CN113218634B - X射线管性能测试设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X射线管性能测试设备，包括真空腔体、冷阴极测试组件、栅极升降组件、液冷阳极组件、焦斑测试组件、高真空度温控组件和X射线管性能测试系统，所述真空腔体上设有舱门以及内部设有载物平台。该X射线管性能测试设备具有阴极、栅极可调节，阳极可替换的特征，可用于冷阴极X射线管在制备前各项仿真数据的验证，在无需制备成管的情况下很方便的调整射线管性能的各项参数，亦可检验石墨电弧法、固相热解法、化学气相沉积、热解聚合物、丝网印刷等不同制备工艺下不同批次的冷阴极性能。这些特点能够极大的缩短冷阴极X射线管的开发时间，节省制管验证费用；对冷阴极进行质量检查，提升冷阴极X射线管的工作稳定性及成品率。

Description

X射线管性能测试设备

技术领域

本发明属于X射线管的性能检测设备技术领域，具体的说是涉及一种X射线管性能测试设备。

背景技术

在场致发光技术中，使用尖锥阵列和以金刚石、类金刚石、碳纳米管和碳纤维为代表的新型材料制作的阴极，当对场致发射的阴极衬底涂覆层施加一定电场时，就会降低阴极涂覆材料的表面势垒的高度和宽度，因为隧穿效应，一部分费米能级附近的高能电子会穿越阴极表面势垒，溢出表面而飞向阳极，形成电流。此过程不需要额外的能量来激发电子，具有响应快、能量损耗小、发射效率高等特点，并且因为使用纳米材料作为电子源，体积小巧，所造出的X射线管结构紧凑，降低了X射线管焦点的尺寸，使其能够满足当前市场对X射线管的诸多要求。

尽管场致发射阴极作为X射线管电子源表现出了优异的性能和极大的发展潜力，但其中也存在许多亟待解决的问题。比如：①阴极表面涂覆层材料不论是石墨烯还是碳纳米管，生长过程中易受外界因素的影响，生长均一性难以保证，造成每个冷阴极的电流发射密度不一致。②冷阴极射线管长时间工作，稳定性有待提高。一方面，由于冷阴极自身直径小，涂覆层与衬底接触面积小，导致连接处接触不良，增大了连接处的电阻，连续工作时产生的热量可能导致部分涂覆层的损毁。另一方面，在长时间工作过程中可能产生的二次电子回轰，这些也会导致热量不断累积，最终烧毁表面涂覆层，致使发射电流密度下降，电子束流打在钨靶上产生的X射线的数量减少，输出功率下降。这些情况都需要通过更换零件如聚焦极、栅极、阳极，或调整阴极-栅极间距、栅极-阳极间距等手段从而达到增大/减小管电流和焦斑大小的目的，以便汇聚更多的电子束流打在靶材上，来保证输出功率的稳定。

因为场致发射阴极发射电子时所处的量子状态，通过现有技术难以精确进行仿真，每次需要制管后才能对仿真结果进行验证，再对尺寸结构进行微调，所需时间较长、费用较高。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供了一种X射线管性能测试设备，不用焊接即可调整并测试X射线管各项性能，具有操作简单，更方便调整I-V特性、调整焦斑大小，采集其各项过程数据，便于制备性能更加优异的冷阴极X射线管。同时能够在此过程中对碳纳米管阴极进行老炼，筛选各种制备工艺、不同批次的碳纳米管阴极，提升X射线管产品的良品率。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种X射线管性能测试设备，包括真空腔体、冷阴极测试组件、栅极升降组件、液冷阳极组件、焦斑测试组件、高真空度温控组件和X射线管性能测试系统，所述真空腔体上设有舱门以及内部设有载物平台；

所述冷阴极测试组件包括设于所述载物平台上的可旋转的冷阴极测试平台、用于驱动所述冷阴极测试平台进行旋转的旋转驱动组件、能够固定于所述冷阴极测试平台上的若干个冷阴极组件、为所述冷阴极测试平台上的若干个冷阴极组件提供负高压的负高压线缆组件；

所述栅极升降组件包括设于所述载物平台上的若干个栅极升降支架、用于驱动每个栅极升降支架进行升降的升降驱动机构，以及固定于所述栅极升降支架上的栅极；

所述液冷阳极组件包括设于所述载物平台上的阳极支架、固定于所述阳极支架顶部的阳极定位件、固定于所述阳极定位件上的阳极，以及为所述阳极提供正高压的正高压线缆组件，所述阳极的中心轴与所述栅极的中心轴及所述冷阴极组件内的冷阴极的中心轴位于同一轴线位置；

所述焦斑测试组件包括设于所述载物平台并位于所述阳极定位件一侧的针孔光阑，以及设于所述真空腔体外并与所述针孔光阑位于同一水平线上的X射线相机；

所述高真空度温控组件包括为所述真空腔体进行真空度控制的抽真空系统，为所述真空腔体进行温度控制的加热系统和液冷系统；

所述X射线管性能测试系统包括用于监控及控制所述抽真空系统、加热系统和液冷系统的可视化控制系统，用于测试和记录所述负高压线缆组件和正高压线缆组件对所述冷阴极输入的电压和电流数据，并以此绘制所述冷阴极的I-V曲线的I-V特性测试单元，以及用于记录所述X射线相机的焦斑信号并绘制对应的X射线密度分布曲线图并能够计算焦点尺寸的焦斑测试单元。

作为本发明的进一步改进，所述真空腔体为两个半球体分别对称设置在一个圆柱体的两端而成的中空腔体结构，所述舱门设于所述真空腔体的前部，所述舱门上设有观察窗口；所述观察窗口外部设有用于固定所述X射线相机的相机固定夹具。

作为本发明的进一步改进，所述真空腔体的外壳为双层结构，该双层结构内置有冷却水路形成所述液冷系统。

作为本发明的进一步改进，所述冷阴极测试平台为圆盘形，其周边均匀设置若干个阴极安装卡槽。

作为本发明的进一步改进，所述冷阴极组件包括阴极基座、聚焦极、和冷阴极，所述阴极基座中部设有阴极基座卡槽与所述平台支架上的阴极安装卡槽配合；所述阴极基座顶部中心设有阴极定位槽，所述冷阴极的底部卡入该阴极定位槽内，所述聚焦极扣合于所述冷阴极的外周。

作为本发明的进一步改进，所述载物平台设于载物升降支架上，所述真空腔体内固定有载物台升降电机，所述载物台升降电机能够通过所述载物升降支架带动所述载物平台升降。

作为本发明的进一步改进，所述旋转驱动组件包括固定于所述载物平台上的旋转电机和活动穿置于所述载物平台上的冷阴极平台支撑架，所述旋转电机能够驱动所述阴极平台支撑架相对所述载物平台旋转设定的角度，所述冷阴极测试平台固定于所述阴极平台支撑架的上端部上。

作为本发明的进一步改进，所述升降驱动机构包括固定于所述载物平台上的升降电机，所述栅极升降支架活动设置于所述载物平台上，所述升降电机与所述栅极升降支架的底部传动连接。

作为本发明的进一步改进，所述阳极包括快插接头、阳极底座、可替换阳极和靶材组成，两个所述快插接头固定于所述阳极底座的一端面上，所述可替换阳极通过螺纹固定于所述阳极底座的另一端面上，所述靶材钎焊于所述可替换阳极的中心。

作为本发明的进一步改进，所述真空腔体底部设有至少1个真空计、1个充放气泄压管道和5个真空电极，至少5个真空电极分别按需求接入负高压电源、正高压电源及零线。

本发明的有益效果是：该X射线管性能测试设备具有阴极、栅极可调节，阳极可替换的特征，可用于冷阴极X射线管在制备前各项仿真数据的验证，在无需制备成管的情况下很方便的调整射线管性能的各项参数，亦可检验石墨电弧法、固相热解法、化学气相沉积、热解聚合物、丝网印刷等不同制备工艺下不同批次的冷阴极性能。这些特点能够极大的缩短冷阴极X射线管的开发时间，节省制管验证费用；对冷阴极进行质量检查，提升冷阴极X射线管的工作稳定性及成品率。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明内部结构示意图；

图3为图2另一视角结构示意图；

图4为本发明所述冷阴极组件结构示意图；

图5为图4的剖面结构示意图；

图6为本发明所述液冷阳极组件结构示意图；

图7为图6的剖面结构示意图；

图8为本发明焦斑测试示意图。

结合附图，作以下说明：

1——真空腔体； 11——舱门；

12——载物平台； 13——观察窗口；

121——载物升降支架； 122——载物台升降电机；

2——冷阴极测试组件； 21——冷阴极测试平台；

211——阴极安装卡槽； 22——旋转驱动组件；

221——旋转电机； 222——冷阴极平台支撑架；

23——冷阴极组件； 231——阴极基座；

232——聚焦极； 233——冷阴极；

2311——阴极基座卡槽； 2312——阴极定位槽；

24——负高压线缆组件； 3——栅极升降组件；

31——栅极升降支架； 32——升降驱动机构；

321——升降电机； 33——栅极；

4——液冷阳极组件； 41——阳极支架；

42——阳极定位件； 43——阳极；

431——快插接头； 432——阳极底座；

433——可替换阳极； 434——靶材；

44——正高压线缆组件； 5——焦斑测试组件；

51——针孔光阑； 52——X射线相机；

53——相机固定夹具； 6——高真空度温控组件；

61——抽真空系统； 63——液冷系统。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

参阅图1-3，为本发明所述的一种X射线管性能测试设备，主要包括真空腔体1、冷阴极测试组件2、栅极升降组件3、液冷阳极组件4、焦斑测试组件5、高真空度温控组件6和X射线管性能测试系统(图中未标识)。

其中，真空腔体1呈胶囊形状，即为两个对称的半球体分别对称设置在一个圆柱体的两端而成的中空腔体结构，真空腔体内置有用于搭载测试组件的载物平台12。真空腔体前部设有舱门11，用于取放测试的X射线管或更换靶材等。舱门11上设有观察窗口13，便于观察真空腔体内的实时情况。

真空腔体1底部设有至少5个真空电极，接入1个真空计和1个充放气泄压管道，5个真空电极分别按需求接入负高压电源、正高压电源及零线，真空计用于检测真空腔体1内的真空度，充放气泄压管道可用于向真空腔体内充入高纯氮气或氩气等其他惰性其他使产品始终处于惰性其他保护范围内。

其中，高真空度温控组件6包括为真空腔体1进行真空度控制的抽真空系统61、为真空腔体进行温度控制的加热系统(图中未标识)和液冷系统63。

抽真空系统61由前级泵、分子泵、电控气动闸阀及CF密封法兰组成。前级泵和分子泵组合一起提供高真空度环境，系统密闭状态下保持真空度≤10^-6Pa，两泵之间管道接上述真空计；电控气动闸阀负责泵与真空腔体之间管路的通断，使压升率＜4×10^-2Pa/h。

加热系统采用烘烤灯或加热带等方式，可使真空腔体加热并维持至300℃，用于对系统除气，提高真空腔体1冷态的真空度，使放置于真空腔体内的冷阴极处于优异的发射状态，便于对其性能进行测试。

液冷系统63配有液冷机组及至少三套可独立开/断的冷却管路。一套用于真空腔体的冷却循环，一套用于阳极的冷却，最后一套用于分子泵的冷却。真空腔体1的外壳体设为双层结构，液冷系统63的冷却管路设置于该双层结构内。

其中，所述载物平台12设于载物升降支架121上，所述真空腔体内固定有载物台升降电机122，所述载物台升降电机122能够通过所述载物升降支架121带动所述载物平台升降，比如皮带传动或齿轮传动机构。即当载物平台需要进行升降操作时，通过载物台升降电机122带动载物升降支架121升降，而载物平台12固定于载物升降支架121上，从而实现载物平台12的升降调节。

所述冷阴极测试组件2包括设于载物平台上的可旋转的冷阴极测试平台21、用于驱动冷阴极测试平台进行旋转的旋转驱动组件22、能够固定于冷阴极测试平台21上的若干个冷阴极组件23、为冷阴极测试平台21上的若干个冷阴极组件23提供负高压的负高压线缆组件24。

冷阴极测试平台21为圆盘形，其周边均匀设置若干个阴极安装卡槽211，用于定位冷阴极组件23。冷阴极组件23包括阴极基座231、聚焦极232和冷阴极233，阴极基座中部设有阴极基座卡槽2311与平台支架21上的阴极安装卡槽配合。即将需检测的若干个冷阴极组件23分别通过每个阴极基座中部设有的阴极基座卡槽2311卡入到圆盘形冷阴极测试平台21上的每个阴极安装卡槽211上，实现待检测的一批冷阴极组件23的定位。阴极基座231顶部中心设有阴极定位槽2312，冷阴极233的底部卡入该阴极定位槽2312内，聚焦极232扣合于冷阴极233的外周。

旋转驱动组件22包括固定于载物平台12上的旋转电机221和活动穿置于载物平台12上的冷阴极平台支撑架222，旋转电机221能够驱动阴极平台支撑架222相对载物平台12旋转设定的角度，冷阴极测试平台固定于阴极平台支撑架222的上端部上。旋转电机221用于带动阴极平台支撑架222进行旋转，进而带动冷阴极测试平台21进行旋转，实现固定于冷阴极测试平台21上的每组冷阴极组件23的测试。而载物平台12又可以升降，从而可以实现每组冷阴极组件23的高度和角度的调节。

其中，栅极升降组件3包括设于载物平台12上的若干个栅极升降支架31、用于驱动每个栅极升降支架进行升降的升降驱动机构32，以及固定于栅极升降支架31上的栅极33。升降驱动机构32包括固定于所述载物平台12上的升降电机321，所述栅极升降支架31活动设置于所述载物平台12上，所述升降电机321与升降支架31的底部传动连接。

本实施例设置了3组栅极升降支架31，可以固定3种不同类型和型号的栅极33。当需要调整栅极相对载物平台12的高度即栅极相对冷阴极组件23的高度时，可以通过升降驱动机构32的升降电机321带动栅极升降支架31升降，从而实现栅极33的升降调节，进而可以调节栅极33和冷阴极组件23之间的相对高度。

其中，液冷阳极组件4包括设于所述载物平台上的阳极支架41、固定于所述阳极支架顶部的阳极定位件42、固定于所述阳极定位件42上的阳极43，以及为所述阳极43提供正高压的正高压线缆组件44，所述阳极43的中心轴与所述栅极33的中心轴及所述冷阴极组件23内的冷阴极的中心轴位于同一轴线位置。

阳极43包括快插接头431、阳极底座432、可替换阳极433和靶材434组成，两个所述快插接头431固定于所述阳极底座432的一端面上，所述可替换阳极433通过螺纹固定于所述阳极底座432的另一端面上，靶材434钎焊于所述可替换阳极433的中心。阳极上设有进出液冷管路，形成阳极冷却水路。

其中，焦斑测试组件5包括设于所述载物平台并位于所述阳极定位件42一侧的针孔光阑51，以及设于所述真空腔体外并与所述针孔光阑位于同一水平线上的X射线相机52，真空腔体的观察窗口13外部设有相机固定夹具53，X射线相机52固定设于该相机固定夹具53上。针孔光阑51通过支架固定于载物平台上。上述可替换阳极433设置靶材434的一端面以5°～45°倾斜设置，这样冷阴极组件23上的冷阴极发射的电子沿竖直方向轰击阳极靶材，靶材产生水平方向X光的有效光斑，刚好经针孔光阑51到达X射线相机52，便于焦斑的测试。

其中，X射线管性能测试系统(图中未标识)包括用于监控及控制所述抽真空系统61、加热系统和液冷系统63的可视化控制系统，用于测试和记录所述负高压线缆组件24和正高压线缆组件44对所述冷阴极输入的电压和电流数据，并以此绘制所述冷阴极的I-V曲线的I-V特性测试单元，以及用于记录所述X射线相机52的焦斑信号并绘制对应的X射线密度分布曲线图并能够计算焦点尺寸的焦斑测试单元。可视化控制系统还可用于监控每个组件的状态，控制其开/断，并对异常状态发出警报。该X射线管性能测试系统可安装于计算机上，便于实时操控。

以下详细说明本X射线管性能测试设备的使用方法及测试步骤：

步骤1：安装待测试的冷阴极、阳极和栅极：

将冷阴极233装入置于阴极定位槽2312内，将聚焦极232罩在冷阴极233上，沿阴极安装卡槽211将组合完成的若干个冷阴极组件23分别对应滑入冷阴极测试平台21上。

通过螺钉将所需3个栅极分别固定于3个栅极升降支架31上。

将两个液冷快插接头431穿过阳极支架41的孔位拧入阳极底座432的螺孔内，使其固定于阳极支架41上，将可替换阳极43旋入阳极底座432上。调整可替换阳极斜面位置使其X光的反射面正对针孔光阑，调整阳极高度使有效焦点、光阑中心孔、观察窗口中心处于同一轴线。

将X射线相机固定于相机固定夹具上，调整相机固定夹具固定于对应的螺钉孔，使X射线相机的影像中心与观察窗口13中心处于同一轴线。

步骤2：接入电路：

按需将各组件接入对应电路，同时打开X射线管性能测试系统，并打开对应的抽真空系统61、加热系统和液冷系统63，待真空度稳定≤10-6Pa时，通过X射线管性能测试系统控制真空炉加热并稳定至300℃，维持1小时进行除气，除气完成后关闭加热系统，待冷却至室温便可准备测试。

步骤3：性能测试：

通过X射线管性能测试系统调节正/负高压设备输出功率，I-V曲线记录仪获得冷阴极对应的电流与电压特性数据，通过PC端处理生成曲线图并保存相关数据。

焦点测试，使冷阴极产生的电子穿过栅极孔，打在阳极靶材上产生有效焦点的X射线穿过针孔光阑，透过舱门上的玻璃观察窗口，打在X射线相机的接收器上，经过电信号反馈到电脑，经电脑分析研究，产出一条X射线管焦点处射线密度分布的曲线图，根据该曲线图，得出该X射线管的焦点尺寸。

通过切换不同阴极，重复上述步骤，得到每个阴极和不同管型的性能数据。

测试完毕后，控制关闭对应高压电路并进行放电动作，打开泄压管道，充入N2或氩气等惰性气体，待内外大气压平衡后，方可打开舱门取出冷阴极。

以上测试步骤，也可以根据需要进行相应的调整。

由此可见，该X射线管性能测试设备具有阴极、栅极可调节，阳极可替换的特征，可用于冷阴极X射线管在制备前各项仿真数据的验证，在无需制备成管的情况下很方便的调整射线管性能的各项参数，亦可检验石墨电弧法、固相热解法、化学气相沉积、热解聚合物、丝网印刷等不同制备工艺下不同批次的冷阴极性能。这些特点能够极大的缩短冷阴极X射线管的开发时间，节省制管验证费用；对冷阴极进行质量检查，提升冷阴极X射线管的工作稳定性及成品率。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种X射线管性能测试设备，其特征在于：包括真空腔体(1)、冷阴极测试组件(2)、栅极升降组件(3)、液冷阳极组件(4)、焦斑测试组件(5)、高真空度温控组件(6)和X射线管性能测试系统，所述真空腔体上设有舱门(11)以及内部设有载物平台(12)；

所述冷阴极测试组件(2)包括设于所述载物平台上的可旋转的冷阴极测试平台(21)、用于驱动所述冷阴极测试平台进行旋转的旋转驱动组件(22)、能够固定于所述冷阴极测试平台(21)上的若干个冷阴极组件(23)、为所述冷阴极测试平台(21)上的若干个冷阴极组件(23)提供负高压的负高压线缆组件(24)；

所述栅极升降组件(3)包括设于所述载物平台上的若干个栅极升降支架(31)、用于驱动每个栅极升降支架进行升降的升降驱动机构(32)，以及固定于所述栅极升降支架(31)上的栅极(33)；

所述液冷阳极组件(4)包括设于所述载物平台上的阳极支架(41)、固定于所述阳极支架顶部的阳极定位件(42)、固定于所述阳极定位件(42)上的阳极(43)，以及为所述阳极(43)提供正高压的正高压线缆组件(44)，所述阳极的中心轴与所述栅极(33)的中心轴及所述冷阴极组件(23)内的冷阴极的中心轴位于同一轴线位置；

所述焦斑测试组件(5)包括设于所述载物平台并位于所述阳极定位件(42)一侧的针孔光阑(51)，以及设于所述真空腔体外并与所述针孔光阑位于同一水平线上的X射线相机(52)；

所述高真空度温控组件(6)包括为所述真空腔体进行真空度控制的抽真空系统(61)，为所述真空腔体进行温度控制的加热系统和液冷系统(63)；

所述X射线管性能测试系统包括用于监控及控制所述抽真空系统(61)、加热系统和液冷系统(63)的可视化控制系统，用于测试和记录所述负高压线缆组件(24)和正高压线缆组件(44)对所述冷阴极输入的电压和电流数据，并以此绘制所述冷阴极的I-V曲线的I-V特性测试单元，以及用于记录所述X射线相机(52)的焦斑信号并绘制对应的X射线密度分布曲线图并能够计算焦点尺寸的焦斑测试单元。

2.根据权利要求1所述的X射线管性能测试设备，其特征在于：所述真空腔体为两个半球体分别对称设置在一个圆柱体的两端而成的中空腔体结构，所述舱门(11)设于所述真空腔体的前部，所述舱门上设有观察窗口(13)；所述观察窗口(13)外部设有用于固定所述X射线相机(52)的相机固定夹具(53)。

3.根据权利要求2所述的X射线管性能测试设备，其特征在于：所述真空腔体的外壳为双层结构，该双层结构内置有冷却水路形成所述液冷系统(63)。

4.根据权利要求1所述的X射线管性能测试设备，其特征在于：所述冷阴极测试平台(21)为圆盘形，其周边均匀设置若干个阴极安装卡槽(211)。

5.根据权利要求4所述的X射线管性能测试设备，其特征在于：所述冷阴极组件(23)包括阴极基座(231)、聚焦极(232)、和冷阴极(233)，所述阴极基座中部设有阴极基座卡槽(2311)与所述平台支架上的阴极安装卡槽(211)配合；所述阴极基座(231)顶部中心设有阴极定位槽(2312)，所述冷阴极(233)的底部卡入该阴极定位槽(2312)内，所述聚焦极(232)扣合于所述冷阴极(233)的外周。

6.根据权利要求1所述的X射线管性能测试设备，其特征在于：所述载物平台设于载物升降支架(121)上，所述真空腔体内固定有载物台升降电机(122)，所述载物台升降电机(122)能够通过所述载物升降支架(121)带动所述载物平台升降。

7.根据权利要求6所述的X射线管性能测试设备，其特征在于：所述旋转驱动组件(22)包括固定于所述载物平台(12)上的旋转电机(221)和活动穿置于所述载物平台(12)上的冷阴极平台支撑架(222)，所述旋转电机(221)能够驱动所述阴极平台支撑架(222)相对所述载物平台(12)旋转设定的角度，所述冷阴极测试平台固定于所述阴极平台支撑架(222)的上端部上。

8.根据权利要求6所述的X射线管性能测试设备，其特征在于：所述升降驱动机构(32)包括固定于所述载物平台(12)上的升降电机(321)，所述栅极升降支架(31)活动设置于所述载物平台(12)上，所述升降电机(321)与所述栅极升降支架(31)的底部传动连接。

9.根据权利要求1所述的X射线管性能测试设备，其特征在于：所述阳极(43)包括快插接头(431)、阳极底座(432)、可替换阳极(433)和靶材(434)组成，两个所述快插接头(431)固定于所述阳极底座(432)的一端面上，所述可替换阳极(433)通过螺纹固定于所述阳极底座(432)的另一端面上，所述靶材(434)钎焊于所述可替换阳极(433)的中心。

10.根据权利要求9所述的X射线管性能测试设备，其特征在于：所述真空腔体底部设有至少1个真空计、1个充放气泄压管道和5个真空电极，至少5个真空电极分别按需求接入负高压电源、正高压电源及零线。

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