JP2006001786A - Crucible for growing calcium fluoride crystal, method for producing calcium fluoride crystal, and calcium fluoride crystal - Google Patents
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本発明は、フッ化カルシウムを溶融して冷却することにより育成される結晶育成ルツボ、その結晶製造方法及びフッ化カルシウム結晶に関するものである。 The present invention relates to a crystal growth crucible grown by melting and cooling calcium fluoride, a method for producing the crystal, and a calcium fluoride crystal.
従来、フッ化カルシウムを溶融して冷却することにより単結晶に育成するためのルツボとして、シード(種子結晶)の結晶面に沿ってフッ化カルシウムを単結晶に育成するように構成されたものが知られている(例えば特許文献1参照)。 Conventionally, as a crucible for growing calcium fluoride into a single crystal by cooling and cooling, one configured to grow calcium fluoride into a single crystal along the crystal plane of a seed (seed crystal) It is known (see, for example, Patent Document 1).
この種のルツボの内面には、フッ化カルシウムの原料が投入される大径の原料収容部と、フッ化カルシウムのシード(種子結晶)が収容される小径のシード収容部とがテーパ状のコーン面を介し連続して形成されている。 On the inner surface of this type of crucible, there is a tapered cone having a large-diameter raw material container into which calcium fluoride raw material is charged and a small-diameter seed container into which calcium fluoride seeds (seed crystals) are contained. It is formed continuously through the surface.
ところで、前述したこの種のルツボの従来例においては、ルツボ内で溶融されたフッ化カルシウムが冷却により収縮する際、ルツボ内面にフッ化カルシウムが付着して結晶内に残留応力や歪みが発生し、これが起点となって結晶粒界が発生し易いため、多結晶(異相)が発生し易い。その結果、フッ化カルシウムの単結晶を容易に育成することができないという問題がある。 By the way, in the conventional example of this type of crucible described above, when calcium fluoride melted in the crucible contracts by cooling, calcium fluoride adheres to the inner surface of the crucible and residual stress or distortion occurs in the crystal. Since this is the starting point and grain boundaries are likely to occur, polycrystals (heterogeneous phases) are likely to occur. As a result, there is a problem that a single crystal of calcium fluoride cannot be easily grown.
そこで、本発明は、多結晶化を防止してフッ化カルシウムの単結晶を容易に育成することができるルツボを提供することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to provide the crucible which can prevent the polycrystallization and can grow the single crystal of calcium fluoride easily.
本件出願の発明者等は、ルツボによりフッ化カルシウムの単結晶を育成する実験の結果、以下のような現象を確認した。すなわち、ニオブカーバイト(NbC)で構成されるルツボ内面と水適との濡れ性が高い程、良好な単結晶が育成されることを確認した。そして、そのルツボ内面と水滴との接触角が150°以下であれば、ルツボ内面とフッ化カルシウムの溶液との濡れ性が低くなり、良好な単結晶を育成できるとの知見を得て本発明を完成した。 The inventors of the present application have confirmed the following phenomenon as a result of experiments for growing a calcium fluoride single crystal with a crucible. That is, it was confirmed that the higher the wettability between the inner surface of the crucible made of niobium carbide (NbC) and water suitability, the better the single crystal was grown. And, if the contact angle between the crucible inner surface and the water droplet is 150 ° or less, the present invention has been obtained with the knowledge that the wettability between the crucible inner surface and the calcium fluoride solution is reduced and a good single crystal can be grown. Was completed.
すなわち、本発明は、フッ化カルシウムを溶融して冷却することによりシードの結晶面に沿って単結晶に育成するためのルツボであって、ニオブカーバイト(NbC)で構成されるルツボ内面と水滴との接触角が150°以下であることを特徴とするフッ化カルシウム結晶育成ルツボに関する。 That is, the present invention relates to a crucible for growing a calcium fluoride into a single crystal along a crystal plane of a seed by cooling and melting the inner surface of the crucible composed of niobium carbide (NbC) and water droplets. And a calcium fluoride crystal growing crucible characterized in that a contact angle with the crucible is 150 ° or less.
本発明に係るルツボでは、ルツボ内面と水滴との接触角が150°以下であってルツボ内面とフッ化カルシウムの溶液との濡れ性が低いため、ルツボ内で溶融されたフッ化カルシウムが冷却により収縮する際、フッ化カルシウムがルツボ内面から容易に離れるため、フッ化カルシウムの結晶内に残留応力や歪みが発生するのが抑制される。その結果、フッ化カルシウムの単結晶が容易に育成される。 In the crucible according to the present invention, the contact angle between the crucible inner surface and the water droplet is 150 ° or less and the wettability between the crucible inner surface and the calcium fluoride solution is low, so that the calcium fluoride melted in the crucible is cooled by cooling. When shrinking, the calcium fluoride is easily separated from the inner surface of the crucible, so that the occurrence of residual stress and distortion in the calcium fluoride crystal is suppressed. As a result, a single crystal of calcium fluoride is easily grown.
本発明のルツボにおいて、ルツボ内面と水滴との接触角は、120°以下が好ましく、100°以下がさらに好ましい。また、ルツボ内面がニオブカーバイトにより構成され、ルツボ内面を除く部分がカーボンを素材として構成されているのが好ましい。 In the crucible of the present invention, the contact angle between the crucible inner surface and the water droplet is preferably 120 ° or less, and more preferably 100 ° or less. Moreover, it is preferable that the inner surface of the crucible is made of niobium carbide and the portion excluding the inner surface of the crucible is made of carbon.
また本発明は、上記に記載のフッ化カルシウム結晶育成ルツボを用いて作製するフッ化カルシウム結晶の製造方法に関する。 Moreover, this invention relates to the manufacturing method of the calcium fluoride crystal produced using the above-mentioned calcium fluoride crystal growth crucible.
また本発明は、上記に記載の製造方法を用いて作製されたフッ化カルシウム結晶に関する。 Moreover, this invention relates to the calcium fluoride crystal produced using the manufacturing method as described above.
本発明に係るルツボでは、ニオブカーバイト(NbC)で構成されたルツボ内面と水滴との接触角が150°以下であってルツボ内面とフッ化カルシウムの溶液との濡れ性が低いため、ルツボ内で溶融されたフッ化カルシウムが冷却により収縮する際、フッ化カルシウムがルツボ内面から容易に離れるため、フッ化カルシウムの結晶内に残留応力や歪みが発生するのが抑制される。従って、本発明によれば、フッ化カルシウムの単結晶を容易に育成することができる。 In the crucible according to the present invention, the contact angle between the inner surface of the crucible made of niobium carbide (NbC) and the water droplet is 150 ° or less, and the wettability between the inner surface of the crucible and the calcium fluoride solution is low. When the calcium fluoride melted in (1) is shrunk by cooling, the calcium fluoride is easily separated from the inner surface of the crucible, so that the occurrence of residual stress and strain in the calcium fluoride crystal is suppressed. Therefore, according to the present invention, a single crystal of calcium fluoride can be easily grown.
以下、図面を用いて本発明に係るルツボの実施形態を説明する。参照する図面において、図1は一実施形態に係るルツボを備えた真空VB炉の概略構造を示す模式図、図2は図1に示した一実施形態に係るルツボの構造を示す断面図である。 Hereinafter, embodiments of the crucible according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings to be referred to, FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic structure of a vacuum VB furnace provided with a crucible according to an embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing a structure of the crucible according to the embodiment shown in FIG. .
図1に示すように、一実施形態に係るルツボ1は、垂直ブリッジマン(以下、VBと略記する)法による単結晶育成装置としての真空VB炉2内において、ヒータ2Aの内側に配置され、シャフト2Bを介して極微速度で昇降されることにより、フッ化カルシウム(CaF2)の原料Mを溶融して冷却し、これをフッ化カルシウム(CaF2)の単結晶からなるシード(種子結晶)Sの例えば(1,1,1)方位の結晶面に沿って単結晶に育成するためのものである。
As shown in FIG. 1, a crucible 1 according to an embodiment is disposed inside a
真空VB炉2の内部は、真空ポンプ2Cによって10−4Pa以下に減圧され、ヒータ2Aによって例えば1400〜1500℃前後に加熱される。このヒータ2Aの加熱によってシードSが溶融するのを防止するため、真空VB炉2のシャフト2Bは、冷却水循環路を構成するように構成されている。
The inside of the vacuum VB furnace 2 is depressurized to 10 −4 Pa or less by a
すなわち、シャフト2Bは、内管2B1の上端が外管2B2の上端より後退した2重管で構成されており、その上端部にはキャップ状の伝熱部材2Dが嵌合固定されている。そして、この伝熱部材2Dが後述するルツボ1の底部材1Cの中央部に接続されることにより、シードSの下部を強制冷却するように構成されている。 That is, the shaft 2B is formed of a double tube in which the upper end of the inner tube 2B1 is retracted from the upper end of the outer tube 2B2, and a cap-like heat transfer member 2D is fitted and fixed to the upper end portion. And this heat-transfer member 2D is comprised so that the lower part of the seed S may be forcedly cooled by connecting to the center part of the bottom member 1C of the crucible 1 mentioned later.
ここで、図2に示すように、一実施形態のルツボ1は、ルツボ本体1Aと、ルツボ本体1Aの開口部を覆う蓋部材1Bと、ルツボ本体1Bの下部に固定される底部材1Cとを備えて構成されている。ルツボ本体1Aは、耐熱性があり、かつ、内面の平滑度を高められる材料として、高純度カーボン材(C)で構成されている。そして、ルツボ本体1Aの内面は、フッ化カルシウム(CaF2)の溶液との濡れ性を低くできるニオブカーバイト(NbC)でコーティングされている。ニオブカーバイト(NbC)を素材として構成されている。
Here, as shown in FIG. 2, the crucible 1 of one embodiment includes a
ルツボ本体1Aには、フッ化カルシウム(CaF2)の原料M(図1参照)などが収容される大径の原料収容部1Dが形成されている。また、ルツボ本体1Aから底部材1Cに亘ってその中心部には、例えば円柱状のシードS(図1参照)を収容する小径のシード収容部1Eがストレートな円形孔として形成されている。そして、原料収容部1Dとシード収容部1Eとの間には、原料収容部1Dの底を構成するテーパ状(ロート状)のコーン面1Fが形成されている。
The
一方、蓋部材1Bおよび底部材1Cも耐熱性のある高純度カーボン材で構成されている。そして、底部材1Cの下面中央部には、真空VB炉2のシャフト2Bの上端部に固定された伝熱部材2D(図1参照)を嵌合固定するための接続筒部1C1が突設されている。 On the other hand, the lid member 1B and the bottom member 1C are also made of a heat-resistant high-purity carbon material. A connecting cylinder portion 1C1 for fitting and fixing a heat transfer member 2D (see FIG. 1) fixed to the upper end portion of the shaft 2B of the vacuum VB furnace 2 projects from the center portion of the bottom surface of the bottom member 1C. ing.
ここで、原料収容部1Dの壁面1Hとコーン面1Fとの境界部分には凹曲面1Jが形成され、この凹曲面1Jを介して原料収容部1Dの壁面1Hとコーン面1Fとが滑らかに連続している。また、コーン面1Fとシード収容部1Eの壁面1Kとの境界部分には凸曲面1Lが形成され、この凸曲面1Lを介してコーン面1Fとシード収容部1Eの壁面1Kとが滑らかに連続している。
Here, a concave curved surface 1J is formed at the boundary between the wall surface 1H of the raw
原料収容部1Dの壁面1Hはストレートに形成されており、その壁面1H間の内径は、例えば250mmに設定されている。また、シード収容部1Eの内径は例えば20mmに設定されている。
The wall surface 1H of the
ここで、コーン面1Fのコーン角度θが小さ過ぎると、原料収容部1D内で育成されるフッ化カルシウム(CaF2)の結晶内に残留応力や歪みが発生し、これに起因して多結晶(異相)が発生し易い。一方、コーン面1Fのコーン角度θが大き過ぎると、フッ化カルシウム(CaF2)の単結晶の育成が阻害され易い。そこで、コーン面1Fのコーン角度θは、95°〜150°の範囲のうち最も好ましい範囲として、120°〜130°の範囲に設定されている。
Here, if the cone angle θ of the
また、凹曲面1Jおよび凸曲面1Lは、曲率半径が小さ過ぎて角張っていると、原料収容部1D内で溶融されたフッ化カルシウム(CaF2)が冷却により結晶化する際、角張った凹曲面1Jおよび凸曲面1Lの部分が核となって多結晶(異相)が発生し易い。加えて、フッ化カルシウム(CaF2)が冷却により収縮する際、これらの角張った凹曲面1Jおよび凸曲面1Lにフッ化カルシウム(CaF2)が付着して結晶内に残留応力や歪みが発生し、これに起因して多結晶(異相)が発生し易い。
Further, when the concave curved surface 1J and the convex
そこで、凹曲面1Jおよび凸曲面1Lの曲率半径は、原料収容部1Dの壁面1H間の内径(例えば250mm)の1/10以上の大きな曲率半径に設定されている。例えば、凹曲面1Jの曲率半径は60mm程度に設定され、凸曲面1Lの曲率半径は50mm程度に設定されている。
Therefore, the curvature radii of the concave curved surface 1J and the convex
さらに、原料収容部1Dの壁面1Hやコーン面1Fなどの表面粗さが粗いと、原料収容部1D内で溶融されたフッ化カルシウム(CaF2)が冷却により結晶化する際、壁面1Hやコーン面1Fなどの微小な凹凸が核となって多結晶(異相)が発生し易い。加えて、フッ化カルシウム(CaF2)が冷却により収縮する際、壁面1Hやコーン面1Fにフッ化カルシウム(CaF2)が付着して結晶内に残留応力や歪みが発生し、これに起因して多結晶(異相)が発生し易い。
Furthermore, when the surface roughness of the wall surface 1H and the
そこで、ルツボ本体1Aの原料収容部1Dの壁面1Hから凹曲面1J、コーン面1F、凸曲面1Lを経てシード収容部1Eの壁面1Kにわたるルツボ内面は、最大高さ法による表面粗さが少なくともRmax6.4s以下の例えばRmax3.2s程度に仕上げられている。
Therefore, the inner surface of the crucible extending from the wall surface 1H of the
ここで、原料収容部1Dの壁面1Hやコーン面1Fなどのルツボ内面とフッ化カルシウム(CaF2)の溶液との濡れ性が高いと、原料収容部1D内で溶融されたフッ化カルシウム(CaF2)が冷却により収縮する際、壁面1Hやコーン面1Fにフッ化カルシウム(CaF2)が付着して結晶内に残留応力や歪みが発生し、これに起因して多結晶(異相)が発生し易い。
Here, if the wettability between the inner surface of the crucible such as the wall surface 1H and the
そこで、一実施形態のルツボ1においては、ニオブカーバイト(NbC)でコーティングされたルツボの内面、すなわち、ルツボ本体1Aの原料収容部1Dの壁面1Hから凹曲面1J、コーン面1F、凸曲面1Lを経てシード収容部1Eの壁面1Kにわたるルツボ内面とフッ化カルシウム(CaF2)の溶液との濡れ性を低くするため、ルツボ内面と水滴との接触角が150°以下の例えば100°となるようルツボ内面が仕上げられている。
Therefore, in the crucible 1 according to the embodiment, the inner surface of the crucible coated with niobium carbide (NbC), that is, the concave curved surface 1J, the
以上のように構成された一実施形態のルツボ1は、図1に示すフッ化カルシウム(CaF2)の原料Mを溶融するため、10−4Pa以下に減圧された真空VB炉2(図1参照)内において、1400〜1500℃前後に加熱されたヒータ2Aの内側をシャフト2Bにより10mm/h程度の微速度で上昇され、10時間ほど上昇位置に保持される。その際、シャフト2B内を内管2B1から外管2B2へ循環する冷却水により伝熱部材2Dを介してシードSの下部が強制冷却されることにより、シードSの上部を除く部分の溶融が防止される。
The crucible 1 of one embodiment configured as described above is a vacuum VB furnace 2 (FIG. 1) that is decompressed to 10 −4 Pa or less in order to melt the raw material M of calcium fluoride (CaF 2 ) shown in FIG. In the reference), the inside of the
そして、このルツボ1は、溶融したフッ化カルシウム(CaF2)の原料Mを冷却してシード(種子結晶)Sの例えば(1,1,1)方位の結晶面に沿って単結晶に育成するため、シャフト2Bにより1.5mm/h以下の例えば1.0mm/h程度の極微速度で下降され、5時間ほど真空VB炉2内の下降位置に保持される。 The crucible 1 cools the molten calcium fluoride (CaF 2 ) raw material M and grows it into a single crystal along the crystal plane of the seed (seed crystal) S, for example, in the (1,1,1) orientation. Therefore, the shaft 2B is lowered at a very low speed of, for example, about 1.0 mm / h, which is 1.5 mm / h or less, and is held at the lowered position in the vacuum VB furnace 2 for about 5 hours.
その後、ルツボ1内の溶融したフッ化カルシウム(CaF2)は、クエンチ(熱衝撃による割れ)を防止するため、真空VB炉2のヒータ2Aをオン・オフ制御することにより、70℃/h以下の例えば30℃/h程度の冷却速度で冷却される。
Thereafter, the molten calcium fluoride (CaF 2 ) in the crucible 1 is controlled to be 70 ° C./h or less by controlling on / off of the
ここで、一実施形態のルツボ1においては、ニオブカーバイト(NbC)でコーティングされたルツボ本体1の内面、すなわち、ルツボ本体1Aの原料収容部1Dの壁面1Hから凹曲面1J、コーン面1F、凸曲面1Lを経てシード収容部1Eの壁面1Kにわたるルツボ内面と水滴との接触角が例えば150°以下となるようルツボ内面が仕上げられており、ルツボ内面とフッ化カルシウム(CaF2)の溶液との濡れ性が極めて低くなっている。
Here, in the crucible 1 of one embodiment, the inner surface of the crucible body 1 coated with niobium carbide (NbC), that is, the concave curved surface 1J, the
このため、ルツボ内で溶融されたフッ化カルシウム(CaF2)が冷却により収縮する際、フッ化カルシウム(CaF2)がルツボ内面から容易に離れる。その結果、フッ化カルシウム(CaF2)の結晶内に残留応力や歪みが発生するのが抑制され、フッ化カルシウム(CaF2)の単結晶が容易に育成される。 For this reason, when calcium fluoride (CaF 2 ) melted in the crucible contracts by cooling, the calcium fluoride (CaF 2 ) is easily separated from the inner surface of the crucible. As a result, the occurrence of residual stress and strain in the calcium fluoride (CaF 2 ) crystal is suppressed, and a single crystal of calcium fluoride (CaF 2 ) is easily grown.
また、ルツボ本体1の内面が例えばRmax3.2s程度の平滑面に仕上げられているため、原料収容部1D内で溶融されたフッ化カルシウム(CaF2)が冷却によりシードSの(1,1,1)方位の結晶面に沿って結晶化する際、多結晶の原因となる核がルツボ内面に発生するのが抑制される。その結果、フッ化カルシウム(CaF2)の単結晶が容易に育成される。
Moreover, since the inner surface of the crucible body 1 is finished to a smooth surface of, for example, about Rmax 3.2 s, the calcium fluoride (CaF 2 ) melted in the
また、ルツボ1内の溶融したフッ化カルシウム(CaF2)は、70℃/h以下の例えば30℃/h程度の冷却速度で冷却されるため、クエンチ(熱衝撃による割れ)が防止されて良好な単結晶に育成される。 Moreover, since the molten calcium fluoride (CaF 2 ) in the crucible 1 is cooled at a cooling rate of 70 ° C./h or less, for example, about 30 ° C./h, quenching (cracking due to thermal shock) is prevented and good. Grown into a single crystal.
加えて、溶融したフッ化カルシウム(CaF2)を冷却して単結晶に育成するためにルツボ1を極微速度で下降させる速度、すなわち育成速度が1.5mm/h以下の例えば1.0mm/h程度とれているため、育成される単結晶の結晶方位は、図3に示すように安定する。なお、育成速度を1.5mm/h以上の2mm/hとした場合には、図4に示すように結晶方位が分散して安定しないことが判明した。 In addition, in order to cool the molten calcium fluoride (CaF 2 ) and grow it into a single crystal, the speed at which the crucible 1 is lowered at a very low speed, that is, the growth speed is 1.5 mm / h or less, for example 1.0 mm / h. Therefore, the crystal orientation of the grown single crystal is stable as shown in FIG. It was found that when the growth rate was 1.5 mm / h or more and 2 mm / h, the crystal orientation was dispersed and not stable as shown in FIG.
実施例1〜実施例3および比較例1、比較例2として、ルツボ本体1Aの内面と水滴との接触角が異なり、また、ニオブカーバイト(NbC)のコーティングの厚さが異なるルツボ1を使用して真空VB炉2によりフッ化カルシウム(CaF2)の単結晶を育成し、得られた結晶中に発生する多結晶体の発生率を測定して評価した。
As Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, a crucible 1 having a different contact angle between the inner surface of the
表面粗さは、島津製作所製の走査型共焦点レーザ顕微鏡OLS1100の三次元形状計測により、最大高さ法によって測定した。また、多結晶体の発生率は、Edmund Industrial Optics社製Polarer Film(色:グレー、面積:15インチ×8.5インチ、厚さ0.29mm)2枚を用いて、フィルム面同士が平行となるように設置し、そのフィルム間に結晶を入れて、フィルムの外側一方から光源、その光源の反対側の面から結晶を観察し、結晶の角度や位置を変えて単結晶でない部分を多結晶体として計測した。最終的に多結晶部分の体積を計算し、結晶全体体積と多結晶体積の比率を多結晶体の発生率とした。そして、多結晶体の発生率が30%以下のものを○として評価し、70%以上のものを×として評価した。 The surface roughness was measured by the maximum height method by three-dimensional shape measurement of a scanning confocal laser microscope OLS1100 manufactured by Shimadzu Corporation. In addition, the incidence of polycrystals is such that the film faces are parallel using two Polarer Films (color: gray, area: 15 inches x 8.5 inches, thickness 0.29 mm) manufactured by Edmund Industrial Optics. Install and place crystals between the films, observe the crystal from one side of the film, the light source from the other side of the film, and the opposite side of the light source, change the angle and position of the crystal and measure the portion that is not a single crystal as a polycrystal did. Finally, the volume of the polycrystalline portion was calculated, and the ratio of the total crystal volume to the polycrystalline volume was defined as the occurrence rate of the polycrystalline body. And the thing of 30% or less of the generation rate of the polycrystalline body was evaluated as (circle), and the thing of 70% or more was evaluated as x.
評価結果は表1に示すとおりであり、実施例1〜実施例3のように、ルツボ内面にニオブカーバイト(NbC)が1.5mm以上の厚さでコーティングされていて、その表面の水滴との接触角が150°以下であれば、多結晶体の発生率が30%以下となってフッ化カルシウム(CaF2)の単結晶が容易に育成されることが判明した。 The evaluation results are as shown in Table 1. Like Example 1 to Example 3, niobium carbide (NbC) was coated on the inner surface of the crucible with a thickness of 1.5 mm or more, and water droplets on the surface When the contact angle is 150 ° or less, it has been found that the occurrence rate of polycrystals is 30% or less and a single crystal of calcium fluoride (CaF 2 ) is easily grown.
一方、比較例1および比較例2のように、ニオブカーバイト(NbC)のコーティングの厚さが1mm以下であって、その表面の水滴との接触角が150°を超えている場合には、多結晶体の発生率が70%以上となってフッ化カルシウム(CaF2)の単結晶を育成することが困難であることが判明した。 On the other hand, as in Comparative Example 1 and Comparative Example 2, when the thickness of the niobium carbide (NbC) coating is 1 mm or less and the contact angle with water droplets on the surface exceeds 150 °, It has been found that it is difficult to grow a single crystal of calcium fluoride (CaF 2 ) with an occurrence rate of polycrystals of 70% or more.
1:ルツボ
1A:ルツボ本体
1B:蓋部材
1C:底部材
1D:原料収容部
1E:シード収容部
1F:コーン面、ウォータジャケット
1G:ウォータジャケット
1H:原料収容部の壁面
1J:凹曲面
1K:シード収容部の壁面
1L:凸曲面
2:真空VB炉
2A:ヒータ
2B:シャフト
2C:真空ポンプ
2D:冷却水通路
M:フッ化カルシウム(CaF2)の原料
S:フッ化カルシウム(CaF2)のシード(種子結晶)
1:
Claims (4)
A calcium fluoride crystal produced by using the production method according to claim 3.
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