DE919303C - Kristallgleichrichter - Google Patents
KristallgleichrichterInfo
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Description
AUSGEGEBEN AM 18. OKTOBER 1954
Kristallgleichrichter
Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Kristallgleichrichter.
Die gebräuchlichen Kristallgleichrichter bestehen aus einem Kristall aus Germanium oder Silizium
oder einem anderen geeigneten Halbleiter, der auf einer Metallgrundplatte oder Halterung befestigt
ist und der an seiner Oberfläche mit einer zugespitzten Nadel oder einem Draht in Berührung
steht. Es ist bereits bekannt, daß die Widerstandskennlinie von Gleichrichtern dieser Art in Sperrrichtung
oft ein Gebiet hat, in dem der Widerstand negativ ist. Dieser Umstand kann vorteilhaft so ausgenutzt
werden, daß der Kristallgleichrichter zur Erzeugung von Schwingungen oder als einfache
Auslösevorrichtung verwendet werden kann.
Germaniumgleichrichter, die für die üblichen Verwendungszwecke sehr brauchbar sind, erreichen
das Gebiet negativen Widerstandes aber erst bei sehr hoher Sperrspannung, z. B. bei ungefähr
ι oo Volt.
Wenn man nun diese negativen Widerstandseigenschaften ausnutzen will, z. B. zur Erzeugung
von Schwingungen oder in einem Auslösestromkreis, so muß eine Sperrspannung von ungefähr
ι Oo Volt angewendet werden, so daß eine beträchtliche Leistung vernichtet werden muß, wodurch der
Gleichrichter zerstört werden kann.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kristallgleichrichter herzustellen, bei dem das
Gebiet negativen Widerstandes bei viel geringeren Sperrspannungen erreicht wird. Weiter ist es Aufgabe
der Erfindung, den Wert des negativen Widerstandes zu erhöhen.
Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß man den Kristallgleichrichter folgendermaßen
aufbaut: Ein Körper aus halbleitendem Material
von bestimmtem Leitfähigkeitstyp hat an seiner Oberfläche eine Schicht von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp,
eine Elektrode, die mit einem Teil dieser Schicht in nicht gleichrichtendem Kontakt
von niedrigem Widerstand steht, einen dünnen Film von bestimmtem Leitfähigkeitstyp auf einem bestimmten
Gebiet eines anderen Teiles der genannten Schicht und eine zweite Elektrode in gleichrichtendem
Kontakt mit dem genannten dünnen Film, wobei die beiden Elektroden voneinander ungefähr
0,025 bis 0,25 mm entfernt sind.
Die Erfindung hat auch einen elektrischen Kristallgleichrichter zum Gegenstand, der einen halbleitenden Körper vom N-Typ enthält, welcher an
seiner Oberfläche behandelt ist, um die gleichrichtenden Eigenschaften zu verbessern, eine erste Elektrode,
die in nicht gleichrichtendem Kontakt von niedrigem Widerstand mit einem Teil der genannten
Oberfläche steht, ein begrenztes Gebiet eines anderen Teiles der genannten Oberfläche, welches Verunreinigungen
vom Donatortypus enthält, und eine zweite Elektrode, die in gleichrichtendem Kontakt
mit dem genannten Gebiet der Oberfläche steht, wobei die beiden Elektroden einen Abstand von ungefähr
0,025 Ws 0,25 mim halben.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf einen elektrischen Kristallgleichrichter, der aus einem halbleitenden Körper vom P-Typ besteht, dessen Oberfläche
zur Verbesserung der gleichrichtenden Eigenschäften behandelt ist, einer ersten Elektrode, die in
nicht gleichrichtendem Kontakt von niedrigem Widerstand mit einem Teil der genannten Oberfläche
steht, einem begrenzten Gebiet eines anderen Teiles der genannten Oberfläche, welches Akzeptorverunreinigungen
enthält, und einer zweiten Elektrode in gleichrichtendem Kontakt mit dem genannten
Gebiet der Oberfläche, wobei die Elektroden einen Abstand von 0,025 bis 0,25 mm haben.
Die Erfindung soll im Hinblick auf die Zeichnungen
näher erläutert werden.
Fig. ι stellt einen Schnitt durch einen Kristallgleichrichter
gemäß der Erfindung dar;
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf den Kristallgleichrichter, wobei die Nadelelektrode weggelassen
ist;
Fig. 3 zeigt eine Kennlinie, aus der die Wirkung des elektrischen Formierprozesses des Gleichrichters
zu ersehen ist;
Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch eine andere Ausbildungsform des Gleichrichters gemäß der Erfindung;
Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf den Gleichrichter von Fig. 4;
Fig. 6 zeigt ein Beispiel für eine Schwingschaltung oder Auslöseschaltung, bei der ein Gleichrichter
gemäß der Erfindung verwendet werden kann.
Der in Fig. 1 und 2 gezeigte Gleichrichter besteht aus einer Scheibe oder einem Plättchen 1 eines halbleitenden
Kristalls, wie z. B. eines Germaniumkristalls, welches auf einer Metallgrundelektrode 2
angekittet, gelötet oder auf eine andere Weise gut befestigt ist und in Kontakt von geringem Widerstand
damit steht. Eine feine, scharf zugespitzte Nadel oder ein Draht 3 steht in Kontakt mit der
Oberseite des Kristallplättchens. Die Nadelelektrode ist S-förmig gebogen dargestellt, damit sie
eine gewisse Elastizität erhält.
Der weiter beschriebene Gleichrichter ist von bekanntem Typ; aber gemäß der vorliegenden Erfindung
ist die Basiselektroden über die obere Oberfläche der Kristallplatte mittels des plattierten Überzuges
4 weiter ausgedehnt, der die Kanten der Basiselektrode 2 und die ganze frei liegende Oberfläche
des Kristallplättchens bis auf eine kleine öffnung 5 bedeckt, durch die die Spitze der Nadelelektrode
mit der Oberfläche des Kristalls in Berührung steht. Die Größe dieser Öffnung 5 ist nicht ausschlaggebend,
aber die Spitze der Nadel 3 sollte ungefähr 0,05 mm Abstand von dem Rand des Überzuges
4 haben. Der geeignetste Zwischenraum zwischen den Elektroden kann leicht durch Versuche
festgestellt werden, und er wird im allgemeinen zwischen 0,025 und 0,125 mm liegen.
Es ist weiter nötig, zwischen der Nadel 3 und 8g dem Überzug 4 eine elektrische Formierungsbehandlung,
ähnlich wie sie beschrieben wird, durchzuführen. Die Formierung kann auch in einer bereits vorgeschlagenen
Weise vorgenommen werden, nämlich daß die Nadelelektrode bestimmte Stoffe vom Akzeptor-
oder Donator-Typ enthält und durch Anlegen einer geeigneten Spannung, z. B. einer Sägezahnspannung,
diese Stoffe in die Oberflächenschicht des Halbleiters gebracht werden. Wenn der
halbleitende Kristall vom N-Typ ist, d. h. die Stromleitung wird 'hauptsächlich durch freie Elektronen
vermittelt, soll das Material der Nadelelektrode 3 eine geringe Menge von Verunreinigungen
vom Donator-Typ, wie z. B. Arsen oder Phosphor, enthalfen, und die elektrische Formierung sollte so
ausgeführt werden, daß die Nadelelektrode 3 negativ gegenüber dem Überzug 4 ist.
Die Elektroformierung, die bereits vorgeschlagen
wurde, war ursprünglich für eine Kristalltriode gedacht und wird zwischen den zwei Nadelelektroden
zu dem Zweck ausgeführt, bestimmte Verunreinigungen in die Oberflächenschicht des Kristalls zu
bringen. Im vorliegenden Falle wird sie zwischen der Nadelelektrode und der Basiselektrode ausgeführt,
und es wird auch ein etwas abweichendes Ergebnis erzielt.
Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Spannung, welche zwischen der Nadel 3 und dem Überzug
4 in der Sperrichtung bzw. Richtung hohen Widerstandes angelegt ist, und dem Strom, der
durch den Gleichrichter fließt. Die Kennlinie vor der Elektroformierung ist durch die Kurve 6 dargestellt.
Sie entspricht einem relativ niedrigen Widerstand in Sperrichtung bis zu einer kritischen
Spannung 7, welche Umkehrspannung genannt wird. Dort kehrt die Kurve um und folgt nun dem Kurvenast
8, der eine negative Steigung hat. Wenn der Strom, der durch den Gleichrichter fließt, bis zum
Umkehrpunkt ansteigt .und diesen Umkehrpunkt überschreitet, beginnt die Spannung am Gleichrichter
schnell zu fallen, bis der negative Wider-
Standseffekt verschwindet und die Steigung der Kurve wieder positiv wird, wie das bei dem Kurvenast
9 der Fall ist. Eine solche Kurve wird im allgemeinen bei Spitzengleichrichtern mit halbleitenden
Kristallen, wie z. B. Germanium, erhalten.
Beim Germanium liegt die Umkehrspannung, die dem Punkt 7 entspricht, meistens bei ungefähr
100 Volt.
Nach der elektrischen Formierung von der Art, wie sie bereits vorgeschlagen wurde, findet man, daß der Kurvenast 6, 8 stark verkleinert ist, wie dies in Fig. 3 durch den wesentlich kleineren Kurvenast 10 dargestellt ist. Gleichzeitig liegt die Umkehrspannung in der Größenordnung von 25 Volt, und die Steigung des Teiles 12 mit negativem Widerstand wird wesentlich kleiner als diejenige des Kurvenastes 8, so daß der Wert des negativen Widerstandes viel größer ist als vorher. Dies ist wichtig, weil es die Konstruktion von Auslösestromkreisen erleich-
Nach der elektrischen Formierung von der Art, wie sie bereits vorgeschlagen wurde, findet man, daß der Kurvenast 6, 8 stark verkleinert ist, wie dies in Fig. 3 durch den wesentlich kleineren Kurvenast 10 dargestellt ist. Gleichzeitig liegt die Umkehrspannung in der Größenordnung von 25 Volt, und die Steigung des Teiles 12 mit negativem Widerstand wird wesentlich kleiner als diejenige des Kurvenastes 8, so daß der Wert des negativen Widerstandes viel größer ist als vorher. Dies ist wichtig, weil es die Konstruktion von Auslösestromkreisen erleich-
ao tert, welche den negativen Widerstandseffekt verwenden.
In der Beschreibung des früher vorgeschlagenen Formierverfahrens wurde bereits ausgeführt, daß
dieser Effekt aus dem Kurvenlauf sehr verkleinert wird, aber nicht vollkommen verschwindet, wenn
einer der Kontakte nicht gleichrichtend ist.
Im allgemeinen werden bei der Behandlung von Germaniumkristallen vom N-Typ Maßnahmen angewendet,
um die gleichrichtenden Eigenschaften zu verbessern, z. B. durch anfängliches Polieren der
Oberfläche und nachfolgende Ätzung mit einer Lösung, welche Fluorwasserstoffsäure, Salpetersäure
und Kupfernitrat enthält, wobei eine dünne Schicht vom P-Typ Leitfähigkeit auf der Oberfläche, welche
mit der Nadelelektrode Kontakt macht, erzeugt wird (P-Typ Leitfähigkeit ist die Leitfähigkeit
hauptsächlich durch Defektelektronen, genannt »positive Löcher«). Die 'besonderen Eigenschaften
gemäß der Erfindung werden wahrscheinlich durch eine Schicht vom P-Typ auf einem sehr geringen
Raum und durch eine weitere Schicht vom N-Typ durch die Elektroformierungsbehandlung hervorgerufen,
bei welcher Verunreinigungen vom Doraatortypus, z. B. Arsen oder Phosphor, auf die
Oberfläche des Kristalls gebracht werden.
Obwohl eingangs festgestellt wurde, daß der Abstand zwischen der Nadelelektrode 3 und dem Rand
des Überzuges 4 bei ungefähr 0,05 mm liegen soll, muß doch gesagt werden, daß der günstigste Abstand
von der Qualität des Germaniums und seiner Oberflächenbehandlung vor der Elektroformierung
abhängt und am besten durch Versuche ermittelt wird. In der Praxis wird der günstigste Abstand
innerhalb der Grenzen von 0,025 bis 0,25 mm liegen.
Es soll noch hinzugefügt werden, daß, obwohl
vorzugsweise ein Halbleiterkristall vom N-Typ verwendet werden sollte, es auch möglich ist, einen
halbleitenden Kristall vom P-Typ zu verwenden. Dieser wird dann, nachdem es mit geeigneten Methoden
zur Herstellung gleichrichtender Eigenschaften behandelt wurde, mit einer dünnen Oberflächenschicht
vom N-Typ versehen. Um die nötigen Eigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung
zu erhalten, wird die elektrische Formierung zwischen der Nadel 3, welche eine Akzeptorverunreinigung,
wie z. B. Aluminium, enthält, und der Basiselektrode 4 ausgeführt, und zwar so, daß die
Nadel 3 positiv gegenüber der Basiselektrode 4 ist. Auf diese Weise werden die Verunreinigungen auf
die Oberfläche gebracht, um eine Schicht vom P-Typ von geringer Flächenausdehnung auf der
Oberfläche der N-Typ-Schicht zu bilden.
Bei der Ausbildungsform gemäß der Erfindung, wie sie in Fig. 4 und 5 dargestellt ist, wird die
Nadelelektrode 3 durch eine Metallfilmelektrode 13 von kleiner, aber wirksamer Fläche ersetzt, die auf
die Oberfläche des Kristalls plattiert oder auf andere Weise angebracht ist. Unter wirksamer Fläche
wird eine Fläche verstanden, deren Größe zwischen io~~4 und ι mm2 liegt. Die Elektrode 13 nimmt
einen Teil der Fläche des Loches 5 ein und kann ungefähr 0,05 mm Abstand vom Rand des Überzuges
4 haben. Sie muß nicht im Mittelpunkt des Loches liegen und auch nicht kreisförmig sein. Ein
geeigneter Anschlußdraht (nicht dargestellt) kann angelötet oder auf eine andere Weise fest mit der
Elektrode 13 verbunden sein.
Es ist nicht wesentlich, daß die Metallbasis 2 oder die zylindrischen Teile des Halbleiters 1 mit
dem Überzug 4 versehen sind. Der Einfachheit halber braucht dieser nur die obere Fläche des
Kristallplättchens zu bedecken, und es ist nicht einmal nötig, daß die ganze Fläche davon bedeckt ist.
Wesentlich ist nur, daß sie mit dem Kristall einen Kontakt von niedrigem Widerstand bildet, welcher
nicht gleichrichtet, und daß die Nadelelektrode oder eine andere gleichrichtende Elektrode in einem Abstand
von 0,05 mm von dem Rand des Überzuges oder der Basis angeordnet ist. Es soll noch erwähnt
werden, daß der Abstand in den Grenzen zwischen 0,025 und 0,25 mm liegen soll. Nach der Elektroformierung,
die in der beschriebenen Weise ausgeführt wird, befinden sich einige Verunreinigungen
auf der Oberflächenschicht des Kristalls, welche die Umkehrspannung vermindern, wie es bisher erklärt
wurde.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel für eine Schaltung, bei welcher ein Gleichrichter gemäß der Erfindung verwendet
werden kann. Sie ist der Schaltung ähnlich, welche in Fig. 4 der britischen Patentschrift
650 007 abgebildet ist. Der Gleichrichter 14, welcher
einer von den oben beschriebenen sein kann, erhält eine Vorspannung in Sperrichtung durch die
Stromquelle 15 über den Widerstand 16 und ist parallel zu dem Kondensator 17 geschaltet. Das
obere Ende des Widerstandes 16 ist an die Ausgangsklemme 18 angeschlossen.
Wenn die Spannung der Stromquelle 15 größer als die Umkehrspannung ist, arbeitet der Stromkreis
als Kippschwinger. Der Kondensator 17 wird über den Widerstand 16 aufgeladen, bis das Potential
die Umkehrspannung erreicht, wonach der Strom, der durch den Gleichrichter 14 fließt, plötzlich
ansteigt und den Kondensator 17 entlädt, welcher zur gleichen Zeit den Gleichrichter wieder
in den Zustand positiven Widerstandes versetzt. Der
Kondensator 17 wird danach wieder aufgeladen, und der Prozeß beginnt von neuem. Die Schwingungen,
welche normalerweise Sägezahnform haben, werden am Anschluß 18 erhalten. Die Wirkungsweise
dieser Schaltung ist ähnlich der gut bekannten Schaltung, bei welcher der Gleichrichter 14 durch
eine gasgefüllte Röhre ersetzt ist, wobei der Kondensator durch Zünden der Röhre entladen wird
und gleichzeitig die Röhre erlischt.
Wenn die Spannung der Stromquelle 15 geringer, aber nahezu gleich der Umkehr spannung ist, so entstehen
keine ungedämpften Schwingungen, sondern die Schaltung ist in einem empfindlichen Zustand
und kann zwischen zwei Bedingungen ausgelöst werden, einmal, wenn in dem Gleichrichter 14 ein
geringer Strom fließt, und zum anderen, wenn ein starker Strom fließt. In diesem Falle erhält der
Gleichrichter eine Vorspannung bis zum Punkt 19, welcher auf dem Kurvenast positiven Widerstandes
der Kurve 10 (Fig. 3) liegt, wobei der Punkt vorzugsweise
sehr nahe am Umkehrpunkt liegt. Wenn an den Eingangsklemmen 20 (Fig. 6), welche an das
obere Ende des Gleichrichters 14 über einem Blokkierungskondensator
21 angeschlossen sind, ein Spannungsimpuls auftritt, wird der Gleichrichter
in den Zustand negativen Widerstandes versetzt, und der Strom steigt auf einen höheren Wert,
welcher dem Punkt 22 in Fig. 3 entspricht. Die Polarität des Impulses soll natürlich dieselbe sein
wie die der Spannung der Spannungsquelle 15, welche die Vorspannung an dem oberen Anschluß
des Gleichrichters 14 liefert.
Infolge der Anwesenheit des Kondensators 17 ist der Stromkreis instabil, und der Strom bleibt nicht
auf dem Wert, der durch den Punkt 22 gekennzeichnet ist. Der Kondensator 17 wird durch den
ansteigenden Strom schnell entladen und bringt den Gleichrichter wieder in den Zustand, der dem Punkt
19 entspricht. So wird also bei einem Eingangsimpuls am Anschluß 20 ein verstärkter Ausgangsimpuls
beim Anschluß 18 erhalten.
Wenn jedoch der Kondensator 17 entfernt wird,
bleibt der Gleichrichter in dem Zustand, der dem Punkt 22 entspricht. Bei Anwendung eines Impulses
entgegengesetzter Polarität am Anschluß 20 kann er wieder in den Zustand niedrigen Stromes
zurückversetzt werden, der dem Punkt 19 entspricht. Wenn nun ein Wellenzug von abwechselnd
positiven und negativen Impulsen am Anschluß 20 angelegt wird, so erhält man am Anschluß 1.8 Rechteckwellen,
wenn der Kondensator 17 weggelassen wird.
Die Wirkung des Kondensators 17, den Gleichrichter 14 wieder in den normalen Zustand zu bringen,
hängt von der Gegenwart einer Streuinduktivität im Stromkreis ab, die praktisch immer vorhanden
ist und deshalb nicht mehr erst hinzugefügt werden muß. Wenn der Kondensator 17 durch einen
plötzlichen Anstieg des Gleichrichterstromes rasch entladen wird, dann bewirkt der Schwingungszustand,
der durch die Streuinduktivität hervorgerufen wird, daß das Potential des Kondensators
auf einen niedrigen Wert absinkt, welchem infolge der Abwärtsneigung der Kennlinie (Fig. 3) ein
starker Anstieg des Gleichrichterstromes entspricht. Der Widerstand 16 schützt die Stromquelle 15 vor
Beeinflussung durch diesen angestiegenen Strom, und gleichzeitig wird der Gleichrichter gezwungen,
einen Zustand anzunehmen, der der positiven Widerstandskurve 10 entspricht und dem Strom angepaßt
ist, der von dem Widerstand 16 begrenzt wird. Es soll noch einmal festgestellt werden, daß diese
Beschreibung nur Beispiele angibt und keine Begrenzung des Erfindungsgedankens bedeuten soll.
Claims (10)
1. Kristallgleichrichter, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem halbleitenden Körper von
bestimmtem Leitfähigkeitstyp besteht mit einer Schicht von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp
an seiner Oberfläche und einer Elektrode, die in nicht gleichrichtendem Kontakt von niedrigem
Widerstand mit einem Teil dieser Schicht steht, und daß eine dünne Schicht von bestimmtem Leitfähigkeitstyp auf einem begrenzten
Gebiet eines anderen Teiles der genannten Schicht angeordnet ist und eine zweite
Elektrode in gleichrichtendem Kontakt mit der zuletzt genannten Schicht steht und daß die
beiden Elektroden einen Abstand von 0,025 bis 0,25 mm voneinander haben.
2. Kristallgleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der halbleitende Körper
N-Typ Leitfähigkeit hat und seine Oberfläche zur Verbesserung der gleichrichtenden
Eigenschaften behandelt wurde und daß das begrenzte Gebiet der genannten Oberfläche,
welches mit einer zweiten Elektrode in gleichrichtendem Kontakt steht, Verunreinigungen
vom Donator-Typ enthält.
3. Kristallgleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der halbleitende
Körper P-Typ Leitfähigkeit hat und seine Oberfläche zur Verbesserung der gleichrichtenden
Eigenschaften behandelt wurde und daß das begrenzte Gebiet der genannten Oberfläche,
welches mit einer zweiten Elektrode in gleichrichtendem Kontakt steht, Verunreinigungen
vom Akzeptor-Typ enthält.
4. Kristallgleichrichter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der halbleitende Körper aus einem Plättchen eines halbleitenden Kristalls vom N-Typ besteht, welches
an seiner Oberfläche eine Schicht vom P-Typ hat, und daß die eine Elektrode, die in nicht
gleichrichtendem Kontakt mit dem Halbleiterkristall steht, aus einer Metallplatte, die mit
dem Halbleiterplättchen gut leitend verbunden ist, und einem Metallüberzug bestellt, der die
Metallplatte und das Halbleiterplättchen teilweise bedeckt, und daß in der Umgebung der
zweiten Elektrode eine dünne Schicht von N-Typ Leitfähigkeit angeordnet ist.
5. Kristallgleichrichter nach Anspruch 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der halbleitende
Kristall P-Typ Leitfähigkeit besitzt und
an seiner Oberfläche eine Schicht von N-Typ Leitfähigkeit hat und daß in der Umgebung der
zweiten Elektrode eine dünne Schicht von P-Typ Leitfähigkeit angeordnet ist.
6. Kristallgleichrichter nach Anspruch ι bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode
ein scharf zugespitzter Draht ist.
7. Kristallgleichrichter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode
aus einer dünnen Metallschicht besteht, die an geeigneter Stelle niedergeschlagen ist.
8. Kristallgleichrichter nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der halbleitende
Körper ein Germaniumkristall ist.
9. Schaltung unter Verwendung eines Kristallgleichrichters nach Anspruch 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Stromquelle über einen Widerstand an den Gleichrichter so angeschlossen
ist, daß der Gleichrichter in Sperrichtung bzw. in der Richtung hohen Widerstandes eine
Vorspannung erhält, und daß ein Kondensator zum Gleichrichter parallel geschaltet ist.
10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß sie Mittel enthält, um Auslöseimpulse auf den Gleichrichter zu übertragen,
um ihn vom Zustand niedrigen Stromes in den Zustand hohen Stromes zu überführen, und umgekehrt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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- 1952-10-14 GB GB25722/52A patent/GB708899A/en not_active Expired
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