JP3375089B2 - 電子スピン共鳴用薄板空胴共振器 - Google Patents
電子スピン共鳴用薄板空胴共振器Info
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- JP3375089B2 JP3375089B2 JP14785792A JP14785792A JP3375089B2 JP 3375089 B2 JP3375089 B2 JP 3375089B2 JP 14785792 A JP14785792 A JP 14785792A JP 14785792 A JP14785792 A JP 14785792A JP 3375089 B2 JP3375089 B2 JP 3375089B2
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- Japan
- Prior art keywords
- cavity resonator
- spin resonance
- electron spin
- modulation
- magnetic field
- Prior art date
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
- G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
- G01R33/32—Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals
- G01R33/34—Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR
- G01R33/345—Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR of waveguide type
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- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は電子スピン共鳴装置に
用いる空胴共振器に係り、特に電子スピン共鳴信号を高
感度に測定することができる電子スピン共鳴用薄板空胴
共振器に関する。
用いる空胴共振器に係り、特に電子スピン共鳴信号を高
感度に測定することができる電子スピン共鳴用薄板空胴
共振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、電子スピン共鳴装置においては、
検出感度を向上するため分極静磁界Ｂに周波数ωｍの変
調磁界を重畳し、共鳴時に現れる周波数ωｍの信号成分
のみを増幅・検出する方法が汎用されている。この際、
マイクロ波検波器を含む信号増幅器に多く分布する低周
波雑音を避けるためには、変調周波数ωｍはマイクロ波
空胴共振器の応答する範囲内でできるだけ高周波である
ことが望ましいことから、一般に変調周波数ωｍとして
１００ｋＨｚ程度が広く採用されている。この変調磁界
は空胴共振器内または空胴共振器外に配置された変調コ
イルに高周波電流を流すことによって発生され、前者を
（１）内部変調方式、後者を（２）外部変調方式と称し
て区別している。
検出感度を向上するため分極静磁界Ｂに周波数ωｍの変
調磁界を重畳し、共鳴時に現れる周波数ωｍの信号成分
のみを増幅・検出する方法が汎用されている。この際、
マイクロ波検波器を含む信号増幅器に多く分布する低周
波雑音を避けるためには、変調周波数ωｍはマイクロ波
空胴共振器の応答する範囲内でできるだけ高周波である
ことが望ましいことから、一般に変調周波数ωｍとして
１００ｋＨｚ程度が広く採用されている。この変調磁界
は空胴共振器内または空胴共振器外に配置された変調コ
イルに高周波電流を流すことによって発生され、前者を
（１）内部変調方式、後者を（２）外部変調方式と称し
て区別している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た１００ｋＨｚ変調を採用している（１）内部変調方式
には次のような問題点がある。すなわち、空胴共振器
内部に設けられた変調コイルのために共振空胴のＱが低
下すること、このＱの低下を極力抑えるため内部コイ
ルは効率の良い巻数・形状が制約されて実用化されてい
る巻数は僅か１〜２ターンしかないので過大な変調電流
を供給しなければならないこと、コイルが共振空胴内
壁を貫通するためマイクロ波の漏洩を生じるので細心な
操作が要求されること、および貫通部には過大な変調
電流によるコイルの温度上昇のためしばしば緩みを生じ
ること、等々の問題点である。
た１００ｋＨｚ変調を採用している（１）内部変調方式
には次のような問題点がある。すなわち、空胴共振器
内部に設けられた変調コイルのために共振空胴のＱが低
下すること、このＱの低下を極力抑えるため内部コイ
ルは効率の良い巻数・形状が制約されて実用化されてい
る巻数は僅か１〜２ターンしかないので過大な変調電流
を供給しなければならないこと、コイルが共振空胴内
壁を貫通するためマイクロ波の漏洩を生じるので細心な
操作が要求されること、および貫通部には過大な変調
電流によるコイルの温度上昇のためしばしば緩みを生じ
ること、等々の問題点である。
【０００４】また、（２）外部変調方式の場合には、変
調磁界が空胴共振器側壁を貫通するため、側壁に変調磁
界を妨げる方向に渦電流が発生し、以下の問題点があ
る。
調磁界が空胴共振器側壁を貫通するため、側壁に変調磁
界を妨げる方向に渦電流が発生し、以下の問題点があ
る。
【０００５】変調磁界の空胴共振器内部への透過が著
しく減少するという問題点。例えば、ＴＥ１０２直六面
体空胴共振器において側壁厚みを約１．２ｍｍとすれ
ば、空胴共振器外部で発生された１００ｋＨｚ変調磁界
は空胴共振器内部では１０−４以下にまで減衰してしま
う。このため、必要な変調強度を殆ど得ることができず
検出感度向上の制約となる。従って、過大な変調磁界を
空胴共振器外で発生させなければならないという問題点
も発生する。
しく減少するという問題点。例えば、ＴＥ１０２直六面
体空胴共振器において側壁厚みを約１．２ｍｍとすれ
ば、空胴共振器外部で発生された１００ｋＨｚ変調磁界
は空胴共振器内部では１０−４以下にまで減衰してしま
う。このため、必要な変調強度を殆ど得ることができず
検出感度向上の制約となる。従って、過大な変調磁界を
空胴共振器外で発生させなければならないという問題点
も発生する。
【０００６】空胴の振動に基因する雑音が生じるとい
う問題点。これは、磁場変調のための高周波磁場が空胴
共振器側壁を透過するとき側壁に渦電流が発生し、この
渦電流が印加静磁場と干渉し、空胴共振器に振動を惹起
するためである。この振動周波数は磁場変調周波数と等
しいため、感度に大きな影響を及ぼす。
う問題点。これは、磁場変調のための高周波磁場が空胴
共振器側壁を透過するとき側壁に渦電流が発生し、この
渦電流が印加静磁場と干渉し、空胴共振器に振動を惹起
するためである。この振動周波数は磁場変調周波数と等
しいため、感度に大きな影響を及ぼす。
【０００７】変調周波数を低くするために発生する感
度低下の問題点。上記およびのために、現用の外部
変調方式では、殆ど変調周波数を１０〜３００Ｈｚ程度
に下げ、表皮効果の厚みを空胴共振器の側壁と同程度に
して、空胴共振器側壁における変調磁界の減衰を避けて
いる。しかしながら、この場合には、信号増幅器の低周
波雑音による感度の低下が避けられなくなるという問題
点があった。
度低下の問題点。上記およびのために、現用の外部
変調方式では、殆ど変調周波数を１０〜３００Ｈｚ程度
に下げ、表皮効果の厚みを空胴共振器の側壁と同程度に
して、空胴共振器側壁における変調磁界の減衰を避けて
いる。しかしながら、この場合には、信号増幅器の低周
波雑音による感度の低下が避けられなくなるという問題
点があった。
【０００８】そこで、本発明の目的は、過大な変調電流
を必要としない点で内部変調方式よりも有利な外部変調
方式を採りあげ、変調磁界の空胴共振器内部への透過減
衰量を小さくでき、しかも空胴共振器の不要な振動を誘
起させずに高感度の電子スピン共鳴の測定を行うことが
できる外部変調方式に適した電子スピン共鳴用薄板空胴
共振器を提供するにある。
を必要としない点で内部変調方式よりも有利な外部変調
方式を採りあげ、変調磁界の空胴共振器内部への透過減
衰量を小さくでき、しかも空胴共振器の不要な振動を誘
起させずに高感度の電子スピン共鳴の測定を行うことが
できる外部変調方式に適した電子スピン共鳴用薄板空胴
共振器を提供するにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】先の目的を達成するため
に、本発明に係る電子スピン共鳴用薄板空胴共振器は、
一端が導体により閉じられると共に、他端に導波管との
接続のためのフランジを有する直六面体空胴共振器にお
いて、磁界と直交するよう配置された一対の側壁面の金
属部分の一部を高周波変調磁界の表皮効果の厚さ程度に
溝状に薄く構成することを特徴とする。
に、本発明に係る電子スピン共鳴用薄板空胴共振器は、
一端が導体により閉じられると共に、他端に導波管との
接続のためのフランジを有する直六面体空胴共振器にお
いて、磁界と直交するよう配置された一対の側壁面の金
属部分の一部を高周波変調磁界の表皮効果の厚さ程度に
溝状に薄く構成することを特徴とする。
【００１０】
【００１１】この場合、前者の両側壁は、金属からな
り、前記側壁面の金属部分の一部の厚さは３０〜１００
μｍとすれば好適である。
り、前記側壁面の金属部分の一部の厚さは３０〜１００
μｍとすれば好適である。
【００１２】
【作用】本発明に係る電子スピン共鳴用薄板空胴共振器
によれば、空胴共振器の磁界と直交するよう配置される
側壁面を変調周波数の前記表皮効果の厚み程度の厚さに
薄くした金属板で構成するか、あるいは前記表皮効果の
厚みよりも十分に薄い金属箔と補強用絶縁材料板を重ね
合わせた合板を用いた構成とすることにより、外部変調
方式でも高周波変調磁界は殆ど減衰することなく空胴共
振器内の試料に印加することができる。
によれば、空胴共振器の磁界と直交するよう配置される
側壁面を変調周波数の前記表皮効果の厚み程度の厚さに
薄くした金属板で構成するか、あるいは前記表皮効果の
厚みよりも十分に薄い金属箔と補強用絶縁材料板を重ね
合わせた合板を用いた構成とすることにより、外部変調
方式でも高周波変調磁界は殆ど減衰することなく空胴共
振器内の試料に印加することができる。
【００１３】
【実施例】次に本発明に係る電子スピン共鳴用薄板空胴
共振器の実施例につき、添付図面を参照しながら以下詳
細に説明する。
共振器の実施例につき、添付図面を参照しながら以下詳
細に説明する。
【００１４】図１は本発明の一実施例を示す電子スピン
共鳴用薄板空胴共振器の外観斜視図であり、Ｘバンド直
六面体ＴＥ１０２モードの例である。図１において、参
照符号１０は空胴共振器を示し、空胴共振器１０の空胴
長さＬはマイクロ波の管内波長に等しく選ばれ、空胴共
振器１０の一端は銅板１２をハンダ付けまたはロー付け
によって閉じられている。空胴共振器１０の他端は、結
合孔１４を有する導板１６と図示しないマイクロ波回路
に接続される導波管１８とを接続するためにフランジ部
２０を備えている。導板１６に設けられた結合孔１４
は、測定条件に適した反射係数となるよう選ばれてい
る。また、空胴共振器１０には他の電子スピン共鳴装置
と同様に、空胴共振器１０のＨ面を貫いて測定試料管を
挿入するための挿入孔２２，２２が設けられている。
共鳴用薄板空胴共振器の外観斜視図であり、Ｘバンド直
六面体ＴＥ１０２モードの例である。図１において、参
照符号１０は空胴共振器を示し、空胴共振器１０の空胴
長さＬはマイクロ波の管内波長に等しく選ばれ、空胴共
振器１０の一端は銅板１２をハンダ付けまたはロー付け
によって閉じられている。空胴共振器１０の他端は、結
合孔１４を有する導板１６と図示しないマイクロ波回路
に接続される導波管１８とを接続するためにフランジ部
２０を備えている。導板１６に設けられた結合孔１４
は、測定条件に適した反射係数となるよう選ばれてい
る。また、空胴共振器１０には他の電子スピン共鳴装置
と同様に、空胴共振器１０のＨ面を貫いて測定試料管を
挿入するための挿入孔２２，２２が設けられている。
【００１５】この実施例の特徴は、空胴共振器１０の両
側面の空胴側壁（Ｅ面）に溝部２４，２６を設けている
ことである。この溝部２４，２６には、図示しない磁界
変調コイルが埋め込まれる。このとき、コイル幅Ｗは空
胴共振器１０内の測定試料に印加される変調磁界の一様
性を損なわないよう、Ｈ面幅にほぼ等しく選ばれる。
側面の空胴側壁（Ｅ面）に溝部２４，２６を設けている
ことである。この溝部２４，２６には、図示しない磁界
変調コイルが埋め込まれる。このとき、コイル幅Ｗは空
胴共振器１０内の測定試料に印加される変調磁界の一様
性を損なわないよう、Ｈ面幅にほぼ等しく選ばれる。
【００１６】溝部２４，２６の空胴側壁の厚みｔ１は、
変調周波数の表皮効果の厚み程度かまたは幾分薄く側壁
を残して刻まれる。表皮効果の厚みは空胴共振器１０の
材質に依存するので、溝部２４，２６の空胴側壁の厚み
ｔ１は、例えば銅の場合、３０〜１００μｍもあれば良
い。尚、この程度の加工は現在では、機械加工でも電解
研磨等でも十分に可能な加工レベルである。加工後の強
度も導波管枠組みの中で刻まれたこの程度の寸法の溝部
２４，２６は実用上支障はないし、溝部２４，２６には
図示しない変調コイル・ユニットが固定されるので強度
的にも補強され問題はない。
変調周波数の表皮効果の厚み程度かまたは幾分薄く側壁
を残して刻まれる。表皮効果の厚みは空胴共振器１０の
材質に依存するので、溝部２４，２６の空胴側壁の厚み
ｔ１は、例えば銅の場合、３０〜１００μｍもあれば良
い。尚、この程度の加工は現在では、機械加工でも電解
研磨等でも十分に可能な加工レベルである。加工後の強
度も導波管枠組みの中で刻まれたこの程度の寸法の溝部
２４，２６は実用上支障はないし、溝部２４，２６には
図示しない変調コイル・ユニットが固定されるので強度
的にも補強され問題はない。
【００１７】このように構成された、例えば銅素材でｔ
１が３０〜１００μｍ厚みの溝部２４，２６を有する空
胴共振器１０を用いると、外部変調方式でも側壁を透過
する変調磁界の透過率は５３〜２８％であり、実用上支
障のない程度に変調磁界の減衰が抑えられる。
１が３０〜１００μｍ厚みの溝部２４，２６を有する空
胴共振器１０を用いると、外部変調方式でも側壁を透過
する変調磁界の透過率は５３〜２８％であり、実用上支
障のない程度に変調磁界の減衰が抑えられる。
【００１８】
【００１９】図２は、本発明に係る電子スピン共鳴用薄
板空胴共振器の別の実施例を示す外観斜視図であり、Ｘ
バンド直六面体ＴＥ１０２モードの例である。なお、空
胴下側板３２は説明の便宜上外して示してある。この空
胴共振器３０の材質は最近多用されるプリント回路基板
用又はマイクロ波集積回路用セラミック基板であり、セ
ラミック基板上に形成された薄い導体箔３４を空胴共振
器３０の内壁とするよう構成されている。空胴下側板３
２に示すように、厚さＴのセラミック基板上に厚みｔ２
の導体箔３４を形成する。空胴下側板３２および対向す
る空胴上側板３６には、それぞれ対向する位置に試料管
挿入用の挿入孔３８，３８が設けられ、空胴共振器３０
の空胴長さＬはマイクロ波の管内波長に等しく選ばれ、
空胴共振器３０の一端は銅板または導体箔３４を形成し
たセラミック基板４０によって閉じられている。空胴共
振器３０の他端は、結合孔４４を有する導板４６と図示
しないマイクロ波回路に接続される導波管１８とを接続
するためにフランジ部４２を備えている。この場合も、
前記実施例同様に導板４６に設けられた結合孔４４は測
定条件に適した反射係数となるよう選ばれる。尚、空胴
下側板３２の端面４８が金メッキ処理されており、空胴
共振器３０の内壁も、導電率を高め、発錆によるＱの低
下を防止するため同様に金メッキ処理が施されている。
板空胴共振器の別の実施例を示す外観斜視図であり、Ｘ
バンド直六面体ＴＥ１０２モードの例である。なお、空
胴下側板３２は説明の便宜上外して示してある。この空
胴共振器３０の材質は最近多用されるプリント回路基板
用又はマイクロ波集積回路用セラミック基板であり、セ
ラミック基板上に形成された薄い導体箔３４を空胴共振
器３０の内壁とするよう構成されている。空胴下側板３
２に示すように、厚さＴのセラミック基板上に厚みｔ２
の導体箔３４を形成する。空胴下側板３２および対向す
る空胴上側板３６には、それぞれ対向する位置に試料管
挿入用の挿入孔３８，３８が設けられ、空胴共振器３０
の空胴長さＬはマイクロ波の管内波長に等しく選ばれ、
空胴共振器３０の一端は銅板または導体箔３４を形成し
たセラミック基板４０によって閉じられている。空胴共
振器３０の他端は、結合孔４４を有する導板４６と図示
しないマイクロ波回路に接続される導波管１８とを接続
するためにフランジ部４２を備えている。この場合も、
前記実施例同様に導板４６に設けられた結合孔４４は測
定条件に適した反射係数となるよう選ばれる。尚、空胴
下側板３２の端面４８が金メッキ処理されており、空胴
共振器３０の内壁も、導電率を高め、発錆によるＱの低
下を防止するため同様に金メッキ処理が施されている。
【００２０】このように構成される電子スピン共鳴用薄
板空胴共振器３０に、例えば、厚さＴが１．２ｍｍのプ
リント基板用セラミック基板を用い、導体箔３４の厚み
ｔ２として３０μｍの銅箔を形成した場合で変調磁界は
６８％の透過率が得られ、マイクロ波用セラミック基板
を用い導体箔３４の厚みｔ２が３〜２０μｍの場合で変
調磁界は殆ど減衰することなく空胴共振器３０内の試料
に印加することができる。これらのセラミック基板によ
り、直六面体空胴共振器３０を構成することは容易であ
り、市販素材を用いて低価格、高性能の電子スピン共鳴
用薄板空胴共振器を作ることができる。
板空胴共振器３０に、例えば、厚さＴが１．２ｍｍのプ
リント基板用セラミック基板を用い、導体箔３４の厚み
ｔ２として３０μｍの銅箔を形成した場合で変調磁界は
６８％の透過率が得られ、マイクロ波用セラミック基板
を用い導体箔３４の厚みｔ２が３〜２０μｍの場合で変
調磁界は殆ど減衰することなく空胴共振器３０内の試料
に印加することができる。これらのセラミック基板によ
り、直六面体空胴共振器３０を構成することは容易であ
り、市販素材を用いて低価格、高性能の電子スピン共鳴
用薄板空胴共振器を作ることができる。
【００２１】
【発明の効果】前述した実施例から明らかなように、本
発明に係る電子スピン共鳴用薄板空胴共振器によれば、
外部変調方式でも適切な高周波電流出力により、有効な
磁場変調を測定試料に印加することができる。このた
め、過大な出力増幅器を使用することなく、また空胴共
振器に不要な振動を誘起することなく、高感度の電子ス
ピン共鳴の測定を行うことができる。
発明に係る電子スピン共鳴用薄板空胴共振器によれば、
外部変調方式でも適切な高周波電流出力により、有効な
磁場変調を測定試料に印加することができる。このた
め、過大な出力増幅器を使用することなく、また空胴共
振器に不要な振動を誘起することなく、高感度の電子ス
ピン共鳴の測定を行うことができる。
【００２２】以上、本発明の好適な実施例について説明
したが、本発明は前記実施例に限定されることなく、本
発明の精神を逸脱しない範囲内において種々の設計変更
をなし得ることは勿論である。
したが、本発明は前記実施例に限定されることなく、本
発明の精神を逸脱しない範囲内において種々の設計変更
をなし得ることは勿論である。
【図１】本発明に係る電子スピン共鳴用薄板空胴共振器
の一実施例を示す外観斜視図であり、Ｘバンド直六面体
ＴＥ１０２モードの例である。
の一実施例を示す外観斜視図であり、Ｘバンド直六面体
ＴＥ１０２モードの例である。
【図２】本発明に係る電子スピン共鳴用薄板空胴共振器
の別の実施例を示す外観斜視図であり、Ｘバンド直六面
体ＴＥ１０２モードの例である。
の別の実施例を示す外観斜視図であり、Ｘバンド直六面
体ＴＥ１０２モードの例である。
１０ 空胴共振器 １２ 銅板
１４ 結合孔 １６ 導板
１８ 導波管 ２０ フランジ
部 ２２ 挿入孔 ２４ 溝部 ２６ 溝部 ３０ 空胴共振
器 ３２ 空胴下側板 ３４ 導体箔 ３６ 空胴上側板 ３８ 挿入孔 ４０ セラミック基板 ４２ フランジ
部 ４４ 結合孔 ４６ 導板 ４８ 端面
部 ２２ 挿入孔 ２４ 溝部 ２６ 溝部 ３０ 空胴共振
器 ３２ 空胴下側板 ３４ 導体箔 ３６ 空胴上側板 ３８ 挿入孔 ４０ セラミック基板 ４２ フランジ
部 ４４ 結合孔 ４６ 導板 ４８ 端面
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 中川 和雄
東京都渋谷区恵比寿３丁目43番２号 日
機装株式会社内
(72)発明者 常田 誠
東京都渋谷区恵比寿３丁目43番２号 日
機装株式会社内
(72)発明者 糠信 敦司
東京都渋谷区恵比寿３丁目43番２号 日
機装株式会社内
(56)参考文献 実開 昭52−116139（ＪＰ，Ｕ)
アルガー著、「電子スピン共鳴」、第
１刷、吉岡書店、1973年４月、ｐ．142
−147
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01N 24/00 - 24/14
G01R 33/20 - 33/64
ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (2)
- 【請求項１】 一端が導体により閉じられると共に、他
端に導波管との接続のためのフランジを有する直六面体
空胴共振器において、磁界と直交するよう配置された一
対の側壁面の金属部分の一部を高周波変調磁界の表皮効
果の厚さ程度に溝状に薄く構成することを特徴とする電
子スピン共鳴用薄板空胴共振器。 - 【請求項２】 側壁面の金属部分の一部の厚さは３０〜
１００μｍである請求項１記載の電子スピン共鳴用薄板
空胴共振器。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14785792A JP3375089B2 (ja) | 1992-06-09 | 1992-06-09 | 電子スピン共鳴用薄板空胴共振器 |
| KR1019930010132A KR100302225B1 (ko) | 1992-06-09 | 1993-06-04 | 전자스핀공명용박판공동공진기 |
| DE69318068T DE69318068T2 (de) | 1992-06-09 | 1993-06-08 | Hohlraumresonator für eine Elektronenspinresonanz-Vorrichtung |
| EP93109213A EP0574813B1 (en) | 1992-06-09 | 1993-06-08 | Cavity resonator for an electron spin resonance device |
| US08/447,928 US5596276A (en) | 1992-06-09 | 1995-05-23 | Cavity resonator for an electron spin resonator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14785792A JP3375089B2 (ja) | 1992-06-09 | 1992-06-09 | 電子スピン共鳴用薄板空胴共振器 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002119250A Division JP2002357649A (ja) | 2002-04-22 | 2002-04-22 | 電子スピン共鳴用薄板空胴共振器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05341027A JPH05341027A (ja) | 1993-12-24 |
| JP3375089B2 true JP3375089B2 (ja) | 2003-02-10 |
Family
ID=15439828
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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