DE3107634A1

DE3107634A1 - Farbbildroehre mit aberrationsarmer strahlfokussierungslinse

Info

Publication number: DE3107634A1
Application number: DE19813107634
Authority: DE
Inventors: Richard Henry Lancaster Pa. Hughes
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Licensing Corp
Priority date: 1980-02-28
Filing date: 1981-02-27
Publication date: 1982-01-21
Also published as: IT8119364A0; US4317065A; JPS56136434A; DE3107634C2; FR2477316A1; JPH0121584B2; FR2477316B1; IT1135200B

Description

RCA 75 089 Ks/fii

U.S. Serial No: 125,648

Filed: February 28, 1980

RCA Corporation New Tork, N.Y., V.St.v.A,

Farbbildröhre mit aberrationsarmer Strahlfokussierungslinse

Die Erfindung bezieht sich auf Farbbildrohren mit in einer Linie nebeneinander angeordneten Elektronenstrahlerzeugern (sogenanntes Inline-Strahlsystem) und betrifft insbesondere eine Verbesserung an einem solchen Strahlerzeugungssystem, die darauf abzielt, erweitere Fokussieruagslinsen zur Reduzierung der sphärischen Aberration zu erhalten.

Bei einem Inline-Strahlsysteo werden vorzugsweise drei Elektronenstrahlen in einer gemeinsamen Ebene erzeugt und entlang konvergierender Wege in dieser Ebene auf einen Punkt oder eine kleine Konvergenzfläche nahe dem Röhrenschirm geschossen. Bei einer bekannten Ausfuhrungsform, wie sie in der US-Patentschrift 3 873 879 beschrieben ist, sind die elektrostatischen Hauptfokussierungslinsen zum Fokussieren der Elektronenstrahlen zwischen zwei Elektroden gebildet, die als erste und zweite Beschleunigungs- und Fokussierungselektrode bezeichnet werden. Diese Elektroden enthalten zwei becherförmige Elemente, deren Bodenwände einander zugewandt sind. In jeder Bodenwand sind drei öffnungen vorgesehen, um drei Elektronenstrahlen durchzulassen und drei getrennte Hauptfokussierungslinsen

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zu bilden, eine für jeden Elektronenstrahl. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gesamtdurchraesser des Strahlerzeugungssystems so bemessen, daß das System in einen 29-mm-Eöhrenhals paßt. Wegen dieser Bernessungsvorschrift liegen die drei Fokussierungslinsen sehr nahe beieinander, was ernsthafte Einschränkungen hinsichtlich der Konstruktion der Fokussierungslinsen bringt. Es ist bekannt, daß die sphärische Aberration, welche die Qualität der Fokussierung beschränkt, umso geringer ist, je größer der Durchmesser der Fokussierungslinse ist.

Keben dem Durchmesser der Fokussierungslinse ist auch der Abstand zwischen den Elektrodenflächen der Linse wichtig, denn ein größerer Abstand hat einen weniger starken Spannungsgratienten in der Linse zur Folge, wodurch die sphärische Aberration ebenfalls vermindert wird. Leider darf der Abstand zwischen den Elektroden eine bestimmte Grenze (typischerweise 1,27mm) nicht überschreiten, weil ansonsten elektrostatische Ladungen am Glas des Eöhrenhalses in den Raum zwischen den Elektroden durchgreifen und eine biegende Wirkung auf den Strahlverlauf nehmen, wodurch sich eine Fehlkonvergenz der Elektronenstrahlen ergibt. Es ist daher wünschenswert, die Konstruktion der Elektroden der Hauptfokussierungslinsen dahingehend weiterzuentwickeln, daß man bessere Fokussierungslinsen mit verminderter sphärischer Aberration erhält.

Die wesentlichen Merkmale einer Farbbildröhre, bei welcher diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst ist, sind im Patentanspruch beschrieben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung geht aus von einer Farbbildröhre mit einem Elektronenstrahl-Erzeugungssystem, bei welchem die Hauptfokussierungslinse durch zwei beabstandete Elektroden gebildet wird, deren jede ein Element mit mehreren getrennten öffnungen hat, deren Zahl gleich der Anzahl der Elektronenstrahlen ist. Erfindungsgemäß enthält jede Elektrode eine Linsenplatte, die von dem er-

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wähnten Element beabstandet und elektrisch mit ihm verbunden ist. Die Lineenplatten der beiden Elektroden sind einander benachbart und in gewissem Abstand zueinander und liegen zwischen den erwähnten, mit den öffnungen versehenen Elementen. Jede Linsenplatte hat ein einziges großes Loch, dessen Breite größer ist als die Summe der Breiten der öffnungen im betreffenden Element, gesehen in der gemeinsamen Ebene der Elektronenstrahlwege. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung hat das Loch die Form mehrerer sich einander überlappender öffnungen, deren Zahl gleich der Anzahl der Elektronenstrahlen ist.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. i zeigt von oben und teilweise axial aufgeschnitten eine Schattenmasken-Farbbildröhre, in welcher sich ein erfindungsgemäß ausgebildetes Strahlerzeugungssystem befindet ;

Fig. 2 zeigt das in Fig. 1 gestrichelt dargestellte Strahlsystem teilweise im Axialschnitt;

Fig. 3 ist die Ansicht eines Axialschnitts durch die G3-Elektrode des Strahlsystems nach Fig. 2;

Fig. 4 zeigt eine Linsenplatte des Strahlsystems nach Fig. 2 in einer Draufsicht gemäß der Linie 4-4 in Fig. 3.

Figuren 5 und 6 zeigen zwei zueinander senkrechte Axialschnitte (die Fig. 6 gemäß der Linie 6-6 in Fig. 5) durch die Fokus sierungsl ins enel ektroden eines bekannten Strahlsystems, wobei einige Iquipotentiallinien der Felder der elektrostatischen Fokussierungslinsen eingezeichnet sind;

Figuren 7 und 8 zeigen zwei senkrecht zueinander gelegte Axialsehnitte (die Fig. 8 gemäß der Linie 8-8 der Fig. 7) durch die Fokussierungslinsenelektroden des Strahlsystems

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nach Fig. 2, wobei einige Iquipotentiallinien der Felder der elektrostatischen Fokussierungslinsen eingezeichnet sind;

Fig. 9 zeigt die (54-Elektrode des Strahlsystems nach Fig. 2 in einer Draufsicht gemäß der Linie 9-9 der Fig. 2.

Die in Fig. 1 dargestellte Farbbildröhre hat einen Glaskolben 10, der aus einer rechteckigen Frontplatte oder Kappe 12, einem rohrförmigen Hals 14 und einem dazwischenliegenden rechteckigen Trichterteil 16 besteht. Die Frontplatte 12 ihrerseits besteht aus einer Frontscheibe 18 und einem um ihren Umfang laufenden Flansch oder Seitenwandteil 20, der dichtend mit dem Trichter 16 verbunden ist. Auf der inneren Oberfläche der Frontscheibe 18 befindet sich ein Mosaikschirm 22 aus drei verschiedenfarbigen Leuchtstoffen. Der Schirm ist vorzugsweise ein Linienschirm mit Leuchtstofflinien, die sich im wesentlichen senkrecht zur Richtung der höherfrequenten Rasterabtastung der Bohre erstrecken (d.h. senkrecht zur Zeilenrichtung, also senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1). In vorbestimmtem Abstand zum Schirm 22 sitzt lösbar befestigt eine mit vielen öffnungen versehene Far b sei ektp? ions elektrode, die sogenannte Schattenmaske 24. Zentral innerhalb des Röhrenhalses 14- befindet sich ein Elektronenstrahl-Erzeugungssystem 26 in InIine-Anordnung (in Fig. 1 gestrichelt angedeutet), um drei Elektronenstrahlen 28 zu erzeugen und sie entlang koplanarer konvergierender Wege durch die Maske 24 hindurch auf den Schirm 22 zu schießen.

Die Röhre nach Fig. 1 wird in Verbindung mit einem äußeren magnetischen Ablenkjoch betrieben, das bei 30 schematisch dargestellt iet und den Hals 14 sowie den Trichter 24 in der Nähe ihres Übergangs umschließt, um die drei Elektronenstrahlen 28 vertikalen und horizontalen Magnetflüssen auszusetzen, welche die Strahlen horizontal bzw. vertikal in einem rechteckigen Raster über den Schirm 22 ablenken. Die Ebene des Beginns der Ablenkung (bei einer Ablenkung von O) ist durch die Linie P-P in Fig. 1 etwa in der Mitte dee Jochs 30 dargestellt. Infolge von Randfeldern er-

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streckt sich die wirkliche Ablenkzone der Röhre in axialer Richtung vom Joch 30 in den Bereich des Strahlsysteme 26 hinein. Der in Wirklichkeit etwas gekrümmte Verlauf der abgelenkten Strahlwege in der Ablenkzone ist zur Vereinfachung in der Fig. 1 nicht dargestellt.

Die Einzelheiten des Strahlsystems 26 sind in Fig. 2 gezeigt. Das Strahlsystem hat zwei gläserne Haltestäbe 32, an denen die verschiedenen Elektroden befestigt sind. Diese Elektroden umfassen: drei gleich beabstandete coplanare Kathoden 34 (eine für jeden Strahl); eine Steuerelektrode 36 (Steuergitter oder G1-Elektrode); eine Schirmgitterelektrode 38 (G2-Elektrode); eine erste Beschleunigungs- und Fokussierungselektrode 40 (G3-Elektrode); eine zweite Beschleunigungs- und Fokussierungselektrode (G4—Elektrode). Diese Elektroden sind in der genannten Reihenfolge im Abstand hintereinander entlang den Glasstäben 32 angeordnet. Alle Elektroden haben jeweils drei in einer linie liegende öffnungen (Inline-Öffnungen), um drei koplanare Elektronenstrahlen durchzulassen. Die elektrostatische Hauptfokussierungslinse im Strahlsystem 26 ist zwischen der G3-Elektrode 40 und der G4-Elektrode 42 gebildet. Die G3-Elektrode 40 setzt sich aus drei becherförmigen Elementen 44, 46 und 48 zusammen. Die offenen Enden zweier dieser Becher (44 und 46) liegen fest aufeinander, und das offene Ende des dritten Bechers 48 ist am geschlossenen Ende des zweiten Bechers 46 befestigt. Die G4-Elektrode 42 ist ebenfalls becherförmig, ihr offenes Ende ist jedoch durch eine mit öffnungen versehene Platte 50 abgedeckt.

Mit den becherförmigen Elementen der Elektroden 40 und 42 ist jeweils eine von zwei im wesentlichen gleichen Linsenplatten und 54 elektrisch verbunden, die damit Teile dieser Elektroden bilden. Die eine Linsenplatte 52 ist in größerer Einzelheit in den Figuren 3 und 4 dargestellt. Die Linsenplatte 52 ist eben und hat drei große kreisförmige, in der XnIine-Richtung nebeneinanderliegende öffnungen 56, 58 und 60. Die drei öffnungen liegen näher als in Berührung nebeneinander, sie"überlappen" sich

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also, so daß ein einziges durchgehendes Loch 46 ohne trennende Stege zwischen den kreisförmigen öffnungen 56, 58 und 60 gebildet ist. Die Linsenplatte 52 hat vom geschlossenen Ende des Bechers 48 der G3-Elektrode einen Abstand, der etwa gleich einem Viertel des Durchmessers eines kreisförmigen Lochteils 56, 58 oder 60 in der Lineenplatte 52 ist. Der G3-Becher 48 hat drei öffnungen 64, 66 und 68, die kleineren Durchmesser als die öffnungen 56, 58 und 60 in der Linsenplatte 52 aufweisen. Diese öffnungen 64, 66 und 68 sind mit den öffnungen 56, 58 und 60 in der Linsenplatte 52 zentriert, wegen ihres kleineren Durchmessers sind sie jedoch voneinander durch Stegbereiche 70 und 72 im G3-Becher 48 getrennt. Die Konstruktion der anderen Linsenplatte 54 und ihre Relation zum G4-Becher ist ähnlich der Konstruktion der Linsenplatte 52 und deren Relation zum G3-Beeher 48.

Die Figuren 5 und 6 zeigen die Ansicht eines horizontal gelegten Schnitts (Blickrichtung von oben) und eines vertikal gelegten Schnitts (Blickrichtung von der Seite) durch zwei Elektroden 74 und 76, welche die Hauptfokussierungslinsen eines bekannten Elektronenstrahl-Erzeugungssystems des in einer Einheit zusammengefaßten Typs bilden. Die Elektrode 74 ist die G3-Elektrode, und die Elektrode 76 stellt die G4-Elektrode dar. Die Elektrode 74 ist becherförmig und hat drei getrennte öffnungen 78, 80 und 82 in ihrer Bodenwand. In ähnlicher Weise hat die Elektrode 76 becherförmige Gestalt und drei getrennte öffnungen 84, 86 und 88 in ihrer Bodenwand. Während des Betriebs der Röhre wird an die G3-Elektrode 74 ein Potential von 7 kV gelegt, und an die G4-iElektrode 76 wird ein Potential von 25 kV gelegt. Wegen dieser Potentiale wird in der Umgebung der öffnungen 78, 80 und 82 der G3-Elektrode und der öffnungen 84, 86 und 88 der G4-Elektrode ein elektrostatisches Feld gebildet. Die Form der Iquipotentiallinien dieses elektrostatischen Feldes bestimmt die Hauptfokussierungslinsen des bekannten Strahlsystems. Einige dieser Äquipotentiallinien 90 sind in den Figuren 5 und 6 eingezeichnet. Ein Vergleich dieser Äquipotentiallinien 90

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zeigt, daß die Krümmung der in der Draufsicht nach Pig. 5 außenliegenden Linien 90 wesentlich kleiner ist als die Krümmung der in der Seitenansicht nach Fig. 6 außenliegeaden Linien 90'. Dieser Unterschied der Krümmung ist "besonders deutlich "bei den Iquipotentiallinien 8 kV, 9,5 kV, 22 kV und 24 kV. Wegen dieses Krümmungsumterschiedes, der als Astigmatismus bezeichnet wird, wird ein durch die mittleren öffnungen 80 und 86 dringender Elektronenstrahl 92 mehr in vertikaler Richtung fokussiert (in Fig. 6 gezeigt) als in horizontaler Richtung (in Fig. 5 gezeigt). Wie man in Fig. 5 erkennt, treffen jedoch die beiden äußeren Strahlen auf stärker gekrümmte Abschnitte der Äquipotentiallinien als der mittlere Strahl, und daher werden diese Strahlen in der horizontalen Richtung etwas mehr fokussiert als der mittlere Strahl, so daß der Astigmatismus für die äußeren Strahlen etwas geringer ist.

Wie man deutlich in den Figuren 7 und 8 erkennt, bringt das verbesserte Strahlsystem 26 nach Fig.2 Hauptfokussierungslinsen, die eine wesentlich geringere sphärische Aberration haben als im Falle des bekannten Strahlsystems nach den Figuren 5 und 6. Die Verminderung der sphärischen Abberation folgt aus der größeren Dicke der Hauptfokussierungslinse und aus der größeren Ausdehnung dieser Linse. Die Linsendicke ist dadurch erhöht, daß die Bauteile der Elektrode, welche die Hauptfokussierungslinse bilden, weiter außeinanderliegen, und die vergrößerte Linsenausdehnung ergibt sich wegen der großen Löcher in den Linsenplatten 52 und 5^» die dadurch entstehen, daß sich die drei öffnungen in jeder Platte überlappen. In den Figuren 7 und 8, deren erste eine Schnittansicht von oben und deren zweite eine Schnittansicht von der Seite zeigt, sind einige der Iquipotentiallinien 94- bzw. 94-' des Hauptfokussierungsfeldes des verbesserten Strahlsystems 26 eingezeichnet. Wie man erkennt, gleichen sich die vertikale Krümmung der Äquipotentiallinien (Fig. 8) und deren horizontale Krümmung (Fig. 7) sehr viel mehr als im Falle des bekannten Strahlsystems. Wegen dieser besseren Übereinstimmung der vertikalen und horizontalen

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Krümmung wird ein durch eine der Fokussierungslinsen tretender Elektronenstrahl gleichmäßiger in der vertikalen wie der horizontalen Ebene fokussiert. Daher ist der Typ des Astigmatismus, wie er vorher anhand des "bekannten Strahl systems nach den Figuren 5 und 6 beschrieben wurde, bei dem neuen Strahlsystem viel weniger ausgeprägt.

Bei dem neuen Strahlsystem 26 ist allgemein der Abstand zwischen der Linsenplatte 52 und der nächstliegenden Fläche des Linsenbechers 48 der Elektrode ungefähr gleich einem Viertel des Durchmessers der das zusammenhängende Loch bildenden öffnungen in der Linsenplatte. Der Durchmesser der öffnungen im Linsenbecher 48 ist so, daß gerade eine Äquipotentiallinie innerhalb 4$ der Elektrodenspannung berührt wird, die existieren würde, wenn der Becher 48 nicht vorhanden wäre. Bei der dargestellten Ausführungsform ist diese 4%-Linie ungefähr ein Halbkreis. Der Abstand der vier Elemente, welche die Hauptfokussierungslinse bilden, sollte eng genug sein, um auszuschließen, daß Ladung am Bohrenhals die Elektronenstrahlen biegt.

Da zwischen den öffnungen, die in jeder der Linsenplatten 52 und 54 das einzige große Loch (z.B. das Loch 62 in der Linsenplatte 52) bilden, keine trennenden Teile sind, ruft die Hauptfokussierungslinse einen Schlitzeffekt-Astigmatismus hervor. Dieser besondere Astigmatismus ist die Folge des Hindurchgreifens des Fokussierungefeldes durch diejenigen Bereiche, wo die Stegteile zwischen den öffnungen fehlen. Wenn man die Kompression der Iquipotentiallinien 94 an den Seiten der Ausführungsform nach Fig. 7 mit der Kompression der gleichen Linien in den beiden Bereichen nahe der Mitte der Fokussierungslinse vergleicht, läßt sich dieser Effekt erkennen. Dieses Hindurchgreifen des Feldes bewirkt, daß die vertikale Linsenstärke der Fokussierungslinse größer ist als die horizontale Linsenstärke. Dieser Astigmatismus wird bei dem Strahlsystem 26 nach Fig. 2 dadurch korrigiert, daß man eine horizontale Schlitzöffnung am Ausgang der G4-Elektrode 42 vorsieht. Der Schlitz hat opti-

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male Wir !rung, wenn seine Breite gleich dem narben Linsen&urchmesser ist und wenn sein Abstand von der gegenüberliegenden
Oberfläche der G4-Elektrode gleich 86% des Linsendurchmessers
ist. Dieser Schlitz wird durch zwei Streifen 96 und 98 gebildet, die in den Figuren 2 und 9 zu erkennen sind und auf die
gelochte Platte 50 der G4-Elektrode 42 aufgeschweißt sind, so
daß sie sich über die drei öffnungen in der Platte 50 erstrekken.

Einige typische Abmessungen für das Strahlsystem 26 nach lig. sind als Beispiel in der nachstehenden Tabelle aufgeführt:

TABEIIiE

Innendurchmesser des Eöhrenhalses 29,00 mm

Abstand zwischen dem Elektrodenbecher 48

und der Linsenplatte 52 1,27 mm

Abstand zwischen dem Becherteil der Elektrode 42

und der Linsenplatte 54 1,27 mm

Abstand zwischen den Linsenplatten 52 und 54 ........ 1,27 mm

Dicke der Linsenplatten 52 und 54 O₁38 mm

Abstand von Mitte zu Mitte zwischen benachbarten öffnungen in der G3-Elektrode 40 6,60 mm

Innendurchmesser der Öffnungen 64, 66 und 68

in der G3-Elektrode 40 5,44 mm

Durchmesser der das Loch 62 in der Linsenplatte 52

bildenden Lochteile 56, 58 und 60 6,99 mm

Abstand zwischen den Streifen 96 und 98 2,79 mm

86% des Durchmessers der Fokussierungslinse 4,70 mm

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Claims

PATSNYA* W ALTE 0 1

DR. DIETER V. BEZOLD 0 I

DIPL. ING. PETER SCHÜTZ DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER

MARIA-THERESIA-STRASSE 22 POSTFACH 86 06 6a

D-8OOO MUENCHEN 86

RCA 75 089 Ks/Ri · telefon o₈₉m76? ₀₆

U.S. Serial Ko: 125,648 ^476S'⁹

Piled: February 28, 1980 ^{AB SEPT}·'⁹⁸⁰= <⁷⁰⁶⁰⁰⁶

" ' TELEX 538 638

TELEGRAMM SOMBEZ

RCA Corporation New York, N.Y., V.St.v.A.

Farbbildröhre mit aberrationsarmer Strahlfokussierungslinse

Patentansprüche

/1 / Farbbildröhre mit einem Inline-Strahlsystem zum Erzeugen mehrerer Elektronenstrahlen und zum Richten dieser Strahlen längs Scoplanarer Wege auf einen Schirm der Röhre, mit einer zur Fokussierung der Elektronenstrahlen dienenden Hauptfokussierungslinse, die durch zwei beabstandete Elektroden gebildet ist, deren jede ein mit mehreren getrennten öffnungen versehenes Element enthält, wobei die Anzahl der öffnungen in jedem dieser Elemente gleich der Anzahl der Elektronenstrahlen ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode (40, 42) außerdem eine Linsenplatte (52, 54) enthält, die von dem mit den getrennten öffnungen (64, 66, 68) versehenen Element (48; 42) beabstandet und elektrisch mit ihm verbunden ist und die einander benachbart und zueinander beabstandet zwischen den mit den

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ZUGELASSEN BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT · PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE POSTSCHECK MÜNCHEN NR. 6 91 48 - BOO ■ BANKKONTO HYPOBANK MÖNCHEN (BLZ 700 2OO 401 KTO. 60 60 25 73 78 SWIFT HYPO DE MM

getrennten öffnungen versehenen Elementen der Elektroden liegen, und daß Jede Linsenplatte ein einziges großes Loch (62) hat, das in der Inline-Eichtung des Strahlsystems eine Breite hat, die großer ist als die Summe der Breiten der öffnungen in jedem der mit den getrennten öffnungen versehenen Elektrodenelemente.
2. Farbbildröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch (62) in jeder Linsenplatte durch mehrere sich überlappende öffnungen (56, 58, 60) gebildet ist, deren Anzahl gleich der Anzahl der Elektronenstrahlen ist.
3. Farbbildröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitten der getrennten öffnungen (64, 66, 68) in jedem der betreffenden Elektrodenelemente (48; 42) mit den Mitten der sich überlappenden öffnungen (56, 58, 60) in der mit dem betreffenden Elektrodenelement elektrisch verbundenen Linsenplatte (52; 54·) ausgerichtet sind.
4. Farbbildröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (56, 58, 60) in den Linsenplatten (52, 54-) jeweils einen Durchmesser haben, der größer ist als der Abstand zwischen benachbarten öffnungen der jeweils selben Linsenplatte, um so die einzigen großen Löcher in den Lins.enplatten zu bilden.

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