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主講人:張建寰教授單位:機(jī)電工程學(xué)院測(cè)控技術(shù)研究所聯(lián)系方式:光電技術(shù)第七講上節(jié)內(nèi)容回憶1、光生伏特器件的組合件2、光電位置傳感器PSD工作原理、一維PSD、二維PSD3、光生伏特器件的偏置電路反向偏置、零伏偏置本節(jié)內(nèi)容預(yù)告1、光電倍增管的結(jié)構(gòu)和工作原理2、光電倍增管的特性3、光電倍增管的供電電路4、光電倍增管的應(yīng)用4.2.2光電倍增管組成及工作原理
光電倍增管(PhotomultiplierTube(PMT)是一種真空光電發(fā)射器件。光入射窗光電陰極電子光學(xué)系統(tǒng)倍增極陽極Aphotomultipliertube,usefulforlightdetectionofveryweaksignals,isaphotoemissivedeviceinwhichtheabsorptionofaphotonresultsintheemissionofanelectron.Thesedetectorsworkbyamplifyingtheelectronsgeneratedbyaphotocathodeexposedtoaphotonflux.Photomultipliersacquirelightthroughaglassorquartzwindowthatcoversaphotosensitivesurface,calledaphotocathode,whichthenreleaseselectronsthataremultipliedbyelectrodesknownasmetalchanneldynodes.Attheendofthedynodechainisananodeorcollectionelectrode.Overaverylargerange,thecurrentflowingfromtheanodetogroundisdirectlyproportionaltothephotoelectronfluxgeneratedbythephotocathode.工作原理:1.光子透過入射窗口入射在光電陰極上;2.光電陰極上的電子受光子激發(fā),離開外表發(fā)射到真空中;3.光電子通過電場(chǎng)加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增級(jí)上,倍增級(jí)將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子。入射電子經(jīng)N級(jí)倍增極倍增后,光電子就放大N次;4.經(jīng)過倍增后的二次電子由陽極收集,形成陽極光電流。1〕倍增極材料銻化銫〔CsSb〕材料具有很好的二次電子發(fā)射功能,它可以在較低的電壓下產(chǎn)生較高的發(fā)射系數(shù),電壓高于400V時(shí)的二次發(fā)射系數(shù)δ值可高達(dá)10倍。氧化的銀鎂合金材料也具有二次電子發(fā)射功能,它與銻化銫相比二次電子發(fā)射能力稍差些,但它可以工作在較強(qiáng)電流和較高的溫度〔150℃〕。1.PMT的入射窗2.倍增極4.2.3光電倍增管的結(jié)構(gòu)銅-鈹合金〔鈹?shù)暮繛?%〕材料也具有二次電子發(fā)射功能,不過它的發(fā)射系數(shù)δ比銀鎂合金更低些。新開展起來的負(fù)電子親和勢(shì)材料GaP[Cs],具有更高的二次電子發(fā)射功能,在電壓為1000V時(shí),倍增系數(shù)可大于50或高達(dá)200?!?〕
倍增極結(jié)構(gòu)光電倍增管按倍增極結(jié)構(gòu)可分為聚焦型與非聚焦型兩種。非聚焦型光電倍增管有百葉窗型〔圖4-4〔a〕〕與盒柵式〔圖4-4〔b〕〕兩種結(jié)構(gòu);聚焦型有瓦片靜電聚焦型〔圖4-4〔c〕〕和圓形鼠籠式〔圖4-4〔d〕〕兩種結(jié)構(gòu)。4.3光電倍增管的根本特性4.3.1靈敏度
1、陰極靈敏度
定義光電倍增管陰極電流Ik與入射光譜輻射通量之比為陰極的光譜靈敏度,并記為
假設(shè)入射輻射為白光,那么以陰極積分靈敏度,IK與光譜輻射通量的積分之比,記為SkGV+HVEA10-5~10-2lm
2、陽極靈敏度
定義光電倍增管陽極輸出電流Ia與入射光譜輻射通量之比為陽極的光譜靈敏度,并記為
假設(shè)入射輻射為白光,那么定義為陽極積分靈敏度,記為SaGV-HVEA10-10~10-6lm4.3.2電流放大倍數(shù)〔增益〕
電流放大倍數(shù)表征了光電倍增管的內(nèi)增益特性,它不但與倍增極材料的二次電子發(fā)射系數(shù)δ有關(guān),而且與光電倍增管的級(jí)數(shù)N有關(guān)。理想光電倍增管的增益G與電子發(fā)射系數(shù)δ的關(guān)系為
當(dāng)考慮到光電陰極發(fā)射出的電子被第1倍增極所收集,其收集系數(shù)為η1,且每個(gè)倍增極都存在收集系數(shù)ηi,因此,增益G應(yīng)修正為
對(duì)于非聚焦型光電倍增管,η1近似為90%。ηi要高于η1
,但小于1;
對(duì)于聚焦型的,尤其是在陰極與第1倍增極之間具有電子限束電極F的倍增管,其η1≈ηi≈1。倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)δ可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,對(duì)于銻化銫〔Cs3Sb〕倍增極材料有經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)于氧化的銀鎂合金〔AgMgO〕材料有經(jīng)驗(yàn)公式δ=0.025UDD對(duì)于銻化銫倍增極材料
對(duì)銀鎂合金材料
光電倍增管在電源電壓確定后,電流放大倍數(shù)可以從定義出發(fā),通過測(cè)量陽極電流Ia與陰極電流Ik確定。
4.3.3暗電流
光電倍增管在無輻射作用下的陽極輸出電流稱為暗電流,記為ID。光電倍增管的暗電流值在正常應(yīng)用的情況下是很小的,一般為~nA,是所有光電探測(cè)器件中暗電流最低的器件。
影響暗電流的主要因素:
1.歐姆漏電歐姆漏電主要指光電倍增管的電極之間玻璃漏電、管座漏電和灰塵漏電等。歐姆漏電通常比較穩(wěn)定,對(duì)噪聲的奉獻(xiàn)小。在低電壓工作時(shí),歐姆漏電成為暗電流的主要局部。2.熱發(fā)射由于光電陰極材料的光電發(fā)射閾值較低,容易產(chǎn)生熱電子發(fā)射,即使在室溫下也會(huì)有一定的熱電子發(fā)射,并被電子倍增系統(tǒng)倍增。
降低光電倍增管的溫度是減小熱發(fā)射暗電流的有效方法。
3.剩余氣體放電光電倍增管中高速運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)使管中的剩余氣體電離,產(chǎn)生正離子和光子,它們也將被倍增,形成暗電流。這種效應(yīng)在工作電壓高時(shí)特別嚴(yán)重,使倍增管工作不穩(wěn)定。4.場(chǎng)致發(fā)射光電倍增管的工作電壓高時(shí)還會(huì)引起管內(nèi)電極尖端或棱角的場(chǎng)強(qiáng)太高產(chǎn)生的場(chǎng)致發(fā)射暗電流。顯然降低工作電壓場(chǎng)致發(fā)射暗電流也將下降。
5.玻璃殼放電和玻璃熒光當(dāng)光電倍增管負(fù)高壓使用時(shí),金屬屏蔽層與玻璃殼之間的電場(chǎng)很強(qiáng),尤其是金屬屏蔽層與處于負(fù)高壓的陰極電場(chǎng)最強(qiáng)。在強(qiáng)電場(chǎng)下玻璃殼可能產(chǎn)生放電現(xiàn)象或出現(xiàn)玻璃熒光,放電和熒光都要引起暗電流,而且還將嚴(yán)重破壞信號(hào)。因此,在陰極為負(fù)高壓應(yīng)用時(shí)屏蔽殼與玻璃管壁之間的距離至少為10~20mm。
4.3.4噪聲
光電倍增管的噪聲主要由散粒噪聲和負(fù)載電阻的熱噪聲組成。負(fù)載電阻的熱噪聲為
散粒噪聲主要由陰極暗電流Id,背景輻射電流Ib以及信號(hào)電流Is的散粒效應(yīng)所引起的。陰極散粒噪聲電流為
散粒噪聲電流將被逐級(jí)放大,并在每一級(jí)都產(chǎn)生自身的散粒噪聲。如第1級(jí)輸出的散粒噪聲電流為
第2級(jí)輸出的散粒噪聲電流為
第n級(jí)倍增極輸出的散粒噪聲電流為
為簡(jiǎn)化問題,設(shè)各倍增極的發(fā)射系數(shù)都等于δ〔各倍增極的電壓相等時(shí)發(fā)射系數(shù)相差很小〕時(shí),那么倍增管末倍增極輸出的散粒噪聲電流為δ通常δ在3~6之間,接近于1,并且,δ越大,越接近于1。光電倍增管輸出的散粒噪聲電流簡(jiǎn)化為
總噪聲電流為
在設(shè)計(jì)光電倍增管電路時(shí),總是力圖使負(fù)載電阻的熱噪聲遠(yuǎn)小于散粒噪聲
<<設(shè)光電倍增管的增益G=104,陰極暗電流Idk=10-14A,在室溫300K情況下,只要陽極負(fù)載電阻Ra滿足
當(dāng)然,提高光電倍增管的增益〔增高電源電壓〕G,降低陰極暗電流Idk都會(huì)減少對(duì)陽極電阻Ra的要求,提高光電倍增管的時(shí)間響應(yīng)。4.3.5伏安特性
1.陰極伏安特性
當(dāng)入射光電倍增管陰極面上的光通量一定時(shí),陰極電流Ik與陰極和第一倍增極之間電壓(簡(jiǎn)稱為陰極電壓Uk)的關(guān)系曲線稱為陰極伏安特性,
圖4-6為不同光通量下測(cè)得的陰極伏安特性。從圖中可見,當(dāng)陰極電壓較小時(shí)陰極電流Ik隨Uk的增大而增加,直到Uk大于一定值(幾十伏特)后,陰極電流Ik才趨向飽和,且與入射光通量φ成線性關(guān)系。
2.陽極伏安特性
當(dāng)入射到光電倍增管陰極面上的光通量一定時(shí),陽極電流Ia與陽極和末級(jí)倍增極之間電壓(簡(jiǎn)稱為陽極電壓Ua)的關(guān)系曲線稱為陽極伏安特性,圖4-7為3組不同強(qiáng)度的光通量的伏安特性。
當(dāng)陽極電壓增大到一定程度后,被增大的電子流已經(jīng)能夠完全被陽極所收集,陽極電流Ia與入射到陰極面上的光通量φ成線性關(guān)系而與陽極電壓的變化無關(guān)。
4.3.6線性
光電倍增管的線性一般由它的陽極伏安特性表示,它是光電測(cè)量系統(tǒng)中的一個(gè)重要指標(biāo)。線性不僅與光電倍增管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān),還與供電電路及信號(hào)輸出電路等因素有關(guān)。
內(nèi)因,即空間電荷、光電陰極的電阻率、聚焦或收集效率等的變化,外因,光電倍增管輸出信號(hào)電流在負(fù)載電阻上的壓降對(duì)末級(jí)倍增極電壓產(chǎn)生負(fù)反響和電壓的再分配都可能破壞輸出信號(hào)的線性。4.3.7疲勞與衰老
光電陰極材料和倍增極材料中一般都含有銫金屬。當(dāng)電子束較強(qiáng)時(shí),電子束的碰撞會(huì)使倍增極和陰極板溫度升高,銫金屬蒸發(fā),影響陰極和倍增極的電子發(fā)射能力,使靈敏度下降。甚至使光電倍增管的靈敏度完全喪失。因此,必須限制入射的光通量使光電倍增管的輸出電流不得超過極限值IaM。為防止意外情況發(fā)生,應(yīng)對(duì)光電倍增管進(jìn)行過電流保護(hù),陽極電流一旦超過設(shè)定值便自動(dòng)關(guān)斷供電電源。
4.4光電倍增管的供電電路
4.4.1電阻鏈分壓型供電電路
光電倍增管具有極高的靈敏度和快速響應(yīng)等特點(diǎn),使它在光譜探測(cè)和極微弱快速光信息的探測(cè)等方面成為首選的光電探測(cè)器。
光電倍增管的供電電路種類很多,可以根據(jù)應(yīng)用的情況設(shè)計(jì)出各具特色的供電電路。本節(jié)介紹最常用的電阻分壓式供電電路。
如圖4-8所示為典型光電倍增管的電阻分壓式供電電路。電路由11個(gè)電阻構(gòu)成電阻鏈分壓器,分別向10級(jí)倍增極提供電壓UDD。1、電阻鏈的設(shè)計(jì)
考慮到光電倍增管各倍增極的電子倍增效應(yīng),各級(jí)的電子流按放大倍率分布,其中,陽極電流Ia最大。因此,電阻鏈分壓器中流過每級(jí)電阻的電流并不相等,但是,當(dāng)流過分壓電阻的電流IR遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Ia時(shí),即IR>>
Ia時(shí),流過各分壓電阻Ri的電流近似相等。工程上常設(shè)計(jì)IR大于等于10倍的Ia電流。
IR≥10Ia選擇的太大將使分壓電阻功率損耗加大,倍增管溫度升高導(dǎo)致性能的降低,以至于溫升太高而無法工作。
選定電流后,可以計(jì)算出電阻鏈分壓器的總阻值R
R=Ubb/IR各分壓電阻Ri
為而R1應(yīng)為R1=1.5Ri2、電源電壓
極間供電電壓UDD直接影響著二次電子發(fā)射系數(shù)δ,或管子的增益G。因此,根據(jù)增益G的要求可以設(shè)計(jì)出極間供電電壓UDD與電源電壓Ubb。
由可以計(jì)算出UDD與Ubb。3.末極的并聯(lián)電容
當(dāng)入射輻射信號(hào)為高速的迅變信號(hào)或脈沖時(shí),末3級(jí)倍增極電流變化會(huì)引起較大UDD的變化,引起光電倍增管增益的起伏,將破壞信息的變換。在末3極并聯(lián)3個(gè)電容C1、C2與C3,通過電容的充放電過程使末3級(jí)電壓穩(wěn)定。
電容C1、C2與C3的計(jì)算公式為
式中N為倍增極數(shù),Iam為陽極峰值電流,τ為脈沖的持續(xù)時(shí)間,UDD為極間電壓,L為增益穩(wěn)定度的百分?jǐn)?shù)。
4.4.3電源電壓的穩(wěn)定度
可得到光電倍增管的電流增益穩(wěn)定度與極間電壓穩(wěn)定度的關(guān)系
對(duì)銻化銫倍增極
由于光電倍增管的輸出信號(hào)Uo=GSkφvRL,因此,輸出信號(hào)的穩(wěn)定度與增益的穩(wěn)定度有關(guān)
對(duì)銀鎂合金倍增極
在實(shí)際應(yīng)用中常常對(duì)電源電壓穩(wěn)定度的要求簡(jiǎn)單地認(rèn)為高于輸出電壓穩(wěn)定度一個(gè)數(shù)量級(jí)。例如,當(dāng)要求輸出電壓穩(wěn)定度為1%時(shí),那么要求電源電壓穩(wěn)定度應(yīng)高于0.1%。例4-1設(shè)入射到PMT上的最大光通量為φv=12×10-6lm,當(dāng)采用GDB-235型倍增管為光電探測(cè)器,它的倍增級(jí)數(shù)為8級(jí),陰極為SbCs材料,倍增極也為SbCs材料,SK=40μA/lm,假設(shè)要求入射光通量在6×10-6lm時(shí)的輸出電壓幅度不低于0.2V,試設(shè)計(jì)該P(yáng)MT的變換電路。假設(shè)供電電壓的穩(wěn)定度只能做到0.01%,試問該P(yáng)MT變換電路輸出信號(hào)的穩(wěn)定度最高能到達(dá)多少?根據(jù)題目對(duì)輸出電壓幅度的要求和PMT的噪聲特性,可以選擇陽極電阻Ra=82kΩ(以Uo=GSkφvRL來估算),陽極電流應(yīng)不小于Iamin,因此解(1)首先計(jì)算供電電源的電壓
Iamin=UO/Ra=0.2V/82kΩ=2.439μA入射光通量為0.6×10-6lm時(shí)的陰極電流為
IK=SKφv=40×10-6×0.6×10-6=24×10-6μA此時(shí),PMT的增益G應(yīng)為SbCs倍增極材料的增益δ與極間電壓UDD有總電源電壓Ubb為
Ubb=〔N+1.5〕UDD=741VN=8,每一級(jí)的增益δ=4.227(2)計(jì)算偏置電路電阻鏈的阻值偏置電路采用如圖4-8所示的供電電路,設(shè)流過電阻鏈的電流為IRi,流過陽極電阻Ra的最大電流為Iam=GSKφvm=1.02×105×40×10-6×12×10-6=48.96μA取IRi≥10Iam,那么IRi=500μA因此,電阻鏈的阻值Ri=UDD/IRi=156kΩ取Ri=120kΩ,R1=1.5Ri=180kΩ。(3)輸出信號(hào)電壓的穩(wěn)定度最高為
例4-2如果GDB-235的陽極最大輸出電流為2mA,試問陰極面上的入射光通量不能超過多少lm?解由于Iam=GSKφVm
故陰極面上的入射光通量不能超過
運(yùn)算放大器輸出PMTVRfCf輸出的電壓4-5光電倍增管的應(yīng)用一、光譜學(xué)
-----利用光吸收原理
1.紫外/可見/近紅外分光光度計(jì)
光通過物質(zhì)時(shí)使物質(zhì)的電子狀態(tài)發(fā)生變化,而失去局部能量,稱為吸收。利用吸收進(jìn)行定量分析。為確定樣品物質(zhì)的量,采用連續(xù)的光譜對(duì)物質(zhì)進(jìn)行掃描,并利用光電倍增管檢測(cè)光通過被測(cè)物質(zhì)前后的強(qiáng)度,即可得到被測(cè)物質(zhì)吸收程度,計(jì)算出物質(zhì)的量。2.原子吸收分光光度計(jì)
廣泛地應(yīng)用于微量金屬元素的分析。對(duì)應(yīng)于分析的各種元素,需要專用的元素?zé)?,照射燃燒并霧化別離成原子狀態(tài)到被測(cè)物質(zhì)上,用光電倍增管檢測(cè)光被吸收的強(qiáng)度,并與預(yù)先得到的標(biāo)準(zhǔn)樣品比較。二、利用發(fā)光原理1.發(fā)光分光光度計(jì)
樣品接受外部照射光的能量會(huì)產(chǎn)生發(fā)光,利用單色器將這種光的特征光譜線顯示出來,用光電倍增管探測(cè)出特征光譜線是否存在及其強(qiáng)度。這種方法可以迅速地定性或定量地檢查出樣品中的元素。
2.熒光分光光度計(jì)
熒光分光光度計(jì)依據(jù)生物化學(xué),特別是分子生物學(xué)原理。物質(zhì)受到光照射,發(fā)射長(zhǎng)波的發(fā)光,這種光稱為熒光。用光電倍增管檢測(cè)熒光的強(qiáng)度及光譜特性,可以定性或定量地分析樣品成份。
3.拉曼分光光度計(jì)
用單色光照射物質(zhì)后被散亂,這種散亂光中,只有物質(zhì)特有量的不同波長(zhǎng)光混合在里面。這種散亂光〔拉曼光〕進(jìn)行分光測(cè)定,對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性定量的分析。由于拉曼發(fā)光極其微弱,因此檢測(cè)工作需要復(fù)雜的光路系統(tǒng),并且采用單光子計(jì)數(shù)法。三、質(zhì)量光譜學(xué)與固體外表分析固體外表分析
固體外表的成分和結(jié)構(gòu),可以用極細(xì)的電子、離子、光或X射線的束流,入射到物質(zhì)外表,對(duì)外表發(fā)出的電子、離子、X射線等進(jìn)行測(cè)定來分析。這種技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)領(lǐng)域被用于半導(dǎo)體的檢查中,如缺陷、外表分析、吸附等。電子、離子、X射線一般采用電子倍增器或MCP來測(cè)定。四、環(huán)境監(jiān)測(cè)
塵埃粒子計(jì)數(shù)器
塵埃粒子計(jì)數(shù)器檢測(cè)大氣或室內(nèi)環(huán)境中懸浮的粉塵或粒子的密度。它利用了塵埃粒子對(duì)光的散亂或β射線的吸收原理。
濁度計(jì)
當(dāng)液體中有懸浮粒子時(shí),入射光會(huì)粒子被吸收、折射。對(duì)人的眼睛來看是模糊的,而濁度計(jì)正是利用了光的透過折射和散射原理,并用數(shù)據(jù)來表示的裝置。
五、生物技術(shù)
細(xì)胞分類
細(xì)胞分類儀是利用熒光物質(zhì)對(duì)細(xì)胞標(biāo)定后,用激光照射,細(xì)胞的熒光、散亂光用光電倍增管進(jìn)行觀察,對(duì)特定的細(xì)胞進(jìn)行選別的裝置
熒光計(jì)
細(xì)胞分類的最終目的是別離細(xì)胞,為此,有一種用于對(duì)細(xì)胞、化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行解析的裝置,它稱為熒光計(jì)。它對(duì)細(xì)胞、染色體發(fā)出的熒光、散亂光的熒光光譜、量子效率、偏光、壽命等進(jìn)行測(cè)定。六、醫(yī)療應(yīng)用
γ相機(jī)
將放射性同位素標(biāo)定試劑注入病人體內(nèi),通過γ相機(jī)可以得到斷層圖象,來判別病灶。從閃爍掃描器開始,經(jīng)逐步改進(jìn),γ相機(jī)的性能得到快速的開展。光電倍增管通過光導(dǎo)和大面積NaI〔Tl〕組合成探測(cè)器正電子CT
放射線同位素〔C11、O15、N18、F18等〕標(biāo)識(shí)的試劑投入病人體內(nèi),發(fā)射出的正電子同體內(nèi)結(jié)合時(shí),放出淬滅γ線,用光電倍增管進(jìn)行計(jì)數(shù),用計(jì)算機(jī)作成體內(nèi)正電子同位素分布的斷層畫面,這種裝置稱為正電子CT。液體閃爍計(jì)數(shù)
液體閃爍計(jì)數(shù)應(yīng)用于年代分析和生物化學(xué)等領(lǐng)域。將含有放射性同位素物質(zhì)溶于有機(jī)閃爍體內(nèi),并置于兩個(gè)光電倍增管之間,兩個(gè)光電倍增管同時(shí)檢測(cè)有機(jī)閃爍體的發(fā)光。
臨床檢查
通過對(duì)血液、尿液中微量的胰島素、激素、殘留藥物及病毒等對(duì)于抗原、抗體的作用特性,進(jìn)行臨床身體檢查、診斷治療效果等。光電倍增管對(duì)被同位素、酶、熒光、化學(xué)發(fā)光、生物發(fā)光物質(zhì)等標(biāo)識(shí)的抗原體的量進(jìn)行化學(xué)測(cè)定。
七、射線測(cè)定
區(qū)域檢測(cè)儀
可以連續(xù)地檢測(cè)環(huán)境輻射水平。它采用光電倍增管與閃爍體組合的方式,完成對(duì)低水平的α射線和γ射線的檢測(cè)。
射線測(cè)量?jī)x
射線測(cè)量?jī)x采用光電倍增管與閃爍體組合的方式完成對(duì)低水平的γ射線和β射線的檢測(cè)。
八、資源調(diào)查
石油測(cè)井應(yīng)用
石油測(cè)井中用以確定石油沉積位置以及儲(chǔ)量等。內(nèi)藏放射源、光電倍增管和閃爍體的探頭進(jìn)入井中,分析放射源被散射的以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)中的自然射線,判斷油井周圍的地層類型及密度九、工業(yè)計(jì)測(cè)厚度計(jì)
工業(yè)生產(chǎn)中的諸如紙張、塑料、鋼材等的厚度檢測(cè),可以通過包括放射源、光電倍增管和閃爍體的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于低密度物質(zhì),比方橡膠、塑料、紙張等,采用β射線源;諸如鋼板等的高密度物質(zhì)那么使用γ射線?!苍陔婂?、蒸發(fā)控制等處,鍍膜的厚度可使用X射線熒光光度計(jì)〕半導(dǎo)體檢查系統(tǒng)
廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體芯片的缺陷檢查、掩膜錯(cuò)
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