DE2163722A1

DE2163722A1 - Verfahren fuer die impulshoehenbestimmung

Info

Publication number: DE2163722A1
Application number: DE2163722A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr Ing Schulz
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1971-12-22
Filing date: 1971-12-22
Publication date: 1973-06-28
Also published as: GB1410245A; SE384278B; DE2258643A1; FR2170531A5; US3845397A; IT986870B; CA955659A; NL7216936A

Description

LICENTIA

Patent-Verwaltungs-GmbH

6000 Frankfurt (Main) 70, Theodor-Stern-Kai 1

Ulm (Donau), 2 1. 12. 71

PT-UL/Kö/sa

UL 71/180

"Verfahren für die Impulshöhenbestimmung"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für die Impulshöhenbestimmung von Impulsen verschiedener, eine vorgegebene Mindestamplitude überschreitender Amplitude mit . Hilfe eines Impulsverlängerers, der die Amplitude des ImpulsmaxLmums zwischenspeichert,und anschließender Analog-Mgital-Wandlung»

Zwei der klassischen Verfahren, die bei der Analog-Digital-Wandlung von Impulsamplituden heute zur Anwendung kommen, werden nachfolgend und anhand der Figuren 1 und 2 beschrieben. Die Figuren 1 und 2 gehen dabei von einer Impulsform aus, die einen langen schleppenden Anstieg der Detektorimpulse aufweisen. Derartige Impulsformen treten z. B. bei der Partikel-Volumen-Analyse auf, wie sie mit Hilfe des

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sogenannten Coulter-Verfahrens durchgeführt wird. Bei diesem Verfahren, das z. B. in der DAS 1 806 512 beschrieben ist, strömt eine partikelhaltige Elektrolytlösung .von einem Gefäß durch eine kleine Meßöffnung in ein zweites Gefäß. In "beiden Gefäßen sind Elektroden angeordnet, die an einen elektrischen Meßkreis angeschlossen sind. Wenn ein Partikel durch die Meßöffnung tritt, erfährt der Stromkreis, in dem die beiden Elektroden liegen, eine Stromänderung, deren Größe ein Maß für das Volumen des durch die Meßöffnung tretehden Partikels ist. Da die Partikel schon vor dem Eintreten in die Meßöffnung sich in dem elektrischen Stromkreis befinden, werden sie von diesem registriert. Die Feldkon-'zentration ist in der Meßöffnung am größten, so daß beim Eintritt in die Meßöffnung die ausgelöste Stromänderung sprunghaft ansteigt. Da jedoch - wie erwähnt - das Partikel schon vor dem Eintreten in die Meßöffnung von dem Meßkreis erfaßt wird, drückt sich dieses in einem langsamen Anstieg der Stromänderung, vor der erwähnten sprunghaften Stromänderung aus.

Die Figur 1 veranschaulicht das sogenannte-Zero-cross-over- , Verfahren. In der. Figur 1 oben ist die Impulsform des verstärkten Detektorsignals, das von einem großen und von einem kleinen Partikel hervorgerufen wurde, dargestellt. In die- ; ser Figur wurde ferner die Lage einer unteren Schwelle eingezeichnet, die im wesentlichen die Aufgabe hat, alle

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diejenigen Impulssignale zu unterdrücken (Rauschen), die kleiner sind als der Abstand dieser Schwelle gegenüber der sogenannten Basislinie. Diese Basislinie kennzeichnet den Wert Amplitude = 0 des verstärkten Detektorimpulses. Das Ausgangssignal der unteren Schwelle, ein digitales Signal, ist unterhalt» der verstärkten Detektorimpulse dargestellt, und es zeigt sich, daß die Überschreitung der unteren Schwelle durch den Detektorimpuls von der unteren Schwelle angegeben wird.

Die weiteren dargestellten Signale in Fig. 1 werden für das sogenannte "Sample" und "Hold" der Analog-Digital-Wandlung benötigt. Die Analog-Digital-Umsetzung eines Analogwertes, der wie ein Impuls sich mit der Zeit in seiner Amplitude ändert, ist ja nur zu einem bestimmten Zeitpunkt sinnvoll. Dieser Zeitpunkt ist im vorliegenden Falle der Maximalwert der Amplitude, weil dieser Maximalwert proportional dem Volumen des Partikels ist. Da der Analog-Digital-Wandler für seine Umsetzung eine gewisse Zeit benötigt, in der der Analogwert unverändert zur Verfügung stehen muß, ist es erforderlich, diesen Maximalwert für die Dauer der Analog-Digital-Umsetzung festzuhalten. Das "Sample" kennzeichnet also den Zeitpunkt zu dem ein Amplitudenwert "bestimmt werden soll und das "Hold" ist notwendigem den Analogwert zu diesem Zeitpunkt für die Dauer der Analog-Digital-Umsetzung zu halten. Die Schaltung, die bei Angabe des Zeitpunktes

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den zugehörigen Amplitudenwert festhält, wird hier Impulsverlängerer genannt. Den Zeitpunkt des Impulsmaximums bestimmt man nun durch Bildung der ersten Differentiation an den Verlauf des Detektorimpulses. Das Resultat dieser Differentiation ergibt Null zum Zeitpunkt des Maximums und ist unterhalb des Ausgangssignals der unteren Schwelle dargestellt. Das Verfahren ist nach dieser Methode benannt, weil der Null-Durchgang (zero-cross-over) des differenzierten Detektorsignals zur Zeitbestimmung des Impulsmaximums benutzt wird. Der besondere Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß der Null-Durchgang, und damit der Zeitpunkt, sowohl von der Größe als auch von der Anstiegszeit der Detektorimpulse unabhängig ist. Das differenzierte Signal wird nun erheblich verstärkt, so daß eine steile negative Flanke zum Zeitpunkt des Null-Durchgangs, sowohl bei großen als auch bei kleinen Detektorimpulsen zur Verfügung steht. Diese negative Planke wird in einem schmalen Steuerimpuls (Trigger) umgewandelt, der den Impulsverlängerer startet. Die entsprechenden Impulsformen sind in Figur 1 untereinander dargestellt. Die starke Verstärkung des differenzierten üetektorsignals bringt die Anhebung des Rauschpegels mit sich. Um dieses Kauschen von der Erzeugung ungewollter Triggersignale auszuschließen, werden über eine elektronische Torschaltung nur diejenigen Triggersignale für die Ansteuerung des Iinpulsverlängerers durchgelassen, die während der Phase der Überschreitung der unteren Schwel]e entstehen.

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Figur 1 zeigt nun bereits die Schwierigkeiten, die bei der Verarbeitung von Detektorimpulsen mit einem schleppenden Anstieg entstehen. Stellt man die untere Schwelle so niedrig ein, daß auch Impulse von kleinen Partikeln gemessen werden können, so wird die untere Schwelle bereits in diesem schleppenden Anstieg eines Impulses von einem großen Partikel überschritten. Zu diesem Zeitpunkt ist jedoch der Differentialquotient des Detektorsignales noch so klein, daß der anschließende Verstärker noch nicht nennenswert ausgesteuert wird, d. h. noch nicht in die Begrenzung geht. Der Ausgang des Verstärkers zeigt, wie in Figur 1 dargestellt, nach Überschreitung der unteren Schwelle noch 'Rauschimpulse, die zur Auslösung unzulässiger Triggersignale für den Impulsverlängerer führen. Der Analog-Digital-Wandler wertet dann die Amplitude des schleppenden Anstiegs zu diesem Zeitpunkt aus. Das Resultat ist falsch und liegt etwa Lm Bereich der richtig ausgewerteten Impulse kleiner ParbL-kel. Die VoLumen-VerbeiLungskurve der kLeinen Par bike L wird durch diese i?ehlanal7/r>en überdeckt und falsch dargestellt.

IHo o. iIj₁VAIt L Loho Analog-Digital-Wandlung iat für die Darstellung (Um Erfindungögedunkens völlig nebensächlich. Es gibb die verschiedensten Verfahren für die Analog-Uigital-V/findlimg, die hi-er nicht im einzelnen zur Diskussion stehen. Bei der Impuls-Höhenanalyse wird üblicherweise der gehaltene Analogwert mit einer linear ansteigenden Vergleichsspannung

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OBlGtNAL

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verglichen, die Dauer zwischen dem Beginn dieser Vergleichsspannung und dem Erreichen des Analogwertes mit einer konstanten Taktfrequenz quantisiert und die Zahl dieser Taktimpulse digital gezählt. Der Zählerstand wird dann zur* Übergabe des Digitalwertes parallel, ausgegeben.

Die Figur 2 zeigt in groben Umrissen ein zweites Verfahren zur Impulsaufbereitung, das in der Kernspektroskopie häufig angewendet wird. Auch bei diesem Verfahren ist, wie beim: vorgenannten, eine untere Schwelle vorhanden, di^ überschritten werden muß. Der Triggerimpuls für den Beginn der Analog-Digital-Wandlung wird aus einer festen Verzögerung gegenüber der ersten Überschreitung der unteren Schwelle abgeleitet. Der Impulsverlängerer hält nun den jeweiligen höchsten Wert des verzögerten Detektorsignals bis die Analog-Digital-Wandlung abgeschlossen ist. Wenn der Triggerimpuls also irgendwann nach dem Überschreiten des Impulsmaximums des Detektorsignals gegeben wird-, ist die anschLießende Analog-Digital-Wandlung richtig. Der ImpulsverLängerer wird dann auf Null entladen und steht zur Speicherung des nächsten Impulsmaximums zur Verfugung. Bei diesem Verfahren ist es wichtig, die feste Verzögerung gegenüber der SohweL-lenüberschreitung nur so groß zu machen, daß die Analog-Digit al-Wandlung möglichst kurz nach ßr-reichen dtjs ImpuLs-maximums erfoLgt. flacht man diese Verzögerung Lv₁ unnötiggroß, so besteht die Wahrscheinlichkeit, daß ein zweites größeres l)otektorsip;naL »wischen dem Erreichen dea er^ct.t?in

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SAD ORIGINAL

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Maximums und dem Beginn der Analog-Digital-Wandlung eintrifft. In diesem Fall wird die richtige Auswertung des zweiten Signales, nicht aber die Auswertung des ersten Impulsmaximums vorgenommen. Das hat zur Folge, daß die großen Signale vorrangig behandelt werden und eine Verzerrung der tatsächlichen Impulshöhen-Verteilung entsteht. Üblicherweise ist bei Geräten, die dieses Verfahren benutzen, die Verzögerungszeit -fc-g, einstellbar und damit der jeweils vorliegenden Impulsform anzupassen.

Der lange schleppende Anstieg der Detektorimpulse', wie sie bei der erwähnten Partikel-Volumen-Analyse anfallen, macht jedoch auch bei diesem Verfahren erhebliche Schwierigkeiten. Stellt man'die untere Schwelle wieder so ein, daß auch kleine Impulse von kleinen Partikeln zur Auswertung kommen können, so rutscht, der Zeitpunkt der Überschreitung der unteren Schwelle zeitlich weit nach vorn und bedingt eine große Verzögerungszeit t-^, bei kleinen Impulsen jedoch ist das nicht der Fall. Die Analog-Digital-Wandlung dieser kleinen Impulse würde viel zu spät durchgeführt und die Wahrscheinlichkeit für das zwischenzeitliche Eintreffen eines großen Impulses nicht unbeträchtlich sein» Eine Verzerrung der Impuls-Hölienverteilung wäre die Folge. Eine Steuerung der Verzögerüügszeit in Abhängigkeit von der Impulsamplitude

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ist nicht möglieh, da man ja zum Zeitpunkt der Schwellüberschreitung noch nicht weiß, ob ein Detektorimpuls von einem großen oder von einem· kleinen Partikel folgt.

Beide zuvor beschriebenen Verfahren weisen also bei.der Verarbeitung von Impulsen mit einem schleppenden Anstieg erhebliche Mangel auf. Diese Mangel sind bisher nicht zu Tage getreten, weil die Detektorimpulse in der Kernstrahlungs-• spektroskopie keinen schleppenden Anstieg, sondern höchstens b einen schleppenden Abfall aufweisen, der bei diesen Verfahren nicht eingeht. . .

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die Impulshöhenbestimmung von Impulsen verschiedener, eine vorgegebene Mindestamplitude überschreitende Amplitude mit Hilfe eines Impulsverlängerers, der die Amplitude des Impulsmaximums zwischenspeichert, und anschließender Analog-Digital-Wandlung-anzugeben, das in der Lage ist,

' bei schleppendem Impulsanstieg ein gegenüber den bekannten Verfahren verbessertes Meßergebnis zu liefern. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß nach Feststellung eines Impulsmaximums der weitere Impulsverlauf über einen vorgegebenen Zeitraum beobachtet wird und daß die Auswertung oder Übergabe des Digitalwertes unterdrückt wird, wenn sich durch weiteres Ansteigen des Impulsverlaufs das registrierte "Maximum" nur als .ein rauschbedingtes Zwischen-

■ maximum erweist«. _; . .„ - ■

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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich an sich auch für die Auflösung steil, ohne schleppenden Anstieg ansteigender Impulse, jedoch ist es bevorzugt zur Impulshöhenbestimmung von Impulsen stark unterschiedlicher Amplitude, von denen die Impulse hoher Amplitude zumindest im unteren Teilbereich einen schleppenden Anstieg aufweisen, anwendbar. Die Länge der Beobachtungszeit des weiteren Impulsverlaufes nach Feststellung eines Impulsmaximums wird zweckmäßigerweise in der Größenordnung der Dauer zwischen Maximum und Wiedererreichen der Basislinie (Höhe der vorgegebenen Mindestamplitude) von Impulsen großer Amplitude gewählt. Auf diese Weise werden unnötig lange Beobachtungszeiten, die ja die Zählrate beeinflussen, vermieden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also zur Beseitigung der Mangel der vorgenannten Verfahren nach dem Zeitpunkt der ersten Schwellüberschreitung festgestellt, ob das betreffende Signal einem großen oder einem kleinen Impuls zuzuordnen ist. Dabei wird die Analog-Digital-Wandlung nach dem Zero-cross-over-Verfahren oder nach dem.Trigger-Verfahren mit fester Verzögerung kurz nach der ersten Schwellüberschreitung so durchgeführt, als wenn die Tatsache eines kleinen Impulses - wie er bei der erwähnten Partikel-Volumen-Analyse bei der Registrierung eines kleinen Partikels auftritt - vorlage. In einer getrennten Schaltung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zusätzlich festgestellt, ob der Verlauf des Detektorimpulses nach dem Auftreten eines Triggersignals, das du^c^e^ipgn^^ei^^cross-over ausgelöst

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WSPECTED

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wurde, über eine längere Zeit hin stetig ansteigt, oder kurz nach dem Überschreiten der Schwelle sein Maximum erreicht und wieder abfällt. Trifft das erstere zu, steigt also der Detektorimpuls weiterhin stetig an, so wird das bereits ermittelte Ergebnis aus der Analog-Digital-Wandlung verworfen und auf das Erscheinen des wirklichen Maximums gewartet. Es lag also im Detektor impuls nur ein Zwischenmaximum vor, das für die Auswertung unterdrückt wird. Fiel der Detektorimpuls kurz nach der Schwellüberschreitung wieder ab, so handelt es sich um ein kleines Partikel und das ermittelte Ergebnis der Änalog-Digital-Wandlüng wird ausgewertet.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind verschiedene Methoden denkbar. Betrachtet sei zunächst das „erwähnte Zero-cross-over-Verfahren. Zur näheren Erklärung wird wieder die Figur 1 herangezogen. Tritt eine fehlerhafte Triggerung durch das Rauschen im Bereich des schleppenden Anstiegs auf, so wird die fehlerhafte Analog-Digital-Wandlung zunächst eingeleitet. Während der Analog-Digital-Wandlung wird der Verlauf des Detektor impulses mit dem gehaltenen Analogwert, gemäß der Amplitude des Detektorimpulses zum Zeitpunkt des ersten falschen Trigger signals, verglichen. Ist das Detektorsignal zum Ende der Analog-Digital-Wandlung, oder zu einem noch späteren Zeitpunkt, jedoch bevor der Digitalwert übergeben wird, größer als der gehaltene Analogwert, so wird die Übergabe des Digitalwertes unterdrückt, d. h. diese Analyse verworfen. Man kann sich hierzu bevorzugt

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eines üblichen Kömparators bedienen, dem zum einen der in digitaler Form zu wandelnde Analogwert, also der abgetastete Wert, und zum anderen das Impulssignal eingegeben wird. Wenn das Impulssignal den abgetasteten Wert übersteigt, wird die Auswertung oder Übergabe des Digitalwertes unterdrückt. -,■■'■

Man kann auch prüfen, ob zu einer bestimmten Zeit nach dem Auftreten des. Triggers die untere Schwelle wieder unterschritten worden ist. Wählt man den zeitlichen" Abstand für diese Kontrolle so, daß im Falle einer ordnungsgemäßen Triggerung die schnelle Rückflanke des .Detektorimpulses die untere Schwelle mit Sicherheit wieder unterschritten hat, so kann das Ergebnis dieser Prüfung über die Übergabe des

im Beispiel nach J?%k. 1

Digitalwertes entscheiden. Ist""^ 20 /us nach dem Auftreten eines fehlerhaften (Triggers die untere Schwelle noch nicht wieder unterschritten, so wird der Digitalwert nicht übergeben..Bei der ordnungsgemäßen Triggerung auf dem Maximum eines Impulses würde der Detektorimpuls die Schwelle in diesem Zeitraum, unabhängig von der Größe des Detektorimpulses, wieder unterschritten haben, so daß die Übergabe des Digi-. talwertes berechtigt ist. Dieses Verfahren hat außerdem den Vorteil, daß,wenn ein\zweiter Detektorimpuls einem vorangegangenen dicht folgt, so daß der schleppende Anstieg des zweiten Impulses die Maximalamplitude des vorangegangenen um einen fehlerhaften Betrag erhöht, die untere Schwelle

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im gezeigten Beispiel z. B. 20 /us nach, dem richtigen Triggersignal zum Zeitpunkt des Maximums des ersten Detektorimpulses nicht unterschritten worden ist und damit die Übergabe des Digitalwertes aus der Analog-Digital-Wandlung des ersten Detektorimpuises verhindert wird.

Das Triggerverfahren mit fester Verzögerung, wie in Figur 2 dargestellt, eignet sich für Detektorimpulse mit schleppendem Anstieg weit weniger. Eine lange Verzögerungszeit t™ ^ bewirkt die Benachteiligung kleiner Detektorimpulse und -ist für die Messung der wahren Impulshöhenverteilung unzulässig.

Eine kurze Verzögerungszeit t-g,, die für kleine Detektorimpulse richtig wäre, würde die großen Detektorimpulse zu einem viel zu frühen Zeitpunkt falsch bewerten. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorschläge kann man zwar die Übergabe eines solch falschen Digitalwertes unterdrücken, die Auswertung des eigentlichen Impulsmaximums des großen Detektor- ^ impulses würde jedoch danach nicht mehr erfolgen können. Es sind aber Möglichkeiten denkbar, diesen Nachteil zu beseitigen, indem man z. B. jeweils auf eine Analog-Digital-Wandlung eine weitere Wandlung folgen läßt, bis die Bedingung für. den Abfall des Detektorimpulses nach dem Überschreiten des Impulsmaximums erfüllt ist und der Digitalwert übergeben wurde.

Es sind auch noch andere Triggerverfahren mit mehreren Gchwellen denkbar. Die Lösung des Problems führt jedoch

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jeweils auf den Grundgedanken, die einmal eingeleitete Analog-Digital-Wandlung durchzuführen, »jedoch ihre Auswertung von dem weiteren Verlauf des Detektorimpulses während, oder auch noch "nach der Analog-Digital-Wandlung", abhängig zu machen. Das "nach der Analog-Digital-Wandlung" bezieht sich auf eine Maßnahme, die notwendig sein kann, wenn die Dauer der Analog-Digital-Wandlung zu kurz ist, um den Verlauf des Detektorimpulses lang genug "beobachten zu können. In diesem Fall würde man auch grundsätzlich die Übergabe des Digitalwertes gegenüber dem Zeitpunkt des Abschlusses der Analog-Digital-Wandlung verzögern müssen, damit man in die Übergabe noch eingreifen kann. ·

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Claims

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9 1 R *■£'/ 9 P a t e η t a η s p r ü ehe

/ij Verfahren für die Impulshöhenbestimmung von Impulsen verschiedener, eine vorgegebene Mindest amplitude überschreitender Amplitude mit Hilfe eines Irapulsverlängerers, der die Amplitude des Impulsmaximums zwischenspeichert, und anschließender Analog-Digital-Wandlung, dadurch gekennzeichnet« daß nach Feststellung eines Impulsmaximums der weitere Impulsverlauf über einen vorgegebenen Zeitraum be- | obachtet wird und daß die Auswertung oder Übergabe des Digitalwertes unterdrückt wird, wenn sich durch weiteres Ansteigen der Impulsamplitude das registrierte Maximum nur als ein störsignalbedingtes Zwischenmaximum erweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Anwendung zur Impulshöhenbestimmung von Impulsen stark unterschiedlicher Amplitude, von denen die Impulse hoher

Amplitude zumindest im unteren Teilbereich einen, schleppenfc den Anstieg aufweisen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Beobachtungszeit nach Feststellung eines Im-. pulsmaximums maximal in der Größenordnung der Dauer zwischen Maximum und Wiedererreichen der Basislinie (Höhe der vorgegebenen Mindestamplitude) von Impulsen großer Amplitude gewählt ist.

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4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch geicennzeichiiel/, dall.

der in digitale Fora zu v/andelnde Analogv/er« eii;e.aj ■ ' ■. - Eomparator sings^eben wird» dessen .zweiten Sin^ang das 'Impulssignal .eingegeben wird und der die Auswertung oder Übergabe .des-Digitalwertes, unterdrückt, wenn die lapuls-' spannung die zu wandelnde. Spannung übersteist. . _; . .
5. Verfahren nach Anspruch 1y dadurch gelcennaeichnet, daß die Beobachtung der Impulsspannung nach Feststellung eines Impulsmaxiiaums in der Weise durchgeführt wird, daß über- . prüft wird, ob die- Impulsspannung innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums einen vorbestimmten Kindestpegel wieder unterschritten hat^ . · . ' ·

/NSPECTEO