JP2011220774A - 放射線検出素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、クロストークを抑制した高解像な放射線検出素子を、シンチレータにダメージを与えることなく製造する方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 互いに離間する複数の第一柱状シンチレータと、第一柱状シンチレータの間に位置し第一柱状シンチレータと離間する第二柱状シンチレータと第一柱状シンチレータと重なって位置する複数の光検出部材とを備える放射線検出素子の製造方法であって、凹凸部で周囲を囲まれた互いに離間する複数の平坦部を有する基板を用意する工程と、平坦部と凸部とにそれぞれ第一柱状シンチレータと第二柱状シンチレータとを形成する工程とを有し、凹凸構造の凹部の深さｈと、凸部間距離ｄとが、ｈ／ｄ≧１の関係式を満たす。
【選択図】 図１

Description

本発明は放射線を検出する放射線検出素子の製造方法に関するものである。

被写体に放射線を照射し、透過した放射線を検出することで像を得る放射線撮影において、検出した放射線を電気信号に変換して像を得るデジタルラジオグラフィ（ＤＲ）技術が知られている。一般にＤＲでは、放射線を検出して電気信号に変換するフラットパネルディテクタ（ＦＰＤ）が用いられる。ＦＰＤは二次元状に配列した光検出部材と、この光検出部材の上に配置されたシンチレータ層を有している。ＦＰＤの基本的な動作原理は放射線によるシンチレータの発光（シンチレーション光）をアモルファスシリコンや多結晶シリコンから成る光検出部材で検出して電気信号に変換し、各光検出部での電気信号を処理することで画像化している。ＦＰＤのシンチレータ層としてはガドリニウムの酸硫化物にテルビウムを発光中心として添加したＧｄ_２Ｏ_２Ｓ：Ｔｂ、ヨウ化セシウムにタリウムを添加したＣｓＩ：Ｔｌなどが一般的に知られている。特にＣｓＩ：Ｔｌを用いたＦＰＤでは成膜後のＣｓＩ：Ｔｌの膜厚にもよるが、真空蒸着によって互いに独立した複数の柱状結晶のＣｓＩ：Ｔｌが成膜されるため、柱状結晶内でのライトガイド効果により所謂クロストークが抑制されるため、高い解像度が得られる。

このような柱状のシンチレータを用いた放射線イメージセンサーとして、特許文献１には、二次元状に配列されたフォトダイオードアレイの各受光部上に、各受光部と同サイズの柱状シンチレータを有し、また隣り合う受光部間上には、受光部上のシンチレータよりもサイズの小さい柱状シンチレータを有する構造が開示されている。

特開２０００−７５０３８号公報

上述の特許文献１においては、上述の構造を得るために、まず受光部上及び隣り合う受光部間に、受光部よりもサイズの小さい柱状シンチレータを一様に形成している。そして、受光部上の柱状シンチレータにのみレーザを照射することで、受光部上に形成されたサイズの小さい複数の柱状シンチレータを互いに融合させ、受光部と同サイズの柱状シンチレータを形成している。しかしこのような方法では、受光部上のシンチレータにダメージを与えるため、改善が求められていた。本発明は、クロストークを抑制した高解像な放射線検出素子を、シンチレータにダメージを与えることなく製造する方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決する本発明は、互いに離間する複数の第一柱状シンチレータと、隣り合う第一柱状シンチレータの間に位置し該隣り合う第一柱状シンチレータと離間する第二柱状シンチレータとを備える基板と、それぞれが前記複数の第一柱状シンチレータのそれぞれと重なって位置する複数の光検出部材と、
を備える放射線検出素子の製造方法であって、
表面に、凹凸部と該凹凸部で周囲を囲まれた互いに離間する複数の平坦部とを有する基板を用意する工程と、
前記凹凸部と平坦部とを有する基板にシンチレータ材を堆積させ、前記平坦部と前記凸部とにそれぞれ第一柱状シンチレータと第二柱状シンチレータとを形成する工程とを有し、
前記凹凸構造の凹部の深さｈと、凸部間距離ｄとが、ｈ／ｄ≧１の関係式を満たすことを特徴とする。

本発明によればクロストークを抑制した高解像な放射線検出素子を、シンチレータにダメージを与えることなく製造することが可能となる。

実施の形態の放射線検出素子の製造工程の一例を示す断面模式図 実施の形態の平坦部及び凹凸部を有する基板の一例を示す図 図２に示す実施の形態の基板上にシンチレータを形成した後の状態を示す図 実施の形態の平坦部及び凹凸部を有する基板の他の一例を示す図 図４に示す実施の形態の基板上にシンチレータを形成した後の状態を示す図

以下に本発明の好ましい実施の形態を、図面を用いて説明する。

図１の（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態の放射線検出素子の製造工程及び製造された放射線検出素子を示す図である。具体的には、図１の（ａ）は、表面に、凹凸部とこの凹凸部で周囲を囲まれた互いに離間する複数の平坦部とを有する基板を用意する工程を示している。また図１の（ｂ）は、凹凸部と平坦部とを有する基板にシンチレータ材を堆積させ、平坦部と凸部とにそれぞれ第一柱状シンチレータと第二柱状シンチレータとを形成する工程を示している。そして、図１の（ｃ）は、これらの工程によって製造された放射線検出素子を示している。尚、図１の（ｃ）では、好ましい形態として、第一柱状シンチレータと第二柱状シンチレータ上に保護層及び反射層からなる付加膜が形成されている。また、図１の（ｄ）は、図１の（ａ）における凹凸部及び平坦部の部分拡大図である。

図１の（ｃ）に示すように、本実施の形態で製造される放射線検出素子１１は、互いに離間する複数の第一柱状シンチレータ６と、隣り合う第一柱状シンチレータ６の間に位置し、隣り合う第一柱状シンチレータ６と離間する第二柱状シンチレータ７とを備える基板１を有している。更に、それぞれが複数の第一柱状シンチレータ６のそれぞれと重なって位置する複数の光検出部材２を備えている。このように、光検出部材２が第一柱状シンチレータ６と重なるように位置し、且つ隣り合う第一シンチレータ６が互いに離間していることで、クロストークを低減することができる。詳述すると、それぞれの第一柱状シンチレータ６を照射する放射線であるＸ線９によって、それぞれの第一柱状シンチレータ６が発するシンチレーション光の大半は、第一柱状シンチレータ６の屈折率と、第一柱状シンチレータ６の周囲の空間の屈折率との差によって、それぞれの第一柱状シンチレータ６内に閉じ込められる。これは、光ガイド効果と呼ばれるもので、この結果、それぞれの第一柱状シンチレータ６で生じたシンチレーション光の大半は、それぞれの第一柱状シンチレータ６に重なって位置する光検出部材２に到達し、隣接する光検出部材２への到達が抑制される。

また、隣り合う第一柱状シンチレータ６の間に位置し、この隣り合う第一柱状シンチレータ６と離間する第二柱状シンチレータ７を有することによって、クロストークを更に低減することができる。詳述すると、第一柱状シンチレータ６から隣接する光検出部材２に向けて飛び出した僅かなシンチレーション光（以下、漏れ発光という場合有り）は、第二柱状シンチレータ７に入射することで屈折され、この屈折を繰り返すことによってエネルギーを低減させられる。従って、第二柱状シンチレータ７に入射した漏れ発光の大半は、第二柱状シンチレータ７によってエネルギーを失ってしまうことから、隣接する光検出部材２に到達することが困難となる。また、第二柱状シンチレータ７自身が発するシンチレーション光に関しては、第二柱状シンチレータ7の光ガイド効果による閉じ込めによって光検出部材2へ到達することが抑制される。さらに第二柱状シンチレータ7から飛び出した僅かな光も、上述のとおり、その隣に位置する第二柱状シンチレータ７への入射に伴うエネルギーの低減によって、隣接する光検出部２に到達することが困難となる。

このように、本実施の形態で製造される放射線検出素子１１は、クロストークを低減し得る。次に、この放射線検出素子１１を、シンチレータにダメージを与えることなく製造する方法について、図を用いて説明する。

図１の（ａ）に示すように、本実施の形態においては、まず、表面に、凹凸部とこの凹凸部で周囲を囲まれた互いに離間する複数の平坦部３とを有する基板を用意する。尚、凹凸部及び平坦部３は、基材１２の表面全体に、平坦部３及び凸部４を構成する部材を設け、これをリソグラフィー法等の方法で所望の形状にパターニングすることによって形成した。ここで、図１の（ｄ）に示すように、凹凸部は、凹部１０の深さｈ（以下、単に、凹部深さｈという場合有り）と、隣り合う凸部４の間の距離ｄ（以下、単に、凸部間距離ｄという場合有り）とが、ｈ／ｄ≧１の関係式を満たしている。そして、図１の（ｂ）に示すように、この凹凸部と平坦部３とを有する基板１上にシンチレータ材を堆積させる。堆積方法としては、真空蒸着等の方法を用いることができる。ここで、基板１上には上述のとおり、凹部１０の深さｈと、隣り合う凸部４の間の距離ｄとが、ｈ／ｄ≧１の関係を満たしているので、凹部１０内にはシンチレータ材がほとんど形成されることはなく、平坦部３と凸部４とにそれぞれ第一柱状シンチレータ６と第二柱状シンチレータ７とが形成される。詳述すると、基板１表面に、ｈ／ｄ≧１の関係を満たす凹凸構造を有することによって、基板１上へのシンチレータ材の堆積の初期から、凸部４と平坦部３とにシンチレータ材が優先的に堆積するため、凸部４と平坦部３とに堆積したシンチレータ材が、シンチレータ材の堆積直後から凹部１０へのシンチレータ材の進入を遮蔽し始める。この遮蔽現象は、時間と共に累積的に進んでいくため、すぐさま、凹部１０にはシンチレータ材が到達できなくなり、凹部１０がシンチレータ材で埋まることはない。その結果、凹部１０を挟んで、平坦部３と凸部４とにそれぞれ第一柱状シンチレータ６と第二柱状シンチレータ７とが互いに離間して形成される。

このように本実施の形態によれば、シンチレータ材にレーザ照射などの加工をすることがないため、光検出部材２に重なって位置する互いに離間した複数の第一柱状シンチレータ６と、隣り合う第一柱状シンチレータ６の間に位置し、隣り合う第一柱状シンチレータ６と離間する第二柱状シンチレータ７をシンチレータにダメージを与えることなく形成することができる。

尚、第一柱状シンチレータ６は、柱状結晶化させずに、バルク状に形成するのが好ましい。これによって、基板１上の単位面積あたりの第一柱状シンチレータ６の密度が増すため、対応する光検出部材２に向かうシンチレーション光を増大させることができる。第一柱状シンチレータ６をバルク状に形成するためには、シンチレータ材を基板１上に堆積させる際に、シンチレータ材の基板１上での表面拡散が促進されるように、堆積条件を制御すればよい。具体的には、シンチレータ材を堆積させる際の基板１の温度と、堆積時の雰囲気ガス（導入ガス）の圧力を制御すればよく、基板１の温度を上げるほど、または堆積時の雰囲気ガスの圧力を下げるほど、第一柱状シンチレータ６をバルク状に形成することができる。ただし、シンチレータ材の基板１上での表面拡散が、必要以上に促進されると、平端部３上の第一柱状シンチレータ６と、これに隣接する凸部４上の第二柱状シンチレータ７とが接触、融合してしまうため、表面拡散の促進の程度は適宜に調整する必要がある。尚、本実施の形態のように基板１へのシンチレータ材の堆積時の条件を制御して形成したバルク状のシンチレータは、従来技術のように、互いに離間していた柱状のシンチレータをレーザ照射によって融合させて、隙間を埋めたシンチレータに比較して、シンチレータ材の密度が高く、シンチレーション光が増すため好ましい。

また、平坦部３の面積が、光検出部材２の面積以上であることが好ましい。これによって、それぞれの光検出部材２に対応する第一柱状シンチレータ６の面積を大きくすることができるため、光検出部材２に向かうシンチレーション光を増大させることができる。

また、凸部４間距離ｄが、２μｍ以上且つ１０μｍ以下であり、尚且つ凸部４の周期が５μｍ以上且つ１５μｍ以下であるのが好ましい。

また、隣り合う平坦部３の間に複数の凸部４が位置し、この複数の凸部４が千鳥格子状に配列しているのが好ましい。これによって、第一柱状シンチレータ６から漏れ発光が生じた場合にも、この漏れ発光が第二柱状シンチレータ７に入射する確率が増し、屈折回数が増加するため、クロストークをより確実に低減できる。

尚、上述の平坦部３及び凹凸部を有する基板１とは、図１に示した形態に限らず、後述の実施例で詳述する図４の形態の平坦部３及び凸部４を有する基板１も含まれる。またこれ以外にも、例えば、基材１２の表面に所望の溝または島状の窪みを形成して、基材１２自体が、凸部４と平坦部３を同じ高さで備える形態、つまり基材１２自体を加工することによって、それ自体が凹凸部及び平坦部３を備える基板１となる形態も、本発明の平坦部３及び凸部４を有する基板１に含まれる。

尚、図１の（ｃ）に示すように、第一柱状シンチレータ６及び第二柱状シンチレータ７の上面に保護層や反射層等の付加膜８を設けても良い。保護層としての付加膜８としては、シンチレータを保護する有機膜等が使用でき、反射層としての付加膜８としては、放射線であるＸ線９のシンチレータへの照射によるシンチレーション光のうち、光検出部材２とは反対側に向かう光を反射するアルミ膜等が使用できる。

また、上述の実施の形態においては、光検出部材２が基板１の凹凸部及び平坦部３を備える面側に位置しているが、光検出部材２の位置は、これに限らず、例えば基板１の凹凸部及び平坦部３を備える面とは反対側の面に位置していても良い。また更には、光検出部材２が基板１とは離間して位置していてもよいし、別の基板上に位置していても良い。

尚、放射線検出素子は、更に光検出部材２を保護する保護膜や、光検出部材２ごとに配置されたＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等を有するのが好ましい。

以下、本発明における実施例について、２つのサンプルに基づき、以下説明する。

サンプル１
先ず、基材１２に平坦部３及び凸部４を設けて、凹凸部と平坦部３を有する基板１を形成する。具体的には、石英からなる基材１２上に、フォトレジスト（ＳＵ−８ ３００５）をスピンコート法によって４μｍの厚みで塗布し、フォトレジストが塗布された基材１２を、９５℃に加熱したホットプレートで加熱した後、平端部と凸部に対応したパターンのマスクを介して露光を行う。次に、露光を終えたフォトレジストを有する基材１２を９５℃に加熱し、ＳＵ−８用の現像液（デベロッパー）を用いて現像を行う。最後に現像を終えたフォトレジストパターンを有する基材１２を１２０℃で焼成し、基材１２上に平坦部３及び凸部４を形成した。このようにして形成された、凹凸部とこの凹凸部で周囲を囲まれた互いに離間する複数の平坦部３とを有する基板１を図２の（ａ）、（ｂ）に示す。図２の（ａ）は基板１の上面図であり、図２の（ｂ）は図２の（ａ）におけるＡ−Ｂ間の断面図である。尚、図２の（ｂ）は発明の理解のため、図２の（ａ）とは平坦部３と凸部４の縮尺を異ならせている。本サンプルでは、平端部３を、基材１２の表面からの高さが３μｍ（図中Ｚ方向の長さ）、上面の各辺の長さ（図中Ｘ方向及びＹ方向の各長さ）が５０μｍの直方体形状、凸部４を、基材１２からの高さ（凹部１０の深さ）ｈが３μｍ、上面の直径が３μｍの円柱形状で作成した。尚、隣り合う凸部４の間の距離ｄは２μｍとした。そして、凸部４が互いに隣り合う平坦部３の間で千鳥格子状に配列されるように形成した。以上のようにして、基材１２上に凸部４と平坦部３とを形成し、凹凸部とこの凹凸部で周囲を囲まれた互いに離間する複数の平坦部３とを有する基板１を用意した。

次に、基板１をチャンバー内に設置しＣｓＩ：Ｔｌから成るシンチレータ材を真空蒸着法により基板１上に堆積させる。具体的には、ＣｓＩとＴｌＩの粉末を別々の蒸着ボートに投入し、ＣｓＩのボートを７００℃、ＴｌＩのボートを３００℃に加熱することで基板１上にＣｓＩとＴｌＩとを共蒸着する。このとき、基板１の温度は２００℃とするとともに、チャンバー内にＡｒガスを導入し、雰囲気の圧力を５×１０^−３Ｐａとする。そして、基板１上に堆積されたＣｓＩ：ＴｌのＴｌ含有量が１ｍｏｌ％程度になるようにＣｓＩとＴｌＩの蒸着レートを制御し、ＣｓＩ：Ｔｌの膜厚が２００μｍとなるように制御する。このようにして、図３に示すように、基板１上の平坦部３と凸部４とに、それぞれ第一柱状シンチレータ６と第二柱状シンチレータ７とを形成する。

尚、上記条件によって、平坦部３上には、第一柱状シンチレータ６がバルク状に形成された。また凸部４上には、隣り合う凸部４の間の凹部１０がシンチレータ材で埋まることなく、互いに離間した第二柱状シンチレータ７が形成された。尚、第二柱状シンチレータ７の直径は、凸部４の直径よりも若干大きくなっているが、隣り合う第二柱状シンチレータ７同士、また近接する第一柱状シンチレータ６と接触することはなく、それぞれが独立した柱状結晶となっていた。

サンプル２
本サンプルはサンプル１とは異なる凹凸部及び平坦部３のパターンを用いた例である。

先ず、サンプル１と同様にして石英基材１２上へフォトレジスト（ＳＵ−８ ３００５）からなる凸部４を形成する。但し本サンプルではサンプル１とは異なるパターンのマスクを用いて露光を行い、図４に示す凸部４を形成する。図４の（ａ）はレジストによって凸部４が形成された基材１２の平面図であり、図４の（ｂ）は図４の（ａ）におけるＡ−Ｂ間の断面図である。尚、図４の（ｂ）は発明の理解のため、図４の（ａ）とは平坦部３と凸部４の縮尺を異ならせている。図４の（ａ）、（ｂ）に示すように、本サンプルでは、凸部４と凹部１０から成る凹凸部に囲まれた部分には基材１２自体が露出した平坦部３が形成されている。換言すると、サンプル１における平坦部３に対応する部分のフォトレジスト（ＳＵ−８ ３００５）を現像し除去することで、基材１２自体からなる平坦部３が形成されている。尚、平坦部３は５０μｍ四方の正方形状とし、凸部４は高さ（つまり凹部１の深さ）ｈが３μｍ、上面の直径が３μｍの円柱形状で作成した。尚、隣り合う凸部４の間の距離ｄは２μｍとした。そして、凸部４が互いに隣り合う平坦部３の間で千鳥格子状に配列されるように形成した。以上のようにして、基材１２上に凸部４を形成し、凹凸部とこの凹凸部で周囲を囲まれた互いに離間する複数の平坦部３とを有する基板１を用意した。

次に、基板１をチャンバー内に設置し、サンプル１と同様にしてＣｓＩ：Ｔｌから成るシンチレータ材を真空蒸着法により基板１上に堆積させ、図５に示すように基板１上の平坦部３と凸部４とに、それぞれ第一柱状シンチレータ６と第二柱状シンチレータ７とを形成した。

本サンプルにおいても、平坦部３上には、第一柱状シンチレータ６がバルク状に形成された。尚、本サンプルにおいては、平坦部３が窪んでいるが、凹凸部の凹部１０のようなアスペクトが１以上の窪みではないので、平端部３にもシンチレータ材が堆積して、第一柱状シンチレータ６がバルク状に形成された。また凸部４上には、隣り合う凸部４の間の凹部１０がシンチレータ材で埋まることなく、互いに離間した第二柱状シンチレータ７が形成された。また、互いに隣り合う第一柱状シンチレータ６と第二柱状シンチレータ７とも、互いに離間していることが確認できた。以上の工程により、シンチレータにダメージを与えることなく、互いに離間した第一柱状シンチレータ６及び第二柱状シンチレータ７を形成することが出来た。

本実施例において、サンプル１の作成工程を利用して図１に示す放射線検出素子を製造した。

アモルファスシリコンからなる光検出部材２が二次元的にアレイ化された基板１にポリイミドを配置し、図２で示したサンプル１と同じパターンにポリイミドをパターニングして平坦部３及び凸部４を形成する。この際、図２で示した平坦部３が光検出部材２上に配置されるようにパターンを形成する。このようにして用意された基板１に、サンプル１と同様にＣｓＩ：Ｔｌから成るシンチレータ材を堆積させて、平坦部３と凸部４とに、それぞれ第一柱状シンチレータ６と第二柱状シンチレータ７とを形成する。その後、第一柱状シンチレータ６と第二柱状シンチレータ７の上に防湿保護膜としてのポリパラキシリレンを配置し、更に反射膜としてのアルミ膜をホットメルト法で接着する。以上の工程により、シンチレータにダメージを与えることなく、光検出部材２と重なって位置する第一柱状シンチレータ６と、隣り合う第一柱状シンチレータ６の間に位置し、隣り合う第一柱状シンチレータ６と離間する第二柱状シンチレータ７とを備える放射線検出素子を製造することが出来た。

尚、サンプル２の工程を利用する場合には、図４で示した平坦部３が光検出部材２上に配置されるようにパターンを形成すればよい。

本実施例においては、サンプル１作成工程を利用して放射線検出素子を製造した。

アモルファスカーボン基材に反射膜としてアルミ膜を配置し、アルミ膜上にサンプル１と同様にしてレジストをパターニングして平坦部３及び凸部４を形成する。その上に更にサンプル１と同様にＣｓＩ：Ｔｌからなるシンチレータ材を堆積させ、平坦部３と凸部４とに、それぞれ第一柱状シンチレータ６と第二柱状シンチレータ７を形成する。その後、アモルファスシリコンからなる光検出部材２が二次元的にアレイ化された基板１と貼り合わせる。この際、図３で示した第一柱状シンチレータ６が光検出部材２上に配置されるように位置合わせを行って張り合わせる。以上の工程により、シンチレータにダメージを与えることなく、光検出部材２と重なって位置する第一柱状シンチレータ６と、隣り合う第一柱状シンチレータ６の間に位置し、隣り合う第一柱状シンチレータ６と離間する第二柱状シンチレータ７とを備える放射線検出素子を製造することが出来た。

尚、サンプル２の工程を利用する場合には、図５で示した平坦部３上に位置する第一柱状シンチレータ６が光検出部材２と重なって位置するように貼り合わせを行えばよい。

尚、基板１を用意する工程とは、上述の各実施例及びサンプル例に記載のような基材１２に凹凸部及び平坦部３を形成する処理や、基材１２自体を加工して凹凸部及び平坦部３を形成する処理に限られるものではない。例えば、予め凹凸部及び平坦部３が形成された基板１を、単にシンチレータ材を堆積させるためのステージに設置する行為でも構わない。

１ 基板
２ 光検出部材
３ 平坦部
４ 凸部
６ 第一柱状シンチレータ
７ 第二柱状シンチレータ
１０ 凹部
１１ 放射線検出素子

Claims (4)

1. 互いに離間する複数の第一柱状シンチレータと、隣り合う第一柱状シンチレータの間に位置し該隣り合う第一柱状シンチレータと離間する第二柱状シンチレータとを備える基板と、それぞれが前記複数の第一柱状シンチレータのそれぞれと重なって位置する複数の光検出部材と、
   を備える放射線検出素子の製造方法であって、
   表面に、凹凸部と該凹凸部で周囲を囲まれた互いに離間する複数の平坦部とを有する基板を用意する工程と、
   前記凹凸部と平坦部とを有する基板にシンチレータ材を堆積させ、前記平坦部と前記凸部とにそれぞれ第一柱状シンチレータと第二柱状シンチレータとを形成する工程とを有し、
   前記凹凸部の凹部の深さｈと、凸部間距離ｄとが以下の関係式を満たすことを特徴とする放射線検出素子の製造方法。
   ｈ／ｄ≧１
2. 前記凸部間距離ｄが２μｍ以上且つ１０μｍ以下であり、尚且つ凸部の周期が５μｍ以上且つ１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の放射線検出素子の製造方法。
3. 前記平坦部の面積が、前記光検出部材の面積以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の放射線検出素子の製造方法。
4. 隣り合う平坦部の間に複数の凸部が位置し、該複数の凸部が千鳥格子状に配列していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の放射線検出素子の製造方法。

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