JP2006177949A - 渦電流探触子および渦電流アレイ探触子 - Google Patents
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- G01N27/9013—Arrangements for scanning
- G01N27/902—Arrangements for scanning by moving the sensors
Abstract
【課題】径方向、軸方向または円周方向の表面のクラックに対して、向上したより均一の感度を有し、配列を横切るチャネル間の変化を減少させる渦電流アレイ探触子を提供すること。
【解決手段】強化された駆動コイル構成を有するいくつかの渦電流アレイ探触子(ECAP)が説明される。1つの配列では、ECAP(10)は、複数のECチャネル(12)と駆動コイル(14)を備える。各駆動コイルは、ECチャネルのそれぞれに設けられている。駆動コイルは隣接する駆動コイルに対して交互に異なる極性を有する。1つの例では、複数の走査ならびに配列の構成において傷を検出するために、少なくとも1つの基板(32)と基板上に配列されたいくつかの感知コイル(16、18)および感知コイルのすべてを包囲する駆動コイル(14)とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】強化された駆動コイル構成を有するいくつかの渦電流アレイ探触子(ECAP)が説明される。1つの配列では、ECAP(10)は、複数のECチャネル(12)と駆動コイル(14)を備える。各駆動コイルは、ECチャネルのそれぞれに設けられている。駆動コイルは隣接する駆動コイルに対して交互に異なる極性を有する。1つの例では、複数の走査ならびに配列の構成において傷を検出するために、少なくとも1つの基板(32)と基板上に配列されたいくつかの感知コイル(16、18)および感知コイルのすべてを包囲する駆動コイル(14)とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、一般に渦電流検査に関し、より詳細には導体材料の非破壊検査用渦電流アレイ探触子に関する。
渦電流検査は、表面の傷に関しての導体材料の非破壊検査のために一般に使用される技術である。渦電流検査は、電磁誘導の原理に基づき、電流を導通させる駆動コイルが1次磁場を発生させることによって、検査試料内に渦電流を誘導する。そのように誘導された渦電流は、第2の磁場を発生させ、その磁場は感知コイル内に電位差を誘導し、それによって信号を発生させ、その信号はさらに傷の検出のために分析される。たとえば、検査試料内のクラックまたは不連続などの傷の場合、検査試料内の渦電流の流れが変化し、したがって、感知コイル内に誘導された信号を変化させる。この信号での偏りは傷を指し示すために使用される。
従来の渦電流アレイ探触子(ECAPS)は、ECAPの走査方向に対して垂直に整列しているクラックについては検出感度が限られていた。特に、隣接したチャネル間での渦電流(EC)の検出は、従来のECAPにでは問題点であった。しかし、圧縮機のディスク板や航空機の車輪、その他の回転する幾何学形状物に関して、径方向のクラックは一般に、ECAPの走査方向に対して垂直の向きになっている。要約すると、従来の配列では、感知領域に渡って感度変化があるような場合には、欠陥検出が弱くなる点が存在するのである。
米国特許第5,389,876号
米国特許第5,262,722号
2004年5月27日に出願された係属米国特許出願第10/856,381号、Changting Wangら、「OMNI−DIRECTIONAL EDDY CURRENT PROBE AND INSPECTION SYSTEM」(GE整理番号143805)
したがって、径方向、軸方向または円周方向の表面のクラックに対して、向上した、より均一の感度を有する渦電流アレイ探触子を提供することが望ましい。また、その配列を横切るチャネル間変化を減少させることがさらに望ましい。
本発明の1つの態様は、いくつかのECチャネルおよびいくつかの駆動コイルを備える渦電流(EC)探触子にある。各駆動コイルは、ECチャネルのそれぞれに設けられている。駆動コイルは、隣接する駆動コイルに対して交互に異なる極性を有する。
本発明の別の態様は、構成材料を検査する渦電流(EC)アレイ探触子(ECAP)にある。ECAPは、少なくとも1つの基板、基板上に配列されたいくつかの感知コイル、および感知コイルのすべてを取り囲む駆動コイルを備える。駆動コイルは、感知コイルの付近に探触磁場(probing fields)を発生させるように構成され、感知コイルは探触磁場に応答して構成材料内に発生される渦電流に対応する応答信号を発生させるように構成されている。
本発明の別の態様は、構成材料を検査する渦電流(EC)アレイ探触子(ECAP)にある。ECAPは、少なくとも1つの基板、および基板上に配列されたいくつかの感知コイルを備える。感知コイルは、少なくとも2つの列に配列されている。ECAPはさらに、列の間に配置された、列の組ごとに少なくとも1つの駆動ラインを備える。各駆動ラインは、列のそれぞれの組の付近に探触磁場を発生させるように構成されている。感知コイルは、探触磁場に応答して構成材料内に発生される渦電流に対応する応答信号を発生させるように構成されている。
本発明のこれらの、およびその他の特徴、態様、および利点は、複数の図面を通して同様の符号が同様の部分を表わす添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めばより良く理解されるであろう。
本発明の第1の渦電流(EC)探触子10の実施形態が、図1から図3を参照して説明される。たとえば図1に示すように、EC探触子10は、いくつかのECチャネル12およびいくつかの駆動コイル14を備える。各駆動コイル14は、ECチャネル12のそれぞれに設けられている。EC探触子10は、ECチャネル12とこれに関連する駆動コイル14とを何個備えてもよく、この個数は、用途に基づいて変わる。図1に矢印で示されたように、駆動コイル14は、隣接する駆動コイル14に対して交互に異なる極性を有する。図1の矢印は、駆動コイル14に関する例示の電流方向を示す。駆動コイル14が交互に異なる極性を有することによって、隣接する駆動コイル14内の電流(矢印によって示す)は、反対方向の電流を有する隣接する一組の駆動コイル14間のバウンダリ35付近では、同じ方向に流れることになる。この平行な電流は、界面35付近において磁場の建設的な重ね合わせを生じさせ、それによって、界面35付近の渦電流密度を強化し、それによってEC探触子10の感度を上昇させる。
図1に示す例示の実施形態に関して、各ECチャネル12は、第1の感知コイル16および第2の感知コイル18を備える。図示のように、第1の感知コイル16は1つの極性を有し、それに対応する第2の感知コイル18は反対の極性を有する。極性は、+および−符号で示され、図1に示す+および−符号を有する感知コイルの配列は例示のものである。たとえば、感知コイルの極性は、反対にもできる。各駆動コイル14は、第1および第2の感知コイル16、18の付近でそれぞれのECチャネル12に対して探触磁場を発生させるように構成されている。図1の例示の実施形態に関して、各駆動コイル14は、第1および第2の感知コイル16、18の周囲に延在し、それによってそれぞれのECチャネル12を形成する。
たとえば、図1に示すように、第1の感知コイル16および第2の感知コイル18のそれぞれは、走査方向(x)に沿って配置され、ECチャネル12は、走査方向(x)と実質的に垂直な配列方向(y)に沿う配列を形成する。「実質的に垂直である」ということは、配列方向および走査方向が、互いに対して約75度と105度の間の角度に向けられていることを意味する。図1の例では、走査方向および配列方向(x、y)は垂直である(90度)。図1で、ECチャネル12は完全に、配列方向(y)に沿って整列され示されているが、ECチャネル12は、たとえば図4に示すように互いに対してずれていてもよい。
動作上、駆動コイル14は、磁束(探触磁場)を励起し発生させる。導電性材料26(図2の側面図に例示する)へ磁場が流入することにより、構成材料26の表面上に渦電流が発生され、それによって第2の磁場が発生される。表面の傷がある場合(図示せず)、この第2の磁場は、傷が存在しない場合における通常の方向から、傷の向きに一致する方向に偏る。この偏った第2の磁場は、感知コイル16、18内で対応する信号(感知信号)を発生させ、それによって表面の傷の存在を示す。上述したように、走査方向に垂直なクラック28は、従来の探触子を使用しては、検出し定量化するのが困難である。しかし、本実施形態のEC探触子10は、チャネルの向きおよび隣接する駆動コイル14の交互に異なる極性により、強化された信号強度をもたらすので、それによって走査方向(X)に対して垂直の向きのクラックの、検出および定量化を可能にする。
図1に示す例示のEC探触子10は、矩形の形状を有する。言い換えれば、各第1および第2の感知コイル16、18は矩形であり、各ECチャネル12は矩形であり、また各駆動コイル14は矩形である。有益なことに、駆動コイル14内の電流が界面35のところで駆動コイルの全長に沿って平行であるので、矩形の形状は、隣接する駆動コイル14によって界面35付近で発生される磁場の建設的な重ね合わせを強化する。しかし、平行四辺形などのその他の多角形の形状も使用できる。
図2に示す例示の実施形態に関して、EC探触子10は、いくつかの可撓性の基板32および駆動コイル14を備え、感知コイル16、18は、異なる基板の上に形成される。駆動コイルは、1つまたはいくつかの基板上に形成することができ、感知コイル16、18は1つまたはいくつかの基板上に形成することができる。EC探触子10は、さらにコイル16、18、14を保護するための保護層38を備えることができる。基板32および保護層38は、可撓性有機ポリマーなどの可撓性材料から望ましく形成される。例示の可撓性有機ポリマーはポリイミドであり、その一例は、デラウェア州ウィルミントンのE.I.du Pont de Nemours and Companyの連邦政府による登録商標であるKAPTON(登録商標)である。例示の基板32は、約25μmから約100μmの厚さ、たとえば25μmの厚さを有するKAPTON(登録商標)の基板である。有利なことに、可撓性の基板は加工し易く、頑丈である。感知および駆動コイルは、導体材料で形成され、その例には銅、銀、金および白金が含まれる。コイルは、フォトリソグラフィ技術を使用して形成することができ、それは小さな寸法で精密さおよび均一性を達成することができる。例示の製造工程の概要は、本願の譲受人に譲渡されたHedengren等の「Flexible eddy current surface measurement array for detecting near surface flaws in a conductive part」という米国特許第5,389,876号に提示されている。
EC探触子10は、第1および第2の感知コイル16、18のそれぞれを動作的に接続する電気接続部20を備える。差動感知(differential sensing)の実施形態に関して、電気接続部20は差動感知を行うように構成されている。絶対感知(absolute sensing)の実施形態に関して、電気接続部20は絶対感知を行うように構成することができる。例示の電気接続部20は、最も下のECチャネル12のみについて図1に示される。電気接続部20は、基板上に形成され、そして、基板32の間を延在することができ、たとえば高密度相互接続(HDI)技術を使用して、銅、銀、金および白金などの導体材料から形成することができる。
1つのECチャネル12に関連した駆動コイル14によって発生される探触磁場に加えて、そのECチャネル12によって検査されている構成材料26のその部分は、隣接する駆動コイル14の探触磁場によっても影響を受ける。したがって、補正の措置を行わないと、EC探触子10内の最初のおよび最後のECチャネル12によって検査されている構成材料26のその部分は、中間のECチャネル12によって感知されるのと同様の探触磁場を感知しない。それは、これら最初と最後のECチャネル12の各々が隣接するECチャネル12を1つだけ有する一方で、その他の各ECチャネル12が隣接するECチャネルを2つ有することによるからである。便宜上、図1および3に表わすEC探触子10は、ECチャネル12を3つだけ有する。しかし、EC探触子10は、ECチャネル12を何個でも、たとえば24個のECチャネル12を備えることができる。この不均衡に対して補正するために、図3に示すEC探触子10はさらに、一組の補正用駆動コイル22、24を備える。第1の補正用駆動コイル22が、ECチャネル12の第1端部23に配置され、第2の補正用駆動コイル24がECチャネル12の第2端部25に配置されている。各補正用駆動コイル22、24は、探触磁場を発生させるように構成されている。有益なことに、補正用駆動コイル22、24は、最初のおよび最後のECチャネル12の感度を向上させる。
渦電流アレイ探触子(ECAP)10が図1から図3を参照して説明される。図3に示すように、ECAP10は、それぞれが第1の感知コイル16および第2の感知コイル18を備えるいくつかのECチャネル12を有する。図1に示すように、感知コイル16、18は異なる極性を有し、走査方向(x)に沿って互いに対して配置されている。ECチャネル12は、実質的に走査方向(x)に垂直な配列方向(y)に沿った向きの配列を形成する。ECAP10はさらに、いくつかの駆動コイル14を備え、各駆動コイルは、それぞれのECチャネル12を備え、第1および第2の感知コイル16、18の付近でそれぞれのECチャネル12の探触磁場を発生させるように構成されている。図1に示すように、駆動コイル14は、隣接する駆動コイル14に対して交互に異なる極性を有する。1つの実施例に関して、駆動コイルのすべては、1つの電源で駆動されるように直列に接続されている。別の特定の1つの実施形態によれば、ECAP10はさらに、第1および第2の感知コイル16、18のそれぞれを動作的に接続する電気接続部20を備え、各駆動コイル14は第1および第2の感知コイル16、18の周囲を延びそれぞれのECチャネル12を形成する。差動感知の実施形態に関して、電気接続部20は、差動感知を行うように構成されている。言い換えれば、いくつかの差動感知信号を発生させるように応答信号が処理される。作動感知信号が分析されて、径方向のクラック28が構成材料26内に存在するかどうか決定することができる。
図1および図3の矩形の構成に関して、各第1および第2の感知コイル16、18は矩形であり、各ECチャネル12は矩形であり、また各駆動コイル14は矩形である。矩形の構成は、隣接する駆動コイル14によって発生される磁場の重ね合わせを向上させ、それによりECAP10の感度を向上させる。
本明細書では、用語「径方向のクラック」は、EC探触子の走査方向(x)に実質的に垂直の向きになったクラックを意味すると理解されるべきである。「実質的に垂直」とは、放射状のクラックが走査方向(x)に対して75度から105度の範囲内の角度の向きになっていることを意味する。たとえば、図1に示す例示のクラック28は、走査方向(x)に対して90度の向きになっている。「軸方向または円周方向のクラック」は、EC探触子の走査方向(x)に実質的に平行の向きになったクラックを意味すると理解されるべきである。「実質的に平行」は、軸方向または円周方向のクラックが走査方向(x)に対して−15度から15度の角度の範囲内の向きになっていることを意味する。
径方向のクラック28は、従来の探触子の隣接したチャネル間で感度が変化するので、探触子の構成を使用して検出するのが困難である可能性がある。しかし、交互に異なる極性の探触磁場を使用することによって、磁場は隣接したチャネル間の界面35付近で建設的に(constructively)加わる。この重ねあわせは、界面35付近の渦電流の密度および均一性を高め、この領域でのより高い均一性をもたらし、感度を上昇させ、それによってより優れた傷の検出を可能にする。
傷の検出のための、本発明の別のECAP40の実施形態が図5を参照して説明される。たとえば図5に示すように、ECAP40は、少なくとも1つの基板32、少なくとも1つの基板32上に配置されたいくつかの感知コイル16、18、および感知コイル16、18のすべてを包囲する駆動コイル14を備える。駆動コイル14は、感知コイル16、18の付近で探触磁場を発生させるように構成され、感知コイル16、18は、探触磁場に応答して構成材料26内で発生される渦電流に対応する、いくつかの応答信号を発生させるように構成されている。本明細書では、用語「包囲する」は、Hedengren等の「Flexible eddy current surface measurement array for detecting near surface flaws in a conductive part」という名称の米国特許第5,389,876号に教示される公知の蛇行駆動コイル(serpentine drive coil)構成と対象的に、駆動コイル14がたとえば図5に示すように、基本的に閉ループで感知コイルの周囲に延びることを意味すると理解されるべきである。例示の蛇行駆動コイル構成は、Hedengren等の図1および4に示される。図5の例示の実施形態に関して、感知コイル16、18はいくつかのECチャネル12として配置されている。各ECチャネル12は、第1および第2の感知コイル16、18から形成されており、図5に示すように、第1の感知コイルは、コイル巻き(coil windings)の方向によって第2の感知コイルと極性が異なる。より具体的には、たとえば図5に示すように、ECチャネル12はいくつかの列34に配列され、駆動コイル14は列34のすべてを包囲する。
図5の配列は、感度も均一性も向上させ、ECチャネルごとに個々の駆動コイルを備える構成と比較して、傷が特性に合う(encounter)場合への依存がより少ないことで、配列を横切るチャネル間の感度の変化を減少させ、画像処理に関するフットプリント(footprint)を簡単化する。図5の例示の実施形態に関して、一方の列34のECチャネル12は、他方の列34のECチャネルに対して食い違いに配置にされる(staggered)。有益なことに、この食い違い配置は、補足的なまたは冗長の感知をもたらす。
本発明のライン駆動(line−drive)渦電流ECAP60の実施形態が図6を参照して説明される。たとえば図6に示すように、ECAP60は少なくとも1つの基板32を備え、いくつかの感知コイル16、18は少なくとも1つの基板上に配列され、その基板で感知コイル16、18は少なくとも2つの列34に配列されている。ECAP60は、さらに少なくとも1つの駆動ライン36を備える。図6の配列に関して、1つの駆動ライン36は、列34の組ごとに設けられ、それぞれの列34の間に配置されている。各駆動ライン36は、それぞれの列34の組の付近で探触磁場を発生させるように構成され、感知コイル16、18は、探触磁場に応答して構成材料26内で発生される渦電流に対応するいくつかの応答信号を発生させるように構成されている。図6の配列は、ECチャネルごとに個々の駆動コイルを備える構成と比較して、感度の均一性を向上させる。さらに、図6の配列は、図5の構成と比べて回路構成およびフットプリントをより簡単にする。
多層式の実施形態に関して、図2に対して上記に論じたように、ECAP60は、いくつかの可撓性基板32を備え、その場合、駆動ライン36が感知コイル16、18の列34が配列されているのと異なる基板32上に配置されている。あるいは、少なくとも1つの駆動ライン36、および少なくとも1つの列34が同じ基板32上に形成される。
図6の構成に関して、感知コイル16、18は、上記のいくつかのECチャネル12として配列される。図示のように、ECチャネル12は、複数の列34に形成され、1つの列34のECチャネル12は、別の列のECチャネルに対して食い違い配置にされる。この食い違い配置は、補足的な感知をもたらす。
上述したように、ECAP60は、感知コイルの列の組ごとに少なくとも1つの駆動ライン36を有する。図7に示す構成に関して、ECAP60は3つの駆動ライン36を有する。図示のように、駆動ライン36の1つは、感知コイル16、18の列34、38の間に配列されている。駆動ライン36の1つは列の上に配置され、駆動ラインのもう1つは列の下に配置される。図7の例示の構成に関して、3つの駆動ライン36が共通の電源ライン42から駆動される。あるいは、接続ライン44は取り外され、駆動ライン36は別々の電源(図示せず)によって駆動することができる。
本発明のいくつかの特徴のみを本明細書内に図示し説明してきたが、当分野の技術者には多くの修正形態および変更が思いつくであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神の中に収まるそうしたすべての修正形態および変更を包含することが意図されることを理解されたい。
10 EC探触子
12 ECチャネル
14 駆動コイル
16 第1の感知コイル
18 第2の感知コイル
20 電気接続部
22 補正用駆動コイル
23 第1端部
24 補正用駆動コイル
25 第2端部
26 構成材料
28 例示の亀裂
32 可撓性の基板
34 列
35 界面(バウンダリ)
36 駆動ライン
38 列
40 ECAP(渦電流アレイ探触子)
42 共通の電源ライン
44 接続ライン
60 ECAP(渦電流アレイ探触子)
12 ECチャネル
14 駆動コイル
16 第1の感知コイル
18 第2の感知コイル
20 電気接続部
22 補正用駆動コイル
23 第1端部
24 補正用駆動コイル
25 第2端部
26 構成材料
28 例示の亀裂
32 可撓性の基板
34 列
35 界面(バウンダリ)
36 駆動ライン
38 列
40 ECAP(渦電流アレイ探触子)
42 共通の電源ライン
44 接続ライン
60 ECAP(渦電流アレイ探触子)
Claims (10)
- 各々が、第1の感知コイル(16)と第2の感知コイル(18)を備え、前記第1の感知コイルが1つの極性を有し、前記第2の感知コイルが反対の極性を有する、複数のECチャネル(12)と、
複数の駆動コイル(14)であって、前記駆動コイルの各々は前記各ECチャネルのそれぞれに設けられ、前記駆動コイルが、隣接する駆動コイルに対して交互に異なる極性を有し、前記各駆動コイルが、前記第1および第2の感知コイル付近で前記ECチャネルのそれぞれに対して探触磁場を発生させるように構成された、複数の駆動コイル(14)とを備える渦電流(EC)探触子(10)。 - 前記各駆動コイル(14)が、前記第1および第2の感知コイル(16、18)の周囲に延び、それによって前記ECチャネル(12)のそれぞれを形成し、前記第1の感知コイルおよび前記第2の感知コイルのそれぞれが互いに対して走査方向(x)に沿って配置され、前記ECチャネルが前記走査方向(x)と実質的に垂直な配列方向(y)に沿って向けられた配列を形成することを特徴とする請求項1記載のEC探触子(10)。
- 一組の補正用駆動コイル(22、24)であって、第1の前記補正用駆動コイル(22)が、前記ECチャネル(12)の第1端部(23)に配置され、第2の前記補正用駆動コイル(24)が、前記ECチャネルの第2端部(25)に配置され、前記補正用駆動コイルのそれぞれが探触磁場を発生させるように構成された、一組の補正用駆動コイル(22、24)をさらに備え、
前記第1および第2の感知コイル(16、18)のそれぞれが矩形であり、前記各ECチャネルが矩形であり、また前記各駆動コイル(14)が矩形であることを特徴とする請求項2記載のEC探触子(10)。 - 前記第1および第2の感知コイル(16、18)のそれぞれを動作的に接続し、差動感知および絶対感知のうちの少なくとも1つを行うように構成された複数の電気接続部(20)をさらに備えることを特徴とする請求項2記載のEC探触子(10)。
- 構成材料(26)を傷に関して検査するための渦電流(EC)アレイ探触子(ECAP)(40)であって、前記ECAPが、
少なくとも1つの基板(32)と、
前記少なくとも1つの基板上に配列された複数の感知コイル(16、18)と、
前記感知コイルのすべてを包囲する駆動コイル(14)とを備え、前記駆動コイルは、前記感知コイルの付近で探触磁場を発生させるように構成され、前記感知コイルが探触磁場に応答して構成材料内で発生される複数の渦電流に対応する複数の応答信号を発生させるように構成された、渦電流(EC)アレイ探触子(ECAP)(40)。 - 複数の可撓性の基板(32)を備え、前記駆動コイル(14)が、前記感知コイル(16、18)が形成されるのと異なる前記可撓性基板上に形成されることを特徴とする請求項5記載のECAP(40)。
- 前記感知コイルが、複数のECチャネル(12)として配列され、前記各ECチャネルが、第1および第2の前記感知コイル(16、18)を備え、第1の前記感知コイルが前記第2の感知コイルと極性で異なり、前記ECチャネルが複数の列(34)に配列され、前記駆動コイルが前記列のすべてを包囲することを特徴とする請求項5記載のECAP(40)。
- 構成材料(26)を傷に関して検査するための渦電流(EC)アレイ探触子(ECAP)(60)であって、前記ECAPが、
少なくとも1つの基板(32)と、
前記少なくとも1つの基板上に配列された複数の感知コイル(16、18)であって、前記感知コイルが少なくとも2つの列(34、38)に配置された複数の感知コイル(16、18)と、
少なくとも1つの駆動ライン(36)とを備え、1つの駆動ラインが列の組みごとに設けられ前記列の間に配置され、前記各駆動ラインが前記列の組の付近で探触磁場を発生させるように構成され、前記感知コイルが、前記探触磁場に応答して前記構成材料内で発生される複数の渦電流に対応する複数の応答信号を発生させるように構成された、渦電流(EC)アレイ探触子(ECAP)(60)。 - 複数の可撓性基板(32)を備え、前記駆動ライン(36)および感知コイル(16、18)の前記列(34)が異なる前記可撓性基板上に配置され、前記感知コイルが複数のECチャネル(12)として配置され、前記各ECチャネルが第1のおよび第2の前記感知コイルを備え、第1の前記感知コイルが第2の前記感知コイルと極性で異なり、一方の前記列の前記ECチャネル12が、他方の前記列の前記ECチャネルに対して食い違い配置にされたことを特徴とする請求項8記載のECAP(60)。
- 少なくとも3つの駆動ライン(36)を備え、前記起動ラインの1つが、感知コイル(16、18)の前記列(34、38)の間に配列され、前記駆動ラインの1つが前記列の上に配置され、前記駆動ラインのもう1つが前記列の下に配置されることを特徴とする請求項8記載のECAP(60)。
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