JP2006278236A - プラズマ発生電極及びプラズマ反応器 - Google Patents

プラズマ発生電極及びプラズマ反応器 Download PDF

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Abstract

【課題】エネルギー状態の高いプラズマを低電力で発生させることが可能なプラズマ発生電極を提供する。
【解決手段】電圧を印加することによりプラズマを発生することのできる少なくとも一組の陽極としての単位電極2及び陰極としての単位電極3を備えたプラズマ発生電極であって、陽極としての単位電極2及び陰極としての単位電極3が互いに対向配置されており、少なくとも陽極としての単位電極2が、板状のセラミック誘電体5と、セラミック誘電体5の内部に配設された導電膜6とを有するとともに、陰極としての単位電極3が、プラズマ発生過程に生じた陽イオン(一次粒子)が衝突した際に、受け取る陽イオンの数に対して5倍以上の数の二次電子を放出することが可能なプラズマ発生電極1。
【選択図】図1

Description

本発明は、プラズマ発生電極及びプラズマ反応器に関する。さらに詳しくは、エネルギー状態の高いプラズマを低電力で発生させることが可能なプラズマ発生電極及びプラズマ反応器に関する。
二枚の両端を固定された電極間に誘電体を配置し高電圧の交流、あるいは周期パルス電圧をかけることにより、無声放電が発生し、これによりできるプラズマ場では活性種、ラジカル、イオンが生成され、気体の反応、分解を促進することが知られており、これをエンジン排気ガスや各種の焼却炉排気ガスに含まれる有害成分の除去に利用できることが知られている。
例えば、上述したようなプラズマを発生させるためのプラズマ発生電極を使用し、そのプラズマ場内に、エンジンや各種の焼却炉等から排出される排気ガスを通過させて、排気ガスに含まれる有害成分、例えば、NOx、カーボン微粒子、HC、CO等を処理するプラズマ反応器等が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2001−164925号公報
しかしながら、例えば、このようプラズマ反応器を用いて、エンジン等から排出される排気ガスに含まれる一酸化窒素(NO)を処理する場合において、その処理に必要となるエネルギー状態のプラズマを発生させるためには、極めて多くの電力を供給しなければならず、従来のプラズマ反応器はエネルギー効率が悪いという問題があった。
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、エネルギー状態の高いプラズマを低電力で発生させることが可能なプラズマ発生電極及びプラズマ反応器を提供する。
即ち、本発明は、以下のプラズマ発生電極及びプラズマ反応器を提供するものである。
[1] 電圧を印加することによりプラズマを発生することのできる少なくとも一組の陽極としての単位電極及び陰極としての単位電極を備えたプラズマ発生電極であって、前記陽極としての単位電極及び前記陰極としての単位電極が互いに対向配置されており、少なくとも前記陽極としての単位電極が、板状のセラミック誘電体と、前記セラミック誘電体の内部に配設された導電膜とを有するとともに、前記陰極としての単位電極が、プラズマ発生過程に生じた陽イオン(一次粒子)が衝突した際に、受け取る前記陽イオンの数に対して5倍以上の数の二次電子を放出することが可能なプラズマ発生電極(以下、「第一の発明」ということがある)。
[2] 前記陰極としての単位電極が、ベリリウム銅合金、銀マグネシウム合金、アルミニウムマグネシウム合金、ニッケルベリリウム合金、酸化セシウム、バリウムとストロンチウムの二元酸化物、硫化亜鉛、及びタングステン酸カルシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の材料を含む前記[1]に記載のプラズマ発生電極。
[3] 前記陽極としての単位電極を構成する前記セラミック誘電体が、アルミナ、ムライト、セラミックガラス、ジルコニア、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウム、及びガラスからなる群から選ばれる少なくとも一種のセラミックを含む前記[1]又は[2]に記載のプラズマ発生電極。
[4] 前記陽極としての単位電極を構成する前記導電膜が、タングステン、モリブデン、マンガン、クロム、チタン、ジルコニウム、ニッケル、鉄、銀、銅、白金、及びパラジウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属を含む前記[1]〜[3]のいずれかに記載のプラズマ発生電極。
[5] 前記[1]〜[4]のいずれかに記載のプラズマ発生電極と、所定の成分を含むガスの流路(ガス流路)を内部に有するケース体とを備え、前記ガスが前記ケース体の前記ガス流路に導入されたときに、前記プラズマ発生電極で発生したプラズマにより前記ガスに含まれる前記所定の成分が反応することが可能なプラズマ反応器(以下、「第二の発明」ということがある)。
[6] 前記プラズマ発生電極に電圧を印加するための一つ以上のパルス電源をさらに備えた前記[5]に記載のプラズマ反応器。
[7] 前記パルス電源が、その内部に少なくとも一つのSIサイリスタを有する前記[6]に記載のプラズマ反応器。
このように、本発明のプラズマ発生電極及びプラズマ反応器は、陽極としての単位電極が、板状のセラミック誘電体と、セラミック誘電体の内部に配設された導電膜とを有するとともに、陰極としての単位電極が、陽イオンを受け取る際に、受け取る陽イオンの数に対して5倍以上の数の二次電子を放出することが可能なものであることから、エネルギー状態の高いプラズマを低電力で発生させることができる。
以下、図面を参照して、本発明(第一及び第二の発明)のプラズマ発生電極及びプラズマ反応器の最良の形態について詳細に説明するが、本発明は、これに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。
図1は、本発明(第一の発明)のプラズマ発生電極の一の実施の形態を模式的に示す斜視図であり、図2は、図1に示すプラズマ発生電極を面Aで切断した断面図である。また、図3は、本実施の形態のプラズマ発生電極における、陽極としての単位電極と陰極としての単位電極との相互間の粒子(陽イオンと二次電子)の動きを説明する説明図である。
図1及び図2に示すように、本実施の形態のプラズマ発生電極1は、電圧を印加することによりプラズマを発生することのできる少なくとも一組の陽極としての単位電極2及び陰極としての単位電極3を備えたプラズマ発生電極であって、陽極としての単位電極2及び陰極としての単位電極3が互いに対向配置されており、少なくとも陽極としての単位電極2が、板状のセラミック誘電体5と、セラミック誘電体5の内部に配設された導電膜6とを有するとともに、図3に示すように、陰極としての単位電極3が、プラズマ発生過程に生じた陽イオン7(一次粒子)が衝突した際に、受け取る陽イオン7の数に対して5倍以上の数の二次電子を放出することが可能なものである。
通常、陽極としての単位電極2(以下、「陽極単位電極2」ということがある)と陰極としての単位電極3(以下、「陰極単位電極3」ということがある)とが互いに対向配置されたプラズマ発生電極1においては、プラズマが生成する過程において陽イオン7が発生し、発生した陽イオン7は、陽極単位電極2と陰極単位電極3との間に発生する電界により陰極単位電極3へと引き寄せられて陰極単位電極3に衝突する。この陽イオン7の衝突により、陰極単位電極3が陽イオン7を受け取るとともに、衝突によるエネルギーが陰極単位電極3内の電子に与えられて、陰極単位電極3が二次電子8を放出する。この二次電子8は、電界によりエネルギーを得て、電子雪崩を起こしストリーマー(放電)が進展する起点となる。
本実施の形態のプラズマ発生電極1においては、陰極単位電極3が、陽イオン7を受け取る際に、受け取る陽イオン7の数に対して5倍以上の数の二次電子8を放出するものであり、従来のプラズマ発生電極と比較して二次電子8を放出する数が多いため、上述したストリーマーが、より多くの箇所で、かつより大きく進展する。このため、従来のプラズマ発生電極と比較してエネルギー状態の高いプラズマを低電力で発生させることができる。このようなことから、例えば、自動車の排気ガス等に含まれる一酸化窒素(NO)を二酸化窒素(NO2)に変換して処理する場合の処理効率を大幅に上昇させることができる。
本実施の形態のプラズマ発生電極1に用いられる陰極単位電極3は、受け取る陽イオン7の数に対して5倍以上の数の二次電子8を放出することが可能なものであれば、その材料については特に制限はないが、例えば、陰極単位電極3が、ベリリウム銅合金、銀マグネシウム合金、アルミニウムマグネシウム合金、ニッケルベリリウム合金、酸化セシウム、バリウムとストロンチウムの二元酸化物、硫化亜鉛、及びタングステン酸カルシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の材料を含むことが好ましい。上述した材料は、いずれも受け取る陽イオン7の数に対して5倍以上の数の二次電子8を放出するものであり、本実施の形態のプラズマ発生電極1に用いられる陰極単位電極3の材料として好適に用いることができる。なお、例えば、上述した、受け取る陽イオン7の数に対する、放出する二次電子8の数の割合(以下、「二次電子放出の割合」ということがある)は、ベリリウム銅合金が7、銀マグネシウム合金が10、アルミニウムマグネシウム合金が10〜15、ニッケルベリリウム合金が12、酸化セシウム8〜11、バリウムとストロンチウムの二元酸化物が8、硫化亜鉛が7、タングステン酸カルシウムが7である。なお、この二次電子放出の割合は、図4に示すように、陽イオンが有するエネルギーによって変化するものであるが、その最大値は陽イオンを受け取る側の材質によって決まっている。本実施の形態において二次電子放出の割合という場合には、この最大値を意味する。なお、図4は、陽イオンのエネルギーと、陰極単位電極が受け取る陽イオンの数に対する放出する二次電子の数の割合(二次電子放出の割合)との関係を示すグラフである。なお、図3に示すように、この陰極単位電極3においては、放出する二次電子8の数が受け取る陽イオン7の数に対して5倍以上であれば、より多くの二次電子8を放出することが可能なものであることが好ましいが、一般的には、上述した好ましい材料を用いた場合には、5〜15倍の二次電子8を放出することができる。
図1に示すように、本実施の形態のプラズマ発生電極1に用いられる陰極単位電極3においては、その陰極単位電極3の全質量に対して、ベリリウム銅合金、銀マグネシウム合金、アルミニウムマグネシウム合金、ニッケルベリリウム合金、酸化セシウム、バリウムとストロンチウムの二元酸化物、硫化亜鉛、及びタングステン酸カルシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の材料を、総量で50質量%以上含むことがさらに好ましく、90質量%以上含むことが特に好ましい。このように構成することによって、よりエネルギー状態の高いプラズマを低電力で発生させることが可能となる。
なお、陰極単位電極3が受け取る陽イオンの数、及び陰極単位電極3が放出する二次電子8の数は、例えば、陽イオンを対象となる材料に衝突させ、その際発生した電子を計測することにより求めることができる。具体的には、表面イオン化等によって一次粒子となるイオンを発生させ、二重集束質量分析装置によって発生したイオンをふるいにかけ、一定のエネルギー・価数及び質量を持ったイオンを得る。得られた等エネルギー・等価数・等質量のイオンを、加速レンズを用いて最大30keV程度まで加速し、対象となる材料に衝突させる。イオンとの衝突により測定対象となる材料は二次電子を放出し、放出された二次電子を、シリンドリカルレンズを用い30keVまで加速させ半導体検出器に集中して衝突させる。二次電子が半導体検出器に衝突することにより二次電子は電気信号として得ることができ、得られた信号を波高分析することにより衝突により発生した二次電子数を見積もることができる。
陽極単位電極2及び陰極単位電極3の形状については特に制限はないが、例えば、互いに対向する相互間に良好にプラズマを発生させることができるように、互いに対向する板状であることが好ましい。
また、本実施の形態のプラズマ発生電極1に用いられる陽極単位電極2は、板状のセラミック誘電体5と、セラミック誘電体5の内部に配設された導電膜6とを有する、所謂、バリア放電型の単位電極である。このため、本実施の形態のプラズマ発生電極1は、陽極単位電極2と陰極単位電極3との相互間に、バリヤ放電による均一なプラズマを良好に発生させることができる。この陽極単位電極2は、導電膜6がセラミック誘電体5の内部に配設されているため、プラズマ発生電極1を排気ガスの処理等に用いた際に、導電膜6と排気ガスとが直接接触することがなく、導電膜6の腐食や劣化を有効に防止することができる。
図1及び図2に示すように、本実施の形態のプラズマ発生電極1においては、陽極単位電極2と陰極単位電極3との相互間にプラズマを発生させる空間を形成するために、互いに対向する陽極単位電極2と陰極単位電極3とを所定の間隔隔てた状態で保持する保持部材4を備えている。また、図1及び図2においては、それぞれ三枚ずつの陽極単位電極2と陰極単位電極3とが、交互に保持部材4によって保持されたプラズマ発生電極1を示しているが、プラズマ発生電極1を構成する陽極単位電極2と陰極単位電極3との数はこれに限定されることはない。
本実施の形態のプラズマ発生電極1に用いられる陽極単位電極2においては、この陽極単位電極2を構成するセラミック誘電体5が、アルミナ、ムライト、セラミックガラス、ジルコニア、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウム、及びガラスからなる群から選ばれる少なくとも一種のセラミックを含むことが好ましい。セラミック誘電体5が上述したセラミックを含むことにより、その耐熱性及び耐衝撃性を向上させることが可能となり、プラズマ発生電極1を燃焼排気ガスの処理や自動車の排気ガスの処理等に好適に用いることができる。
このようなセラミック誘電体5としては、テープ状に成形されたセラミック成形体(グリーンテープ)を用いることが好ましい。このように構成することによって、セラミック誘電体5の厚さを薄くすることが可能となり、プラズマ発生電極1の小型化や、排気ガス等を処理する場合における通過抵抗を低減させることができる。なお、セラミック誘電体5としては、例えば、押出成形によって所定の形状に形成されたセラミック成形体を用いてもよい。
また、本実施の形態のプラズマ発生電極1に用いられる陽極単位電極2においては、この陽極単位電極2を構成する導電膜6が、タングステン、モリブデン、マンガン、クロム、チタン、ジルコニウム、ニッケル、鉄、銀、銅、白金、及びパラジウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属を含むことが好ましく、導電膜6の全質量に対して上記群から選ばれる少なくとも一種の金属を60質量%以上含むことがさらに好ましい。
この導電膜6は、上述した導電膜6の好ましい材料として挙げた金属の粉末を含む導体ペーストを塗工して形成したものを好適に用いることができる。また、同様の好ましい材料として挙げた金属から構成された金属メッシュや金属ワイヤを用いることもできる。
導電膜6を、上述した導体ペーストを塗工して形成する場合には、テープ状に成形されたセラミック成形体(グリーンテープ)をセラミック誘電体5として用い、このテープ状のセラミック成形体に、例えば、導電膜6の好ましい材料として挙げた金属の粉末と、有機バインダーと、テルピネオール等の溶剤とを混合して調製した導体ペーストを塗工して形成することが好ましい。具体的な塗工の方法としては、例えば、スクリーン印刷、カレンダーロール、スプレー、静電塗装、ディップ、ナイフコータ、化学蒸着、物理蒸着等を好適例として挙げることができる。このような方法によれば、塗工後の表面の平滑性に優れ、かつ厚さの薄い導電膜6を容易に形成することができる。なお、上述した導体ペーストには、テープ状のセラミック成形体との密着性及び焼結性を向上させるべく、必要に応じて添加剤を加えてもよい。
また、導電膜6の厚さについては特に制限はないが、プラズマ発生電極1の小型化、及び排気ガス等を処理する場合における通過抵抗を低減させる等の理由から、10〜100μmであることが好ましく、さらに、10〜30μmであることが好ましい。
次に、本発明(第二の発明)のプラズマ反応器の一の実施の形態について具体的に説明する。図5(a)は、本発明のプラズマ反応器の一の実施の形態を、ガスの流れ方向に、互いに対向して配置された電極の表面に垂直な平面で切断した断面図、図5(b)は、図5(a)のB−B線における断面図である。
図5(a)及び図5(b)に示すように、本実施の形態のプラズマ反応器11は、図1に示したような本発明(第一の発明)のプラズマ発生電極の一の実施の形態(プラズマ発生電極1)と、所定の成分を含むガスの流路(ガス流路13)を内部に有するケース体12とを備え、このガスがケース体12のガス流路13に導入されたときに、プラズマ発生電極1によって発生したプラズマによりガスに含まれる所定の成分が反応することが可能なものである。本実施の形態のプラズマ反応器11は、排気ガス処理装置や、空気等に含まれる酸素を反応させてオゾンを精製するオゾナイザ等に好適に用いることができる。特に、第一の発明の実施の形態であるプラズマ発生電極1は、陰極単位電極が、陽イオンを受け取る際に、受け取る陽イオンの数に対して5倍以上の数の二次電子を放出することができるため、エネルギー状態の高いプラズマを低電力で発生させる可能となる。
本実施の形態のプラズマ反応器11を構成するケース体12の材料としては、特に制限はないが、例えば、優れた導電性を有するとともに、軽量かつ安価であり、熱膨張による変形の少ないフェライト系ステンレス等であることが好ましい。
また、図示は省略するが、本実施の形態のプラズマ反応器においては、プラズマ発生電極に電圧を印加するための電源をさらに備えていてもよい。この電源については、プラズマを有効に発生させることができる電流を供給することが可能なものであれば、従来公知の電源を好適に用いることができる。また上述した電源としては、パルス電源であることが好ましく、この電源が、その内部に少なくとも一つのSIサイリスタを有することがさらに好ましい。このような電源を用いることによって、さらに効率よくプラズマを発生させることができる。
また、本実施の形態のプラズマ反応器においては、上述したように電源を備えた構成とせずに、外部の電源から電流を供給することが可能なようにコンセント等の通電用部品を備えた構成としてもよい。
プラズマ反応器を構成するプラズマ発生電極に供給する電流については、発生させるプラズマの強度によって適宜選択して決定することができる。例えば、プラズマ反応器を自動車の排気系中に設置する場合には、プラズマ発生電極に供給する電流が、電圧が1kV以上の直流電流、ピーク電圧が1kV以上かつ1秒当たりのパルス数が100以上(100Hz以上)であるパルス電流、ピーク電圧が1kV以上かつ周波数が100以上(100Hz以上)である交流電流、又はこれらのいずれか二つを重畳した電流であることが好ましい。このように構成することによって、効率よくプラズマを発生させることができる。
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
陽極としての五枚の単位電極(陽極単位電極)と、プラズマ生成過程において生じた陽イオンを受け取る四枚の陰極としての単位電極(陰極単位電極)とを備え、この陽極単位電極と陰極単位電極とが互いに1mmの間隔を隔てた状態で対向配置されたプラズマ発生電極(実施例1)を製造した。
陽極単位電極は、板状のセラミック誘電体と、このセラミック誘電体の内部に配設された導電膜とを有しており、セラミック誘電体は、アルミナグリーンシートを用いて形成し、セラミック誘電体の表面の形状を縦横90×50mmの長方形とし、その厚さを1mmとした。また、導電膜は、タングステンを含むペーストを用いて、セラミック誘電体の略中央に印刷して形成し、導電膜の大きさを、縦横80mm×48mm、厚さ10μmとした。また、陰極単位電極は、純度が略100質量%のベリリウム銅を用いて、表面の形状を縦横90×50mmの長方形とし、その厚さを1mmとした。陰極電極の材料として用いたベリリウム銅は、二次電子放出の割合が7であった。
本実施例のプラズマ発生電極を用いて、排気ガスを模擬したモデルガスのNOをNO2に変換する処理実験を行った。モデルガスの成分はN2をベースガスとし、O2が14%、CO2が4.5%、COが1000ppm、THC(トータルハイドロカーボン)が600ppm、NOが200ppm、H2Oが4%であり、ガス流量は空間速度(SV値)が20万となるように調整した。陽極単位電極に印加する電圧波形は高繰り返しパルスとし、周波数は1kHzとした。この処理実験より、投入電力が30WのときにNOのNO2への変換率が85%となった。
(比較例1)
陰極単位電極を、二次電子放出の割合が1.3のステンレスを用いて製作したものを用いた以外は、実施例1のプラズマ発生電極と同様に構成されたプラズマ発生電極(比較例1)を製造し、実施例1と同様の方法で、排気ガスを模擬したモデルガスのNOをNO2に変換する処理実験を行った。結果は、投入電力が60WのときにNOのNO2への変換率が85%となり、実施例1のプラズマ発生電極と同定の処理を行うために、約2倍の電力を要した。
本発明のプラズマ発生電極は、陰極単位電極が、陽イオンを受け取る際に、受け取る陽イオンの数に対して5倍以上の数の二次電子を放出することが可能なものであるため、エネルギー状態の高いプラズマを低電力で発生させることができ、例えば、自動車の排気ガス等に含まれる一酸化窒素(NO)を二酸化窒素(NO2)に変換にて処理する場合の処理効率を大幅に上昇させることができる。また、本発明のプラズマ反応器は、このようなプラズマ発生電極を備えており、均一かつ安定なプラズマを発生させることが可能であり、自動車の排気ガス処理装置等に好適に用いることができる。
本発明(第一の発明)のプラズマ発生電極の一の実施の形態を模式的に示す斜視図である。 図1に示すプラズマ発生電極を面Aで切断した断面図である。 本発明(第一の発明)のプラズマ発生電極の一の実施の形態における、陽極単位電極と陰極単位電極との相互間の粒子(陽イオンと二次電子)の動きを説明する説明図である。 陽イオンのエネルギーと、陰極単位電極が受け取る陽イオンの数に対する放出する二次電子の数の割合(二次電子放出の割合)との関係を示すグラフである。 本発明(第二の発明)のプラズマ反応器の一の実施の形態を、ガスの流れ方向に、互いに対向して配置された電極の表面に垂直な平面で切断した断面図である。 図5(a)のB−B線における断面図である。
符号の説明
1…プラズマ発生電極、2…陽極としての単位電極(陽極単位電極)、3…陰極としての単位電極(陽極単位電極)、4…保持部材、5…セラミック誘電体、6…導電膜、7…陽イオン、8…二次電子、11…プラズマ反応器、12…ケース体、13…ガス流路。

Claims (7)

  1. 電圧を印加することによりプラズマを発生することのできる少なくとも一組の陽極としての単位電極及び陰極としての単位電極を備えたプラズマ発生電極であって、
    前記陽極としての単位電極及び前記陰極としての単位電極が互いに対向配置されており、少なくとも前記陽極としての単位電極が、板状のセラミック誘電体と、前記セラミック誘電体の内部に配設された導電膜とを有するとともに、
    前記陰極としての単位電極が、プラズマ発生過程に生じた陽イオン(一次粒子)が衝突した際に、受け取る前記陽イオンの数に対して5倍以上の数の二次電子を放出することが可能なプラズマ発生電極。
  2. 前記陰極としての単位電極が、ベリリウム銅合金、銀マグネシウム合金、アルミニウムマグネシウム合金、ニッケルベリリウム合金、酸化セシウム、バリウムとストロンチウムの二元酸化物、硫化亜鉛、及びタングステン酸カルシウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の材料を含む請求項1に記載のプラズマ発生電極。
  3. 前記陽極としての単位電極を構成する前記セラミック誘電体が、アルミナ、ムライト、セラミックガラス、ジルコニア、コージェライト、窒化珪素、窒化アルミニウム、及びガラスからなる群から選ばれる少なくとも一種のセラミックを含む請求項1又は2に記載のプラズマ発生電極。
  4. 前記陽極としての単位電極を構成する前記導電膜が、タングステン、モリブデン、マンガン、クロム、チタン、ジルコニウム、ニッケル、鉄、銀、銅、白金、及びパラジウムからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属を含む請求項1〜3のいずれかに記載のプラズマ発生電極。
  5. 請求項1〜4のいずれかに記載のプラズマ発生電極と、所定の成分を含むガスの流路(ガス流路)を内部に有するケース体とを備え、前記ガスが前記ケース体の前記ガス流路に導入されたときに、前記プラズマ発生電極で発生したプラズマにより前記ガスに含まれる前記所定の成分が反応することが可能なプラズマ反応器。
  6. 前記プラズマ発生電極に電圧を印加するための一つ以上のパルス電源をさらに備えた請求項5に記載のプラズマ反応器。
  7. 前記パルス電源が、その内部に少なくとも一つのSIサイリスタを有する請求項6に記載のプラズマ反応器。
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