CN114235868A - 一种具有自动调焦功能的差分高能电子衍射系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电路技术领域，具体说是一种具有自动调焦功能的差分高能电子衍射系统及方法。包括PC机、高能电源箱、以及安装在真空腔室腔壁上的高能电子枪、荧光屏、样品台和CCD相机；PC机输出端与高能电源箱连接，输入端与CCD相机连接，接收CCD相机采集在荧光屏上的衍射图像，并得到控制输入电压传输至高能电源箱，实时接收高能电子枪的控制输出电压；高能电源箱接收的控制输入电压对高能电子枪进行调整聚焦；高能电子枪接收到高能电源箱传输的调整的控制输出电压，并发送电子束至样品台上；本发明将采集的图像数据作为控制输入、通过获取控制电压输出、形成闭环控制，自动调节衍射图像的质量，避免了手动调节带来的误差，并降低了设备操作的复杂性。

Description

一种具有自动调焦功能的差分高能电子衍射系统及方法

技术领域

本发明涉及电路技术领域，具体说是一种具有自动调焦功能的差分高能电子衍射系统及方法。

背景技术

高能电子衍射仪是通过晶体材料对电子衍射来得到晶格间距等信息，通过光斑强度的变化实现在线监控晶体的长膜过程，所以产生高质量的图像以及对图像合理的处理便成了设备的首要问题。目前高能电子衍射仪主要是手动的方式调节电子束光斑和衍射花样，通过人眼观察的方式判断光斑和衍射花样是否达到标准，这种调节方式和判断方式非常容易受到外界因素的影响，难以形成统一的标准，这势必会对实验结果带来一定的误差，从而影响实验的精度和准确性。

发明内容

为了解决现有手动调节方式引起的上述技术问题，本发明提供了一种具有自动调焦功能的差分高能电子衍射系统及方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种具有自动调焦功能的差分高能电子衍射系统，包括PC机、高能电源箱、以及安装在真空腔室腔壁上的高能电子枪、荧光屏、样品台和CCD相机；

所述PC机输出端通过RS232串口数据线与高能电源箱连接，输入端通过USB接口与CCD相机连接，用于接收CCD相机采集在荧光屏上的衍射图像，并经PC机处理后得到控制输入电压传输至高能电源箱，同时实时接收高能电源箱驱动高能电子枪的控制输出电压；

高能电源箱，用于将接收PC机传输的控制输入电压的数字量信号转换为控制输入电压的模拟量信号对高能电子枪进行调整聚焦；

高能电子枪，用于接收到高能电源箱传输的调整的控制输出电压，并发送电子束至样品台上；

荧光屏，用于高能电子枪的电子束经样品台衍射在荧光屏上显示出的衍射图像。

所述真空腔室相对设有两个法兰端口，所述高能电子枪安装在一个法兰端口上，另一个法兰端口上设有套筒，所述套筒内安装有CCD相机，所述两个法兰端口之间设有可进行调整高度和角度的样品台，所述样品台垂直于地面安装在真空腔室内。

所述高能电源箱包括：自动调焦控制板、电源控制板、运算放大电路、变压器以及高压接口；

所述自动调焦控制板，用于接收PC机传输的控制输入电压至电源控制板，并实时采集电源控制板发送至高能电子枪的控制输出电压；回传控制输出电压至PC机；

所述电源控制板接收到控制输出电压并发送至高能电子枪；

所述运算放大电路，与变压器连接，通过高压接口与高能电子枪连接，用于放大控制输出电压输出；

所述自动调焦控制板包括通信端口、控制电压输入端口以及控制电压输出端口；

所述自动调焦控制板的控制电压输入端口与电压控制板的输出端口连接；

所述自动调焦控制板的控制电压输出端口与电压控制板的输入端口连接；

所述自动调焦控制板的通信端口和数据传输端口分别与PC机连接。

所述自动调焦控制板的通讯端口与PC机之间设有DA转换电路，用于将实时采集的控制输出电压模拟量转换为控制输出电压数字量；

所述自动调焦控制板的控制电压输出端口与电压控制板的输入端口之间设有DA转换电路，用于自动调焦控制板将接收的PC机解算得到控制输入电压数值转换为电压模拟量至电压控制板；

所述自动调焦控制板控制电压输入端口与电压控制板的输出端口之间设有AD转换电路，用于实时采集电压控制板的控制输出电压的数字量转换为控制输出电压模拟量，以供自动调焦控制板将转换的控制输出电压模拟量经通讯端口传输至PC机。

一种具有自动调焦功能的差分高能电子衍射方法，包括以下步骤：

1)通过CCD相机实时采集电子束在荧光屏上的衍射图像，CCD相机将衍射图像的图像信息通过USB数据线实时传输至PC机上，PC机将图像信息形成电子束斑亮度矩阵；

2)PC机接收到荧光屏上的电子束斑亮度矩阵，通过PC机中的用于控制输入电压数值的自动聚焦算法判断电子束在荧光屏上的衍射图像是否为聚焦状态，PC机根据聚焦状态进行调整当前图像对应的聚焦极的控制输入电压数值；

3)高能电源箱中的自动调焦控制板通过串口数据线接收来自PC机解算得到的当前图像对应的聚焦极的控制输入电压数值，自动调焦控制板将控制输入电压数值经DA转换电路输出至电压控制板，电压控制板接收到经DA转换电路输出的模拟量，输出控制输出电压，同时，自动调焦控制板通过AD转换电路实时采集电压控制板的控制输出电压；自动调焦控制板将实时采集电压控制板的控制输出电压通过串口线传输至PC机，作为PC机的自动聚焦算法分析解算的输入；

4)电压控制板将自动调焦板输出的电压作为输入，依次经高能电源箱内的运算放大电路和变压器，在高能电源箱上的高压接口处生成输出电压，电压经线缆输出至高能电子枪，高能电子枪在输出电压的作用下激发生成电子束，电子束以设定的角度照射样品台，在荧光屏上生成衍射图像，循环步骤1)～4)。

所述通过PC机中的用于控制输入电压数值的自动聚焦算法判断电子束在荧光屏上的衍射图像是否为聚焦状态，具体为：

(1)初步调整聚焦电压：选取电子束斑的极值点为圆心，极值点与亮度为零点之间的范围为电子束斑区域，调整电子束斑大小至荧光屏设定值时，完成初步调整步骤，进入校准调整步骤；

(2)判断电子束斑的聚焦状态：根据电子束斑亮度矩阵，形成电子束斑空间亮度的空间分布，当极值点亮度小于周围点亮度，则判定电子束斑处于过焦状态，进行校准调整；

(3)校准调整：调整控制输入电压直至极值点亮度大于周围点亮度，使电子束斑处于欠焦状态，对此时的电子束斑空间亮度的空间分布进行亮度分布判断，若电子束斑空间亮度的空间分布满足高斯分布，则电子束斑处于聚焦状态；否则，电子束斑处于欠焦状态，再次进行校准调整直至得到电子束斑空间亮度的空间符合高斯分布，完成校准调整，即完成自动对焦。

所述步骤(1)具体为：

当电子束斑的大小大于荧光屏的1％时，则需要调整控制输入电压至最小或最大值，在调整控制输入电压过程中，若电子束斑尺寸增大，则调整控制输入电压的方向错误，需反方向调整；反之，则调整控制输入电压方向正确；直至调整电子束斑的大小至荧光屏的1％时，停止调整控制输入电压。

所述步骤(3)具体为：

设定极值点亮度为1进行电子束斑像素点亮度均一化处理，同时将电子束斑尺寸进行均一化处理；

当电子束斑中距离极值点小于0.4范围内的位置点亮度大于0.6，且距离极值点0.6范围内的位置点亮度小于0.4，则认为束斑亮度分布符合高斯分布；

反之，亮度分布不符合高斯分布时，对聚焦电压向欠焦方向进行校准调整，直至电子束斑尺寸满足最小值和亮度符合高斯分布两个条件，电子束达到聚焦状态。

本发明具有以下有益效果及优点：

本发明将采集的图像数据作为控制输入、通过算法计算得到控制电压输出、形成闭环控制，自动调节衍射图像的质量，避免了手动调节带来的误差，使得到的衍射图像有一个统一的标准，并且降低了设备操作的复杂性。

附图说明

图1为本发明的结构框架图；

图2为本发明的自动聚焦工作流程图；

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本实施例提供的一种具有自动调焦功能的差分高能电子衍射系统，包括PC机、高能电源箱、以及安装在真空腔室腔壁上的高能电子枪、荧光屏、样品台和CCD相机；在上述控制系统中，PC机控制软件安装和运行在PC机的Windows操作系统上，PC机与CCD相机通过USB数据线连接；CCD相机7固定在套筒底端，镜头通过底端的圆孔可以拍摄到荧光屏；荧光屏安装固定在真空腔室的一个法兰端口；安装好CCD相机的套筒套在安装荧光屏的法兰端口，调整好拍摄角度后，拧紧顶丝将套筒固定在法兰端口上。

所述PC机输出端通过RS232串口数据线与高能电源箱连接，输入端通过USB接口与CCD相机连接，用于接收CCD相机采集在荧光屏上的衍射图像，并经PC机处理后得到控制输入电压传输至高能电源箱，同时实时接收高能电源箱驱动高能电子枪的控制输出电压；

高能电源箱型号为：HEPS-35高能电源箱，用于将接收PC机传输的控制输入电压的数字量信号转换为控制输入电压的模拟量信号对高能电子枪进行调整聚焦；

高能电子枪型号为：EGUN-35，用于接收到高能电源箱传输的调整的控制输出电压，并发送电子束至样品台上；

荧光屏，用于高能电子枪的电子束经样品台衍射在荧光屏上显示出的衍射图像。

真空腔室相对设有两个法兰端口，高能电子枪安装在一个法兰端口上，另一个法兰端口上设有套筒，套筒内安装有CCD相机，两个法兰端口之间设有可进行调整高度和角度的样品台，样品台垂直于地面安装在真空腔室内。

高能电源箱包括：自动调焦控制板、电源控制板、运算放大电路、变压器以及高压接口；自动调焦控制板，用于接收PC机传输的控制输入电压至电源控制板，并实时采集电源控制板发送至高能电子枪的控制输出电压；回传控制输出电压至PC机；电源控制板接收到控制输出电压并发送至高能电子枪；运算放大电路，与变压器连接，通过高压接口与高能电子枪连接，用于放大控制输出电压输出；自动调焦控制板包括通信端口、控制电压输入端口以及控制电压输出端口；自动调焦控制板的控制电压输入端口与电压控制板的输出端口连接；自动调焦控制板的控制电压输出端口与电压控制板的输入端口连接；自动调焦控制板的通信端口和数据传输端口分别与PC机连接。自动调焦控制板的通讯端口与PC机之间设有AD转换电路，用于将实时采集的控制输出电压模拟量转换为控制输出电压数字量；

自动调焦控制板的控制电压输出端口与电压控制板的输入端口之间设有DA转换电路，用于自动调焦控制板将接收的PC机解算得到控制输入电压数值转换为电压模拟量至电压控制板；

自动调焦控制板控制电压输入端口与电压控制板的输出端口之间设有AD转换电路，用于实时采集电压控制板的控制输出电压的模拟量转换为控制输出电压数字量，以供自动调焦控制板将转换的控制输出电压数字量经通讯端口传输至PC机。

当上述控制系统工作时，启动PC机控制软件，CCD相机实时采集荧光屏上的图像信息，并通过USB数据线实时传递给PC机控制软件；控制软件将图像信息作为控制输入，并将图像信息显示在控制软件的显示界面供操作者观察，操作者通过点击界面上的选择框来选取需要控制软件实时监视的图像区域；控制软件的内部算法将选取区域的图像像素作为算法的输入，经过对图像的分析计算，得到相应的聚焦极的控制输入电压数值。

在上述控制系统中，自动调焦控制板有三个输入输出端口，分别为：控制电压输入端口、控制电压输出端口、通信端口；自动调焦控制板安装在高能电源箱内部,控制电压输入端口与高能电源电压控制板的控制电压输出端口通过接头为XH2.54-8P的线缆连接，控制电压输出端口与高能电源电压控制板的控制电压输入端口通过接头为XH2.54-6P的线缆连接，通信端口通过标准DB9串口线与PC机连接。

当上述控制系统工作时，自动调焦控制板通过串口数据线接收来自PC机的聚焦极的控制输入电压数值，控制板将接收到的输入电压数值通过DA转换电路输出给高能电源电压控制板；自动调焦控制板也通过AD转换电路实时采集高能电源电压控制板的控制电压，控制电压经过DA转换得到的数据也通过串口线传递给上位机软件作为控制算法的输入。

在上述控制系统中，高能电源箱通过高压线缆和偏转线缆与高能电子枪连接；高能电子枪固定在真空腔室的一端法兰上；样品台垂直于地面安装在真空腔室的上部，并且可以调整样品台的高度和角度。

当上述系统工作时，高能电源控制板将自动调焦控制板输出的电压作为输入，经过高能电源箱内的运算放大电路和变压器的放大，在高能电源箱的高压接口处生成35KV高压，高压经由高压线缆传递输出到高能电子枪；高能电子枪在高压和电流的作用下激发生成电子束，电子束以一定的角度照射在样品台的样品，在荧光屏上生成衍射图样，衍射图样在经CCD相机拍摄传给上位机软件；由此，形成一个完整的闭环调节过程。

一种具有自动调焦功能的差分高能电子衍射方法，包括以下步骤：

1)通过CCD相机实时采集电子束在荧光屏上的衍射图像，CCD相机将衍射图像的图像信息通过USB数据线实时传输至PC机上，PC机将图像信息形成电子束斑亮度矩阵；

2)PC机接收到荧光屏上的电子束斑亮度矩阵，通过PC机中的用于控制输入电压数值的自动聚焦算法判断电子束在荧光屏上的衍射图像是否为聚焦状态，PC机根据聚焦状态进行调整当前图像对应的聚焦极的控制输入电压数值；

3)高能电源箱中的自动调焦控制板通过串口数据线接收来自PC机解算得到的当前图像对应的聚焦极的控制输入电压数值，自动调焦控制板将控制输入电压数值经DA转换电路输出至电压控制板，电压控制板接收到经DA转换电路输出的模拟量，输出控制输出电压，同时，自动调焦控制板通过AD转换电路实时采集电压控制板的控制输出电压；自动调焦控制板将实时采集电压控制板的控制输出电压经DA转换电路通过串口线传输至PC机，作为PC机的自动聚焦算法分析解算的输入；

4)电压控制板将自动调焦板输出的电压作为输入，依次经高能电源箱内的运算放大电路和变压器，在高能电源箱上的高压接口处生成输出电压，电压经线缆输出至高能电子枪，高能电子枪在输出电压的作用下激发生成电子束，电子束以设定的角度照射样品台，在荧光屏上生成衍射图像，循环步骤1)～4)。

通过PC机中的用于控制输入电压数值的自动聚焦算法判断电子束在荧光屏上的衍射图像是否为聚焦状态，具体为：

(1)初步调整聚焦电压：选取电子束斑的极值点为圆心，极值点与亮度为零点之间的范围为电子束斑区域，调整电子束斑大小至荧光屏设定值时，完成初步调整步骤，进入校准调整步骤；

(2)判断电子束斑的聚焦状态：根据电子束斑亮度矩阵，形成电子束斑空间亮度的空间分布，当极值点亮度小于周围点亮度，则判定电子束斑处于过焦状态，进行校准调整；

(3)校准调整：调整控制输入电压直至极值点亮度大于周围点亮度，使电子束斑处于欠焦状态，对此时的电子束斑空间亮度的空间分布进行亮度分布判断，若电子束斑空间亮度的空间分布满足高斯分布，则电子束斑处于聚焦状态；否则，电子束斑处于欠焦状态，再次进行校准调整直至得到电子束斑空间亮度的空间符合高斯分布，完成校准调整，即完成自动对焦。

如图2所示，为本发明的自动聚焦工作流程图，自动聚焦算法是通过对荧光屏上的电子束斑图像的分析，判断高能电子枪是否达到聚焦状态，如处于欠焦或过焦状态，软件通过计算最佳聚焦电压，控制高能电源的聚焦栅极电压输出，调整电子束实现系统聚焦。

电子束打到荧光屏上，形成电子束斑，电子束斑图像通过CCD采集并传输到电脑上，传送到电脑上的图像信息是数字化的，信息包括每个像素点的位置、亮度等，这些图像信息形成矩阵，对图像处理的初始数据就是矩阵；通过软件对电子束斑进行分析，分析确定电子束斑是否处于聚焦状态，判断依据为电子束斑的大小，边缘与中心位置亮度关系。首先确定束斑的极值点，选取极值点至亮度为零点间距离为束斑区域，如果电子束斑大小大于荧光屏的1％时，需要调整聚焦至最小或最大值，在调整过程中记录电子束斑大小的变化，如束斑尺寸变大，则聚焦方向调整错误，假如束斑变小，则聚焦方向调整正确，如正确，逐渐调整聚焦电压，至电子束斑大小约为荧光屏1％时，停止调整聚焦电压。完成电子聚焦电压初步调整后，进行聚焦电压的精细调整。精细调整需根据电子束斑亮度矩阵，形成电子束斑空间亮度的空间分布，如果极值点亮度低于周围点亮度，则束斑处于过焦状态，可以细调聚焦，至极值点亮度高于周围点亮度，使束斑处于欠焦状态，然后对亮度分布进行判断，聚焦状态分布遵循高斯分布，具体处理如下：

以极值点亮度为1进行束斑像素点亮度均一化，并将束斑尺寸进行均一化处理，如果束斑中距离极值点小于0.4范围内亮度大于0.6亮度，且距离极值点0.6范围内亮度小于0.4则认为束斑亮度分布符合高斯分布。

如亮度分布不符合高斯分布，对聚焦电压向欠焦方向进行精细调整，至电子束斑尺寸满足最小值和亮度符合高斯分布两个条件，则认为电子束达到聚焦状态，完成自动聚焦。

Claims (9)

1.一种具有自动调焦功能的差分高能电子衍射系统，其特征在于，包括PC机、高能电源箱、以及安装在真空腔室腔壁上的高能电子枪、荧光屏、样品台和CCD相机；

所述PC机输出端通过RS232串口数据线与高能电源箱连接，输入端通过USB接口与CCD相机连接，用于接收CCD相机采集在荧光屏上的衍射图像，并经PC机处理后得到控制输入电压传输至高能电源箱，同时实时接收高能电源箱驱动高能电子枪的控制输出电压；

高能电源箱，用于将接收PC机传输的控制输入电压的数字量信号转换为控制输入电压的模拟量信号对高能电子枪进行调整聚焦；

高能电子枪，用于接收到高能电源箱传输的调整的控制输出电压，并发送电子束至样品台上；

荧光屏，用于高能电子枪的电子束经样品台衍射在荧光屏上显示出的衍射图像。

2.根据权利要求1所述的一种具有自动调焦功能的差分高能电子衍射系统，其特征在于，所述真空腔室相对设有两个法兰端口，所述高能电子枪安装在一个法兰端口上，另一个法兰端口上设有套筒，所述套筒内安装有CCD相机，所述两个法兰端口之间设有可进行调整高度和角度的样品台，所述样品台垂直于地面安装在真空腔室内。

3.根据权利要求1所述的一种具有自动调焦功能的差分高能电子衍射系统，其特征在于，所述高能电源箱包括：自动调焦控制板、电源控制板、运算放大电路、变压器以及高压接口；

所述自动调焦控制板，用于接收PC机传输的控制输入电压至电源控制板，并实时采集电源控制板发送至高能电子枪的控制输出电压；回传控制输出电压至PC机；

所述电源控制板接收到控制输出电压并发送至高能电子枪；

所述运算放大电路，与变压器连接，通过高压接口与高能电子枪连接，用于放大控制输出电压输出。

4.根据权利要求1所述的一种具有自动调焦功能的差分高能电子衍射系统，其特征在于，所述自动调焦控制板包括通信端口、控制电压输入端口以及控制电压输出端口；

所述自动调焦控制板的控制电压输入端口与电压控制板的输出端口连接；

所述自动调焦控制板的控制电压输出端口与电压控制板的输入端口连接；

所述自动调焦控制板的通信端口和数据传输端口分别与PC机连接。

5.根据权利要求1或4所述的一种具有自动调焦功能的差分高能电子衍射系统，其特征在于，

所述自动调焦控制板的通讯端口与PC机之间设有AD转换电路，用于将实时采集的控制输出电压模拟量转换为控制输出电压数字量；

所述自动调焦控制板的控制电压输出端口与电压控制板的输入端口之间设有DA转换电路，用于自动调焦控制板将接收的PC机解算得到控制输入电压数值转换为电压模拟量至电压控制板；

所述自动调焦控制板控制电压输入端口与电压控制板的输出端口之间设有AD转换电路，用于实时采集电压控制板的控制输出电压的模拟量转换为控制输出电压数字量，以供自动调焦控制板将转换的控制输出电压模拟量经通讯端口传输至PC机。

6.一种具有自动调焦功能的差分高能电子衍射方法，其特征在于包括以下步骤：

1)通过CCD相机实时采集电子束在荧光屏上的衍射图像，CCD相机将衍射图像的图像信息通过USB数据线实时传输至PC机上，PC机将图像信息形成电子束斑亮度矩阵；

2)PC机接收到荧光屏上的电子束斑亮度矩阵，通过PC机中的用于控制输入电压数值的自动聚焦算法判断电子束在荧光屏上的衍射图像是否为聚焦状态，PC机根据聚焦状态进行调整当前图像对应的聚焦极的控制输入电压数值；

3)高能电源箱中的自动调焦控制板通过串口数据线接收来自PC机解算得到的当前图像对应的聚焦极的控制输入电压数值，自动调焦控制板将控制输入电压数值经DA转换电路输出至电压控制板，电压控制板接收到经DA转换电路输出的模拟量，输出控制输出电压，同时，自动调焦控制板通过AD转换电路实时采集电压控制板的控制输出电压；自动调焦控制板将实时采集电压控制板的控制输出电压通过串口线传输至PC机，作为PC机的自动聚焦算法分析解算的输入；

4)电压控制板将自动调焦板输出的电压作为输入，依次经高能电源箱内的运算放大电路和变压器，在高能电源箱上的高压接口处生成输出电压，电压经线缆输出至高能电子枪，高能电子枪在输出电压的作用下激发生成电子束，电子束以设定的角度照射样品台，在荧光屏上生成衍射图像，循环步骤1)～4)。

7.根据权利要求6所述的一种具有自动调焦功能的差分高能电子衍射方法，其特征在于，所述通过PC机中的用于控制输入电压数值的自动聚焦算法判断电子束在荧光屏上的衍射图像是否为聚焦状态，具体为：

(1)初步调整聚焦电压：选取电子束斑的极值点为圆心，极值点与亮度为零点之间的范围为电子束斑区域，调整电子束斑大小至荧光屏设定值时，完成初步调整步骤，进入校准调整步骤；

(2)判断电子束斑的聚焦状态：根据电子束斑亮度矩阵，形成电子束斑空间亮度的空间分布，当极值点亮度小于周围点亮度，则判定电子束斑处于过焦状态，进行校准调整；

(3)校准调整：调整控制输入电压直至极值点亮度大于周围点亮度，使电子束斑处于欠焦状态，对此时的电子束斑空间亮度的空间分布进行亮度分布判断，若电子束斑空间亮度的空间分布满足高斯分布，则电子束斑处于聚焦状态；否则，电子束斑处于欠焦状态，再次进行校准调整直至得到电子束斑空间亮度的空间符合高斯分布，完成校准调整，即完成自动对焦。

8.根据权利要求7所述的一种具有自动调焦功能的差分高能电子衍射方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：

当电子束斑的大小大于荧光屏的1％时，则需要调整控制输入电压至最小或最大值，在调整控制输入电压过程中，若电子束斑尺寸增大，则调整控制输入电压的方向错误，需反方向调整；反之，则调整控制输入电压方向正确；直至调整电子束斑的大小至荧光屏的1％时，停止调整控制输入电压。

9.根据权利要求7所述的一种具有自动调焦功能的差分高能电子衍射方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：

设定极值点亮度为1进行电子束斑像素点亮度均一化处理，同时将电子束斑尺寸进行均一化处理；

当电子束斑中距离极值点小于0.4范围内的位置点亮度大于0.6，且距离极值点0.6范围内的位置点亮度小于0.4，则认为束斑亮度分布符合高斯分布；

反之，亮度分布不符合高斯分布时，对聚焦电压向欠焦方向进行校准调整，直至电子束斑尺寸满足最小值和亮度符合高斯分布两个条件，电子束达到聚焦状态。

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