bei 5,000 A (begrenzt durch die optische Aberration).

Gegenüber bisher bekannten Anordnungen überstreicht das Spektrometer geraäss der Erfindung gleichzeitig einen Wellenlängenbereich im Verhältnis 100 : 1 bei einem im wesentlichen

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konstanten Verhältnis von spektraler Auflösung und Wellen·=* länge« Ferner bleibt der Bereich des Dispersionswinkels klein, so daß ein sehr kompakter Aufbau möglich WiZtS₈ Beispielsweise wurde für den Ultravioletten Bereich bisher ein lQ~Meter~Gerät benutzt _s während .gem&ss der Erfindung nur ein I-Meter-Gerät erforderlich ist«.

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Claims (10)

1. Spectra Metrics, Iac·

   Second Avenue, Northwest Park

   Burlington. Mass. 01805/VoSt₈A. Hamburg, den 26«, Febr, I969

   Patentansprüche

   Spektrometer mit einer Einlaßblende und einem Stufen« gitter, gekennzeichnet durch mindestens einen ersten Kollimatorspiegel (22) und ein Prisma (11) sowie durch mindestens eine erste Ausgangsbrennebene (24), auf die die vertikalen und horizontalen Komponenten der dispe» gierten Energie einstellbar sind.
2. 2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stufengitter (12) um eine erste Achse (I5) und um eine zweite Achse (16) drehbar ist, und daß die erste Achse (I5) parallel zur Grundfläche des Brechungsprlsmas (11) und die zweite Achse (16) parallel zu den Spalten des Stufengitters (12) und senkrecht zur ersten Achse (15) verlaufen«,
3. 3· Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (11) um eine horizontale, durch die Mittellinie des einfallenden Strahls und parallel zur Orundflache des Prismas (11) verlaufende Achse (14) drehbar 1st.
4. 4. Spektrometer nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet duroh eine Vielzahl von Brennebenen, die jeweils im wesentlichen quadratisoh sind und mindestens eine Oktave des Spektralbereioh.es überdecken ₀

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5. 5. Spektrometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einer Brennebene ein Raum- oder Spektralfilter angeordnet ist«
6. 6. Spektrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Stufengitter (12) derart aus« gerichtet ist, daß die einfallende Energie durch das Prisma (11) auf einen Kollimator (23) gelenkt wird.
7. ο Spektrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einer Brennebene ein Detektor für die emittierte Energie angeordnet 1st.
8. 8. Spektrometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor ein zweidimensional^, elekfcrooptischer Detektor ist.
9. 9. Spektrometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor ein Vidicon ist»
10. 10.Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite 0,5 Meter und die Auflösung etwa 0,1 A bei 500 X beträgt_o

    «Spektrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer Brennebene, z.B. 20 in Flg. 4, mindestens eine Wiederabbildungsoptlk (37) zur Erzeugung eines Bildes der Gitterfläche nachgeordnet 1st.

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    12«Spektrometer nach Anspruch Η, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Bildes der Gitterfläche ein Detektor angeordnet ist«

    su :sch.

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