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Operation and performance of the Probe for Luminosity Measurement at LHCb

यह शोध पत्र LHCb में एक समर्पित चेरेनकोव-प्रकाश-आधारित ल्यूमिनोसिटी मॉनिटर, PLUME डिटेक्टर के 2024-2026 रन 3 डेटा-लेने की अवधि के दौरान परिचालन प्रदर्शन की रिपोर्ट करता है, जो वास्तविक समय के ल्यूमिनोसिटी नियंत्रण में इसकी भूमिका को रेखांकित करता है और $\sqrt{s} = 13.6$ TeV पर $(26.71 \pm 1.07)$ fb $^{-1}$ की एकीकृत ल्यूमिनोसिटी रिकॉर्ड करता है।

मूल लेखक: F. Alessio, S. Barsuk, C. Beigbeder, A. Bellavista, O. Bezshyyko, I. Boiaryntseva, C. Bourgeois, A. Boyarintsev, M. Briere, L. Burmistrov, A. Carbone, G. Cavallero, V. Chaumat, S. Cholak, D. Douillet

प्रकाशित 2026-09-10

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CC BY 4.0

मूल लेखक: F. Alessio, S. Barsuk, C. Beigbeder, A. Bellavista, O. Bezshyyko, I. Boiaryntseva, C. Bourgeois, A. Boyarintsev, M. Briere, L. Burmistrov, A. Carbone, G. Cavallero, V. Chaumat, S. Cholak, D. Douillet, O. Duarte, P. Durante, F. Ferrari, E. Franzoso, C. Gaspar, L. Golinka-Bezshyyko, L. A. Granado Cardoso, E. Graverini, D. Hohov, G. Iaquaniello, V. Kushnir, R. Matev, P. Mayencourt, V. Mytrochenko, V. Orlov, V. Puill, D. Reynet, P. Robbe, P. Rosier, L. Shchutska, Y. Song, E. Spedicato, L. Toscano, M. van Dijk, A. Villa, G. Vouters, V. Yeroshenko, V. Zhovkovska

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

CERN में लार्ज हैड्रोन कोलाइडर (LHC) की विशाल, गोलाकार सुरंग के भीतर, प्रोटॉन की दो बीम लगभग प्रकाश की गति से विपरीत दिशाओं में दौड़ती हैं। जब ये बीम आपस में टकराती हैं, तो वे नए कणों का एक समूह (शॉवर) बनाती हैं जिसका अध्ययन वैज्ञानिक प्रकृति के मौलिक नियमों को समझने के लिए करते हैं। इन टक्करों को समझने के लिए, शोधकर्ताओं को यह सटीक रूप से जानना आवश्यक है कि प्रोटॉन कितनी बार एक-दूसरे से टकराते हैं। ल्यूमिनोसिटी (luminosity) नामक यह माप केवल एक संख्या नहीं है; यह प्रत्येक प्रयोग के मूल्य को खोलने वाली कुंजी है। टक्करों की सटीक गिनती के बिना, वैज्ञानिक यह नहीं बता सकते कि उनके द्वारा देखा गया कोई दुर्लभ घटना एक वास्तविक खोज है या केवल एक सांख्यिकीय संयोग। चूंकि LHCb प्रयोग भारी कणों से जुड़ी दुर्लभ प्रक्रियाओं पर ध्यान केंद्रित करता है, इसलिए इसे अत्यधिक सटीकता के साथ संचालित होना चाहिए, जिससे टकराव की दर स्थिर और सुव्यवस्थित बनी रहे। यदि दर में बहुत अधिक उतार-चढ़ाव होता है, तो नाजुक डिटेक्टर अभिभूत हो सकते हैं, जिससे वे उन सूक्ष्म संकेतों को रिकॉर्ड करने की क्षमता खो सकते हैं जिन्हें खोजने के लिए उन्हें बनाया गया है।

इस समस्या को हल करने के लिए, एक विशेष टीम ने PLUME नामक एक समर्पित मॉनिटर बनाया और संचालित किया है, जिसका अर्थ है 'प्रोब फॉर ल्यूमिनोसिटी मेजरमेंट' (Probe for LUminosity MEasurement)। यह उपकरण एक अत्यधिक संवेदनशील काउंटर के रूप में कार्य करता है, जो प्रोटॉन बीम के टकराने वाले बिंदु के पास स्थित है। कणों को पकड़ने की कोशिश करने के बजाय, PLUME चेरेनकोव रेडिएशन (Cherenkov radiation) नामक एक मंद प्रकाश की चमक पर नज़र रखता है। यह प्रकाश तब उत्पन्न होता है जब टक्करों से बने आवेशित कण, फ्यूज्ड सिलिका ग्लास के एक ब्लॉक के माध्यम से प्रकाश की गति से भी तेज़ गति से यात्रा करते हैं। यह मॉनिटर चालीस-आठ फोटोमल्टीप्लायर ट्यूबों से सुसज्जित है, जो अनिवार्य रूप से अत्यंत संवेदनशील 'आंखें' हैं जो प्रकाश के एकल फोटॉन को भी पहचान सकती हैं। प्रकाश की इन चमकों को गिनकर, सिस्टम सटीक रूप से गणना कर सकता है कि किसी भी क्षण में कितनी टक्करें हो रही हैं, जिससे डेटा का एक रीयल-टाइम फीड मिलता है जो पूरे प्रयोग को सुचारू रूप से चलाने में मदद करता है।

यह शोध पत्र विवरण देता है कि इस प्रणाली ने 2024 से 2026 की डेटा-लेने की अवधि के दौरान कैसे प्रदर्शन किया, जो एक ऐसा समय था जब LHCb प्रयोग अपने अब तक के उच्चतम स्तर पर चल रहा था। शोधकर्ताओं ने रिपोर्ट किया कि डिटेक्टर ने उल्लेखनीय स्थिरता के साथ काम किया, और मशीन द्वारा कुल 26.71 इनवर्स फेम्टोबार्न (inverse femtobarns) डेटा देने के दौरान टक्करों को सफलतापूर्वक ट्रैक किया। यह माप इकाई एकत्र किए गए टक्कर डेटा की कुल मात्रा का प्रतिनिधित्व करती है, और टीम ने त्रुटियों के विभिन्न स्रोतों को ध्यान में रखते हुए इस आंकड़े की गणना उच्च स्तर के विश्वास के साथ की। यह प्रणाली इतनी विश्वसनीय साबित हुई कि यह ल्यूमिनोसिटी लेवलिंग प्रक्रिया को नियंत्रित करने का प्राथमिक उपकरण बन गई, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जो बीम की तीव्रता को समायोजित करती है ताकि डिटेक्टर कभी भी अभिभूत न हों। टीम ने यह भी प्रदर्शित किया कि सिस्टम अविश्वसनीय सटीकता के साथ टक्करों के समय को माप सकता है, जो कुछ बिलियनथ सेकंड तक सटीक है, जो विशाल डिटेक्टर के विभिन्न हिस्सों को सिंक्रोनाइज़ करने के लिए आवश्यक है।

केवल टक्करों को गिनने के अलावा, PLUME डिटेक्टर को एक कठोर वातावरण में उम्र बढ़ने (aging) की चुनौती का सामना करना पड़ा। टक्कर बिंदु के पास तीव्र विकिरण समय के साथ इलेक्ट्रॉनिक घटकों को नुकसान पहुँचा सकता है, जिससे उनकी संवेदनशीलता कम हो सकती है। इसका मुकाबला करने के लिए, टीम ने एक परिष्कृत अंशांकन (कैलिब्रेशन) प्रणाली विकसित की। उन्होंने ट्यूबों के माध्यम से बहने वाली विद्युत धारा के प्रत्यक्ष मापन और प्रकाश स्पंदों (pulses) के संयोजन का उपयोग करके वोल्टेज को लगातार समायोजित किया। इसने उन्हें उपकरणों की संवेदनशीलता को पूरी तरह से ट्यून रखने में सक्षम बनाया, भले ही उपकरण पर महत्वपूर्ण विकिरण क्षति जमा हो गई हो। अध्ययन से पता चलता है कि सिस्टम अपनी सटीकता को कुछ प्रतिशत के भीतर बनाए रख सकता था, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि कई वर्षों में एकत्र किया गया डेटा सुसंगत और विश्वसनीय बना रहे।

शोधकर्ताओं ने यह भी खोजा कि यदि प्राथमिक गणना प्रणाली तकनीकी कठिनाइयों का सामना करती है, तो प्रयोग को कैसे जारी रखा जाए। उन्होंने एक बैकअप विधि विकसित की जो व्यक्तिगत प्रकाश चमकों को गिनने के बजाय फोटोमल्टीप्लायर ट्यूबों द्वारा ली जाने वाली विद्युत धारा को सीधे मापती है। हालांकि यह बैकअप विधि थोड़ी कम सटीक थी क्योंकि यह मुख्य बीम और एक अलग गैस सेल में होने वाली टक्करों के बीच आसानी से अंतर नहीं कर सकती थी, लेकिन इसने एक महत्वपूर्ण सुरक्षा जाल प्रदान किया। टीम ने पाया कि यह वैकल्पिक दृष्टिकोण अभी भी टक्कर दर का एक विश्वसनीय अनुमान प्रदान कर सकता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि अप्रत्याशित व्यवधानों के दौरान प्रयोग अपना कीमती डेटा न खोए।

गिनती के अलावा, PLume सिस्टम ने समय बनाए रखने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। LHC एक सख्त क्लॉक साइकिल पर संचालित होता है, और डिटेक्टरों को प्रोटॉन बंच के आगमन के साथ पूरी तरह से सिंक्रोनाइज़ होना चाहिए। टीम ने मशीन के मास्टर क्लॉक के सापेक्ष टक्करों के सटीक क्षण को मापने के लिए PLUME डिटेक्टर का उपयोग किया। उन्होंने पाया कि डिटेक्टर लगभग आठ पिकोसेकंड की सटीकता के साथ इन टाइमिंग बदलावों को ट्रैक कर सकता है, जो एक नैनोसेकंड का बहुत छोटा हिस्सा है। इस स्तर की सटीकता ने ऑपरेटरों को सिस्टम के किसी भी ड्रिफ्ट (विचलन) को ठीक करने में सक्षम बनाया, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि डिटेक्टर हमेशा सही क्षण पर देख रहे हैं। PLUME से प्राप्त माप अन्य स्वतंत्र टाइमिंग सिस्टम के साथ अच्छी तरह मेल खाते हैं, जो पुष्टि करते हैं कि डिटेक्टर प्रयोग के समय पर एक विश्वसनीय और स्वतंत्र जांच प्रदान कर रहा है।

शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि PLUME डिटेक्टर ने LHCb प्रयोग के लिए एक मजबूत और बहुमुखी उपकरण के रूप में अपनी भूमिका सफलतापूर्वक पूरी की है। इसने ल्यूमिनोसिटी डेटा का एक निरंतर, रीयल-टाइम प्रवाह प्रदान किया है जो मशीन के स्थिर संचालन के लिए आवश्यक रहा है। टीम का कार्य दर्शाता है कि सावधानीपूर्वक अंशांकन और निगरानी के साथ, अत्यधिक विकिरण वातावरण में काम करने वाले डिटेक्टर भी लंबे समय तक उच्च सटीकता बनाए रख सकते हैं। सिस्टम द्वारा रिकॉर्ड की गई एकीकृत ल्यूमिनोसिटी उस डेटा-लेने की अवधि से प्रकाशित होने वाले सभी भौतिक विज्ञान परिणामों के लिए एक आधार के रूप में कार्य करती है। हालांकि वैज्ञानिक पत्रों के लिए उपयोग किए जाने वाले अंतिम अंक अधिक विस्तृत ऑफलाइन विश्लेषण से आएंगे, लेकिन PLUME से प्राप्त ऑनलाइन माप पहले से ही प्रयोग को कुशलतापूर्वक और सुरक्षित रूप से चलाने में अपनी उपयोगिता सिद्ध कर चुके हैं। इस प्रणाली की सफलता आधुनिक कण भौतिकी में समर्पित निगरानी उपकरणों के महत्व को रेखांकित करती है, जहाँ टक्करों की तीव्रता और समय को मापने की क्षमता उतनी ही महत्वपूर्ण है जितनी कि कणों को खोजने की क्षमता।

तकनीकी सारांश: LHCb में ल्यूमिनोसिटी मेजरमेंट के लिए प्रोब (PLUME) का संचालन और प्रदर्शन

समस्या विवरण
फ्लेवर फिजिक्स के लिए समर्पित LHCb प्रयोग, एक उच्च-ऑक्यूपेंसी फॉरवर्ड एक्सेप्टेंस वातावरण में संचालित होता है। रन 3 के दौरान, डिटेक्टर पिछले रन की तुलना में लगभग पांच गुना अधिक ल्यूमिनोसिटी पर संचालित होता है। इष्टतम डिटेक्टर प्रदर्शन बनाए रखने और उच्च इंटरेक्शन दरों को प्रबंधित करने के लिए, LHCb को दी जाने वाली इंस्टेंटेनियस ल्यूमिनोसिटी को एक समर्पित ल्यूमिनोसिटी-लेवलिंग प्रक्रिया के माध्यम से स्थिर किया जाता है। इस प्रक्रिया के लिए इंस्टेंटेनियस ल्यूमिनोसिटी के सटीक, रियल-टाइम, बंच-बाय-बंच निर्धारण की आवश्यकता होती है। इसके अतिरिक्त, तापमान के उतार-चढ़ाव और फाइबर की लंबाई में परिवर्तन के कारण LHC क्लॉक फेज में बदलाव से सब-डिटेक्टर्स के बीच टाइमिंग मिसअलाइनमेंट हो सकता है, जिससे दक्षता में हानि हो सकती है। स्थिर डेटा-टेकिंग स्थितियों को सुनिश्चित करने के लिए लो-लेटेंसी ल्यूमिनोसिटी मॉनिटरिंग और स्वतंत्र बीम-फेज टाइमिंग माप प्रदान करने हेतु एक समर्पित प्रणाली की आवश्यकता थी।

कार्यप्रणाली
प्रोब फॉर ल्यूमिनोसिटी मेजरमेंट (PLUME) एक होडोस्कोप डिटेक्टर है जिसे बीम अक्ष के साथ $z = -1485$ mm और $z = -2085$ mm के बीच स्थापित किया गया है, जो $-2.4 < \eta < -3.1$ की स्यूडो-रैपिडिटी रेंज को कवर करता है। इस डिटेक्टर में क्रॉस-आकार के, दो-परत वाले विन्यास में व्यवस्थित 48 Hamamatsu R760 फोटोमल्टीप्लायर ट्यूब्स (PMTs) शामिल हैं। प्रत्येक PMT को टकराव क्षेत्र (collision region) से निकलने वाले आवेशित कणों द्वारा उत्पन्न चेरेनकोव लाइट की यील्ड बढ़ाने के लिए एक 5 mm फ्यूज्ड सिलिका टैबलेट से जोड़ा गया है।

ल्यूमिनोसिटी निर्धारण: PLUME "logZero" पद्धति का उपयोग करता है, जो शून्य घटनाओं का पता लगाने की प्रायिकता ( $P(0)$ ) के आधार पर प्रति बंच क्रॉसिंग औसत इंटरेक्शन की संख्या ( $\mu$ ) की गणना करता है। सटीकता सुनिश्चित करने के लिए, सिस्टम SMOG2 फिक्स्ड-टारगेट गैस सेल और बीम-गैस इंटरेक्शन के योगदान को हटाने के लिए बैकग्राउंड सबट्रैक्शन करता है। इंस्टेंटेनियस ल्यूमिनोसिटी ( $L_{inst}$ ) को बैकग्राउंड-सबट्रैक्टेड इंटरेक्शन रेट और वैन डेर मीर (vdM) स्कैन्स एवं एमिटेंस स्कैन्स के माध्यम से निर्धारित दृश्य क्रॉस-सेक्शन ( $\sigma_{vis}$ ) से प्राप्त किया जाता है।
टाइमिंग मॉनिटरिंग: 48 में से चार PMTs को बीम-फेज टाइमिंग मापने के लिए समर्पित किया गया है। इन PMTs के एनालॉग सिग्नल को आठ प्रतियों में विभाजित किया जाता है, जिनमें से प्रत्येक को 3 ns की देरी दी जाती है, जिससे पल्स के लीडिंग एज को कई टाइम ऑफसेट्स पर सैंपल किया जा सके। आगमन समय (arrival time) को इन्फ्लेक्शन पॉइंट निर्धारित करने के लिए एरर फंक्शन के साथ क्युमुलेटिव रिस्पॉन्स को फिट करके ऑफलाइन पुनर्निर्मित किया जाता है।
इलेक्ट्रॉनिक्स और रीडआउट: यह डिटेक्टर LHCb कैलोरीमीटर में उपयोग किए जाने वाले समान फ्रंट-एंड (FE) बोर्डों का उपयोग करता है, जो सिग्नल एम्प्लीफिकेशन और इंटीग्रेशन के लिए ICECAL ASIC का उपयोग करते हैं। डेटा को Intel Arria 10 FPGAs वाले TELL40 बैक-एंड बोर्ड्स द्वारा प्रोसेस किया जाता है। कस्टम फर्मवेयर पेडस्टल सबट्रैक्शन, थ्रेशोल्डिंग और प्रति बंच क्रॉसिंग काउंट के संचय को संभालता है। एक समर्पित मॉनिटरिंग सिस्टम क्वार्ट्ज फाइबर के माध्यम से इंजेक्ट किए गए LED पल्स का उपयोग करता है जो PMT गेन को कैलिब्रेट करता है, जिसे उच्च सांख्यिकी के लिए TELL40 RAM मेमोरी का उपयोग करने वाली डेटा-ड्रिवन तकनीक द्वारा पूरक किया जाता है।
रिडंडेंसी: गैर-मानक स्थितियों (जैसे TFC सिग्नल लॉस) के दौरान परिचालन निरंतरता सुनिश्चित करने के लिए PMT एनोड करंट पर आधारित एक वैकल्पिक ल्यूमिनोसिटी मॉनिटरिंग विधि विकसित की गई थी, हालांकि यह SMOG2 योगदान को हटाने में असमर्थता के कारण सीमित है।

प्रमुख योगदान

डिटेक्टर कार्यान्वयन: LHCb इंटरेक्शन पॉइंट के कठोर विकिरण वातावरण में रियल-टाइम ल्यूमिनोसिटी और टाइमिंग मॉनिटरिंग के लिए एक 48-चैनल PMT-आधारित होडोस्कोप का सफल कमीशनिंग और संचालन।
फर्मवेयर विकास: 2.4 सेकंड के लेटेंसी (जो 3.0-सेकंड की LHC आवश्यकता के भीतर है) के साथ ऑनलाइन ल्यूमिनोसिटी गणना करने और उच्च-सटीक टाइमिंग पुनर्निर्माण करने के लिए TELL40 बोर्ड्स पर कस्टम फर्मवेयर का कार्यान्वयन।
कैलिब्रेशन रणनीतियाँ: कम दर वाले टकरावों या छोटे फिल्ल्स के दौरान सांख्यिकीय सीमाओं को दूर करने के लिए फुल-रेट TELL40 रीडआउट का उपयोग करने वाली डेटा-ड्रिवन तकनीक के साथ LED-आधारित मॉनिटरिंग को संयोजित करने वाला एक दोहरा दृष्टिकोण विकसित करना।
सिस्टम एकीकरण: ल्यूमिनोसिटी लेवलिंग के लिए लो-लेटेंसी फीडबैक और इंटीग्रेटेड ल्यूमिनोसिटी निर्धारण के लिए ऑफलाइन विश्लेषण दोनों को सक्षम करने के लिए LHCb एक्सपेरिमेंट कंट्रोल सिस्टम (ECS) और डेटा एक्विजिशन (DAQ) फ्रेमवर्क में PLUME का एकीकरण।

परिणाम
रन 3 के 2024–2026 डेटा-टेकिंग अवधि के दौरान, PLUME ने स्थिर रूप से कार्य किया, और 99% से अधिक स्थिर-बीम समय के लिए ल्यूमिनोसिटी माप प्रदान किया।

इंटीग्रेटेड ल्यूमिनोसिटी: $\sqrt{s} = 13.6$ TeV पर $pp $टकरावों में LHCb द्वारा रिकॉर्ड की गई कुल इंटीग्रेटेड ल्यूमिनोसिटी, जैसा कि प्रदर्शन निगरानी के लिए PLUME ऑनलाइन काउंटर्स द्वारा मापा गया है,$ L = (26.71 \pm 1.07) \text{ fb}^{-1} $है। यह$ 9.56 \pm 0.39 \text{ fb}^{-1} $(2024),$ 11.81 \pm 0.48 \text{ fb}^{-1} $(2025), और$ 5.34 \pm 0.22 \text{ fb}^{-1}$ (2026) में विभाजित है।
अनिश्चितता: ऑनलाइन ल्यूमिनोसिटी निर्धारण पर कुल सापेक्ष व्यवस्थित अनिश्चितता 4.0% है। प्रमुख योगदान (3.1%) vdM स्कैन्स के दौरान दृश्य क्रॉस-सेक्शन्स के निर्धारण से आता है। अन्य योगदानों में गेन कैलिब्रेशन (0.4%), माप की अनुकूलता (1.7%), और ऑनलाइन काउंटर्स के बीच निरंतरता (1.9%) शामिल हैं।
गेन स्थिरता: PMT गेन को लक्ष्य मान के सापेक्ष लगभग 1% की सटीकता के साथ बनाए रखा गया था। निरंतर गेन बनाए रखने के लिए हाई-वोल्टेज समायोजन पर्याप्त थे, और एक्सट्रपलेशन से संकेत मिलता है कि अधिकतम वोल्टेज सीमाएं अपेक्षित रन 4 के एक्सपोजर के बहुत बाद तक नहीं पहुंचेंगी।
टाइमिंग प्रदर्शन: PLUME टाइमिंग माप ने लगभग 8 ps का रेजोल्यूशन प्राप्त किया। मापे गए कोलिजन-क्लॉक फेज अंतर ने बीम पिक-अप टाइमिंग (BPTX) सिस्टम के साथ अच्छा समग्र तालमेल दिखाया, हालांकि 200 ps तक के अंतर देखे गए, जिन्हें दोनों प्रणालियों द्वारा मापे गए अलग-अलग भौतिक मात्राओं के कारण जिम्मेदार ठहराया गया।

महत्व
यह पेपर PLUME को रन 3 के दौरान LHCb प्रयोग के लिए एक विश्वसनीय और बहुमुखी उपकरण के रूप में स्थापित करता है। इसने ल्यूमिनोसिटी लेवलिंग प्रक्रिया को नियंत्रित करने के लिए डिटेक्टर के रूप में अपनी प्राथमिक भूमिका को सफलतापूर्वक पूरा किया है, जो इंस्टेंटेनियस ल्यूमिनोसिटी को स्थिर करने के लिए आवश्यक रियल-टाइम फीडबैक प्रदान करता है। इसके अतिरिक्त, PLUME निरंतर टाइमिंग अलाइनमेंट के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण के रूप में कार्य करता है, जो मौजूदा बीम इंस्ट्रूमेंटेशन के पूरक के रूप में बीम फेज का एक स्वतंत्र माप प्रदान करता है। पेपर में उल्लेख किया गया है कि जबकि PLUME डिटेक्टर प्रदर्शन निगरानी के लिए उपयोग किए जाने वाले ऑनलाइन ल्यूमिनोसिटी मान प्रदान करता है, भौतिकी विश्लेषणों में उपयोग किए जाने वाले ल्यूमिनोसिटी मान समर्पित ऑफलाइन कैलिब्रेशन के माध्यम से अलग से निर्धारित किए जाते हैं और उन्हें एक अलग प्रकाशन में रिपोर्ट किया जाएगा। रन 3 के दौरान प्रदर्शित परिचालन स्थिरता और प्रदर्शन भविष्य के उच्च-ल्यूमिनोसिटी संचालन के लिए डिटेक्टर डिजाइन और संबंधित रीडआउट और कैलिब्रेशन सिस्टम को मान्य करता है।

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