JP2012022239A - 回折格子及びその製造方法、放射線撮影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】支持基板上に複数枚の小格子を配列した回折格子を湾曲させた際に、湾曲の際の応力が集中する応力集中線によって支持基板が折れるのを防止する。
【解決手段】第２の回折格子１３を円筒状に湾曲させる際に応力が集中する支持基板２１の応力集中線Ｆに、少なくとも１枚の小格子が重なるように複数枚の小格子２２ａ〜２２ｄを配列する。これにより、応力集中線Ｆにおける支持基板２１の剛性が向上するので、応力集中線Ｆにおいて支持基板２１が折れるのを防止することができる。更に、小格子間の境界、例えば小格子２２ａ及び２２ｂの境界Ｕ１と、小格子２２ｃ及び２２ｄの境界Ｕ２とが応力集中線Ｆ方向において一致しないように、複数枚の小格子２２ａ〜２２ｄを支持基板２１上に配列することで、応力集中線Ｆ以外で支持基板２１が折れるのも防止することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、位相イメージングを行なう放射線撮影装置と、この放射線影装置に用いられる回折格子及びその製造方法とに関する。

被検体によるＸ線の位相変化（角度変化）に基づいた画像（以下、位相コントラスト画像と称する）を得るＸ線位相イメージングの一種として、タルボ干渉効果を用いたＸ線撮影システムが考案されている。

上記Ｘ線撮影システムは、被検体の背後に配置した第１の回折格子と、第１の回折格子の格子ピッチとＸ線波長で決まる特定距離（タルボ干渉距離）だけＸ線の照射方向の下流に配置した第２の回折格子と、その背後に配置したＸ線画像検出器とを有する。第１の回折格子を通過したＸ線は、タルボ干渉効果により第２の回折格子の位置で自己像（縞画像）を形成する。この自己像は、被検体とＸ線との相互作用（位相変化）により変調を受けているので、第２の回折格子との重ね合わせにより強度変調された縞画像を縞走査法によって検出することにより、被検体による縞画像の変化（位相ズレ）から被検体の位相コントラスト画像を取得することができる。

第１及び第２の回折格子は、Ｘ線を透過するＸ線透過部と、Ｘ線を吸収するＸ線吸収部とを交互に配列した縞状（ストライプ状）の構造を有し、被検体による縞画像の変化を検出するため、Ｘ線遮蔽部の配列方向におけるピッチが数μｍという微細な構造を必要とする。また、第２の回折格子は、Ｘ線吸収部に高いＸ線吸収性を必要とするため、Ｘ線の進行方向の厚みが１００μｍ程度という高アスペクト比な構造を必要とする。そのため、第２の回折格子の製作には、微細な加工が可能なシリコン半導体プロセスが用いられている（例えば、特許文献１及び２参照）。

上記Ｘ線撮影システムにおいて、撮影視野サイズを拡大するには、第２の回折格子の面積を大きくすればよい。しかし、シリコン半導体プロセスでは、加工可能なウエハのサイズが制限されるので、ウエハ以上に大きな回折格子を製作することができない。

また、第２の回折格子を大面積化した場合、第１及び第２の回折格子の周縁部でのＸ線のケラレへの対処と、格子の厚さ方向における収束性のコントロールとが必要になる。すなわち、Ｘ線源は点光源とみなせるため、Ｘ線源から照射されたコーンビーム状のＸ線は、そこから離れた距離の分だけスポットサイズが拡大される。そして、その波面は、光源からの等距離の関係が維持されるため湾曲した面になり、回折格子の中心部と周縁部でのＸ線の入射角度は異なるものとなる。したがって、大面積の回折格子を使用した場合、入射角度の違いにより周縁部のＸ線の入射角度と回折格子の角度が平行でないためケラレが発生し、結果として不透過の領域ができ、有効面積が制限される。

特開２００６−２５９２６４号公報 特開２００９−０４２５２８号公報

図１１に示すように、第２の回折格子６０を大面積化する手法として、Ｘ線遮蔽部及びＸ線透過部を有するサイズの小さな回折格子（以下、小格子と呼ぶ）６１を支持基板６２上に複数枚配列することが考えられる。また、第２の回折格子６０を大面積化した際に、第２の回折格子６０の周縁部で生じるＸ線のケラレを解消するには、小格子６１の接合前あるいは接合後に支持基板６２を円筒状に湾曲させればよい。しかし、支持基板６２を円筒状に湾曲させると、湾曲方向の中央には、湾曲方向に直行する方向に沿って湾曲時の応力が集中する応力集中線Ｆが生じるため、この応力集中線Ｆに小格子６１の外形線が重なると、図１２に示すように支持基板６２に折れが生じて変形してしまい、小格子６１に剥がれや割れ等が発生し、回折格子としての機能が損なわれてしまう。

本発明の目的は、回折格子の湾曲時に応力集中線によって支持基板が折れるのを防止することにある。

上記課題を解決するために、本発明の回折格子は、湾曲された支持基板上に、放射線遮蔽部と放射線透過部とからなる格子構造を有する少なくとも１枚の小格子を接合した回折格子であって、支持基板を湾曲させたときに応力が集中する応力集中線に、少なくとも１枚の前記小格子が重なるように配置している。

小格子が互いに隣接するように複数枚が配列されている場合には、小格子間の境界の全部が応力集中線方向において一致しないように、支持基板上に小格子が配列されていることが好ましい。また、小格子間の境界は、応力集中線を挟んで等距離に配置されていることが好ましい。

また、小格子が互いに隣接するように複数枚が配列されている場合には、小格子間の境界が応力集中線と交差するように、支持基板上に小格子を配列してもよい。この場合、小格子は、格子方向と外形線とが非平行であることが好ましい。

支持基板の湾曲は、円筒状の湾曲にすることができる。この場合の応力集中線は、支持基板の湾曲方向の両端縁の中間を通り、かつ支持基板上において湾曲方向に直交する。また、支持基板の湾曲は、球面状の湾曲であってもよい。この場合の応力集中線は、支持基板の中心を通って放射状に延びる。

また、支持基板は、放射線透過性を有し、かつ小格子と同程度の熱膨張係数を有することが好ましい。

本発明の放射線撮影装置は、放射線を放射する放射線源と、放射線を通過させて縞画像を生成する第１の回折格子と、縞画像の周期パターンに対して位相が異なる複数の相対位置で前記縞画像に強度変調を与える第２の回折格子と、放射線源と第１の回折格子との間に配置され、放射線源から照射された放射線を領域選択的に遮蔽して複数の線光源とする第３の回折格子と、第２の回折格子により各相対位置で強度変調された縞画像を検出する放射線画像検出器とを有する放射線撮影装置であって、第１〜第３の回折格子の少なくとも１つに、上述したいずれかの回折格子を用いている。

また、本発明の回折格子の製造方法は、湾曲された支持基板上に、放射線遮蔽部と放射線透過部とからなる格子構造を有する少なくとも１枚の小格子を接合した回折格子の製造方法であって、支持基板を湾曲させる工程の前、もしくは支持基板を湾曲させる工程の後に、支持基板を湾曲させたときに応力が集中する応力集中線に、少なくとも１枚の前記小格子が重なるように配置する工程を含んでいる。

本発明の回折格子及びその製造方法によれば、応力集中線に重なるように配置された少なくとも１枚の小格子が、支持基板を湾曲させたときに応力集中線に生じる折れを防止するので、支持基板の折れによる小格子の剥がれや割れ等の発生を防止し、回折格子としての機能を維持することができる。

また、隣接して配置された小格子間の境界の全部が、応力集中線方向において一致しないように小格子を配置したので、応力集中線以外の部分で支持基板が折れてしまうのも防止することができる。この場合、応力集中線に対する小格子間の境界を等距離にすることにより、応力集中線を中心とした支持基板の剛性が均一になるので、支持基板の湾曲状態が安定する。

また、隣接して配置された小格子間の境界が応力集中線と交差するように小格子を配置しても、支持基板が応力集中線で折れるのを防止することができる。この場合、小格子の格子方向と外形線とを非平行にすることにより、外形線に影響されずに小格子の格子方向を適切な方向に配置させることができる。

更に、本発明の回折格子は、円筒状または球面状の湾曲にも対応することができる。更に、支持基板には、放射線透過性を有する材質を用いたので、支持基板を用いることによる回折格子としての性能低下は小さい。また、支持基板に、小格子と同程度の熱膨張係数を有する材質を用いたので、熱膨張量の差による支持基板と小格子との剥がれも防止することができる。

更に、本発明の放射線撮影装置によれば、大面積化された回折格子を用いるので、広い撮影範囲を得ることができる。また、湾曲された回折格子を用いるので、回折格子による放射線のケラレが少ない、高画質を得ることができる。更に、支持基板が応力集中線で折れることによる回折格子の破損が少なくなるので、メンテナンス負荷が小さくなり、コストダウンも可能である。

タルボ干渉効果を用いたＸ線撮影装置の構成を示す模式図である。 第１実施形態の第２の回折格子の構成を示す正面図である。 第１実施形態の第２の回折格子の構成を示す側面図である。 小格子の製造手順を示す説明図である。 第１実施形態の第２の回折格子の製造手順を示す説明図である。 第２実施形態の第２の回折格子の構成を示す正面図である。 第３実施形態の第２の回折格子の構成を示す正面図である。 第４実施形態の第２の回折格子の構成を示す正面図である。 第４実施形態の別の構成を示す正面図である。 第５実施形態の第２の回折格子の構成を示す正面図である。 従来の第２の回折格子の構成を示す斜視図である。 従来の第２の回折格子の支持基板が折れた状態を示す側面図である。

まず始めに、本発明の回折格子を用いたＸ線撮影装置について説明する。図１に示すように、Ｘ線撮影装置１０は、ｚ方向に配置された被検体ＨにＸ線を放射するＸ線源１１と、ｚ方向においてＸ線源１１に対向配置された位相型回折格子である第１の回折格子１２と、第１の回折格子１２からｚ方向にタルボ干渉距離だけ離れた位置に平行に配置された振幅型回折格子である第２の回折格子１３と、Ｘ線源１１の直後に配置された吸収型格子である第３の回折格子１４と、第２の回折格子１３に対向配置されたＸ線画像検出器１５とからなる。Ｘ線画像検出器１５としては、例えば、半導体回路を用いたフラットパネル検出器（ＦＰＤ：Flat Panel Detector）が用いられている。

第１の回折格子１２は、略矩形状であり、ｚ方向に直交するｙ方向に直線状に延伸され、かつｚ方向及びｙ方向に直交するｘ方向に沿って所定のピッチで周期的に配列されたＸ線遮蔽部１６が複数設けられている。第２及び第３の回折格子１３、１４も第１の回折格子１２と同様に矩形状であり、Ｘ線遮蔽部１６と同方向に伸びかつ同方向に配列された複数のＸ線遮蔽部１７、１４ａが設けられている。各Ｘ線遮蔽部１６、１７、１４ａの間には、Ｘ線透過部が設けられている。Ｘ線遮蔽部１６、１７、１４ａには、Ｘ線の吸収性に優れた金、白金、鉛等が用いられている。第１〜第３の回折格子１２〜１４は、その周縁部におけるコーンビーム状のＸ線のケラレを防止するため、収束型に湾曲されている。

Ｘ線撮影装置１０では、Ｘ線源１１から照射されたＸ線は、第３の回折格子１４のＸ線遮蔽部１４ａによって部分的に遮蔽されることにより、ｘ方向に関する実効的な焦点サイズが縮小され、ｘ方向に多数の線光源（分散光源）が形成される。被検体Ｈを通過することによりＸ線には位相差が生じ、このＸ線が第１の回折格子１２を通過することにより、第２の回折格子１３の位置には、被検体Ｈの屈折率と透過光路長とから決定される被検体Ｈの透過位相情報を反映した縞画像が生成される。この縞画像は、第２の回折格子１３により強度変調され、例えば、縞走査法により検出される。

縞走査法とは、第１の回折格子１２に対し第２の回折格子１３を、Ｘ線焦点を中心として格子面に沿った方向に格子ピッチを等分割した走査ピッチで並進移動させながら、Ｘ線源１１から被検体ＨにＸ線を照射して複数回の撮影を行なってＸ線画像検出器１５により検出し、Ｘ線画像検出器１５の各画素の画素データの位相のズレ量（被検体Ｈがある場合とない場合とでの位相のズレ量）から位相微分像（被検体で屈折したＸ線の角度分布に対応）を取得する方法である。この位相微分像を上記の縞走査方向に沿って積分することにより、被検体の位相コントラスト画像が得られる。

［第１実施形態］
次に、本発明の回折格子及びその製造方法について説明する。第１の回折格子１２は、全体として略矩形状になるよう支持基板１９上に配列された４枚の小格子２０ａ〜２０ｄからなる。上述したＸ線遮蔽部１６は、各小格子２０ａ〜２０ｄに設けられている。第２の回折格子１３も第１の回折格子１２と同様に、支持基板２１と４枚の小格子２２ａ〜２２ｄから構成されており、各小格子２２ａ〜２２ｄにＸ線遮蔽部１７が設けられている。第２の回折格子１３を例に説明すると、図２に示すように、第２の回折格子１３は、例えば１辺が１０ｃｍの正方形状の小格子２２ａ〜２２ｄを、１００μｍ程度の間隔を設けて支持基板２１上に配列することにより大面積化している。

第１〜第３の回折格子１２〜１４は、その周縁部におけるコーンビーム状のＸ線のケラレを防止するため、収束型に湾曲されている。これらの湾曲は、Ｘ線源１１の焦点を通り、ｚ方向に直交するｙ方向の直線を中心軸とした円弧状の面である。第２の回折格子１３を例に説明すると、図３に示すように、Ｘ線源１１の焦点と第２の回折格子１３との距離Ｌが例えば２００ｃｍであるとき、第２の回折格子１３は、半径Ｒ＝２００ｃｍに湾曲される。その際に、第２の回折格子１３の周縁部でコーンビーム状のＸ線を通過させるために必要な湾曲量ｋは、およそ３ｍｍとなる。湾曲量ｋは、第２の回折格子１３の中心と端部とのｚ方向の距離である。

小格子２０ａ〜２０ｄ及び２２ａ〜２２ｄと、第３の回折格子１４は、シリコン半導体プロセスによって形成されている。小格子２２ａを例にその製造工程について簡単に説明すると、図４（Ａ）に示すように、最初の工程では、小格子２２ａのベースとなる導電基板２５とエッチング基板２６とが接合される。導電基板２５は、支持層２７と、支持層２７上に設けられた導電性薄膜２８とからなる。支持層２７には、Ｘ線吸収性が低くかつフレキシブル性を備えた有機材料が用いられ、導電性薄膜２８には、Ａｕ、Ｎｉ等の金属膜が用いられる。また、エッチング基板２６には、シリコンウエハが用いられる。

次に、図４（Ｂ）に示すように、一般的なフォトリソグラフィ技術を用いて、エッチング基板２６の上面にエッチングマスク３０が形成される。このエッチングマスク３０は、紙面方向に直線状に延伸され、かつ左右方向に所定ピッチで周期的に配列された縞模様のパターンを有する。同図（Ｃ）に示すように、エッチングマスク３０を用いたドライエッチングにより、エッチング基板２６に複数の溝２６ａが形成される。溝２６ａは、例えば、幅が数μｍ、深さ１００μｍ程度の高いアスペクト比を必要とするため、溝２６ａを形成するドライエッチングには、例えば、ボッシュプロセス、クライオプロセス等が用いられる。

図４（Ｄ）に示すように、導電性薄膜２８をシーズ層として用いる電解メッキ法により、溝２６ａ内に金（Ａｕ）３２が埋め込まれ、Ｘ線遮蔽部１７が形成される。その後、エッチング基板２６及び導電基板２５が規定サイズに切断され、小格子２２ａが完成する。なお、電解メッキ後にエッチング基板２６または導電基板２５のいずれかを除去してもよい。

図５（Ａ）に示すように、第２の回折格子１３は、平板状に保持された支持基板２１に複数枚の小格子２２ａ〜２２ｄが接合された後、同図（Ｂ）に示すように、支持基板２１が円筒状に湾曲されることにより形成されている。支持基板２１は、Ｘ線に対して低吸収で、かつ熱膨張係数が小格子２２ａ〜２２ｄと同程度の材質によって形成されている。小格子２２ａ〜２２ｄを構成するシリコン及びＡｕの熱膨張係数がそれぞれ４．３／°Ｃ及び１４．３／°Ｃなので、支持基板２１には、例えば、ガラス（８．３／°Ｃ）、カーボン板（５／°Ｃ）、アルミ（２３／°Ｃ）、鉄（１２×１０−６／°Ｃ）等を用いることができる。なお、円筒状に湾曲された支持基板２１に小格子２２ａ〜２２ｄを接合してもよい。

図１に示すように、第１及び第２の回折格子１２、１３を円筒状に湾曲させると、支持基板１９、２１の湾曲方向の中央には、湾曲方向に直行する方向に沿って湾曲時の応力が集中する応力集中線Ｆが生じ、図１２の支持基板６２のように、応力集中線Ｆで支持基板１９、２１が折れてしまうことがある。支持基板１９、２１が応力集中線Ｆで折れると、小格子２０ａ〜２０ｄ、２２ａ〜２２ｄに剥がれや破損が生じ、回折格子としての機能が損なわれてしまう。そのため、本発明では、図２及び図３に示すように、少なくとも１枚の小格子が応力集中線Ｆに重なるように、複数枚の小格子２２ａ〜２２ｄを支持基板２１上に配列している。これによれば、応力集中線Ｆにおける支持基板２１の剛性が向上するので、応力集中線Ｆにおいて支持基板２１が折れるのを防止することができる。

また、応力集中線Ｆ以外で支持基板２１が折れるのを防止するため、小格子間の境界、例えば小格子２２ａ及び２２ｂの境界Ｕ１と、小格子２２ｃ及び２２ｄの境界Ｕ２とが応力集中線Ｆ方向において一致しないように、複数枚の小格子２２ａ〜２２ｄを支持基板２１上に配列するのが好ましい。この場合、応力集中線Ｆと境界Ｕ１及び境界Ｕ２との距離Ｄ１、Ｄ２を等しくすれば、応力集中線Ｆを中心とする支持基板２１の湾曲方向の剛性が均一になるので、回折格子の湾曲状態が安定する。これにより、本実施形態のＸ線撮影装置１０は、大面積化された回折格子１２、１３を用いるので、広い撮影範囲を得ることができる。また、湾曲された回折格子１２、１３を用いるので、回折格子による放射線のケラレが少ない、高画質を得ることができる。更に、支持基板１９、２１が応力集中線で折れることによる回折格子１２、１３の破損が少なくなるので、メンテナンス負荷が小さくなり、コストダウンも可能である。

［第２実施形態］
図６に示す回折格子３５のように、小格子３６ａ〜３６ｅが応力集中線Ｆ方向において複数列に配列されているときには、境界Ｕ３及びＵ４が応力集中線Ｆ方向において連続しないように、小格子３６ｂ及び３６ｃを配置するのが好ましい。このような配置においても、支持基板３７が応力集中線Ｆまたはそれ以外の部位で折れ曲がるのを防止することができる。

［第３実施形態］
図７に示す回折格子４０のように、小格子４１ａ〜４１ｄの境界Ｕ５〜Ｕ８が応力集中線Ｆと交差するように、支持基板４２上に小格子４１ａ〜４１ｄを配列してもよい。小格子４１ａ〜４１ｄのように、Ｘ線遮蔽部４３の延伸方向と外形線とが非平行となるようにすれば、応力集中線Ｆと交差する境界Ｕ５〜Ｕ８を得ることができる。

［第４実施形態］
図８に示す回折格子４５のように、小格子４６ａ〜４６ｊが応力集中線Ｆの方向において千鳥状になるように支持基板４７に配列してもよい。また、小格子間の境界が応力集中線Ｆ方向で全て一致しないという構成を満たさないが、図９に示す回折格子５０のように、小格子５１ａ〜５１ｉが応力集中線Ｆ方向及びその直交方向に直線状に並ぶように、支持基板５２に配列してもよい。

［第５実施形態］
図１０に示すように、凹状または凸状の球面状に湾曲された回折格子５５を用いる場合には、支持基板５６の中心ｃを通って放射状に伸びる応力集中線Ｆは、支持基板５６の全周方向に存在することになる。この場合でも、１つの応力集中線Ｆに少なくとも１つの小格子５７が重なり、応力集中線Ｆ方向で小格子間の境界が全て一致しないように支持基板５６上に複数枚の小格子５７を配列するのが好ましい。

上記各実施形態は、第２の回折格子１３を例に説明したが、第１の回折格子１２及び第３の回折格子１４にも用いることができる。また、小格子の配列は、上記各実施形態で例示したものに限定されず、応力集中線Ｆに少なくとも１つの小格子が重なること、更に好ましくは、小格子間の境界が応力集中線Ｆ方向において全て一致しないことを満たせば、本発明に含まれる。そのため、支持基板に接合される小格子が１枚の場合も本発明に含まれる。各実施形態は、矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することも可能である。また、タルボ干渉効果を用いたＸ線撮影装置の回折格子について説明したが、本発明は、タルボ干渉効果を用いずに位相コントラスト画像を撮影するＸ線撮影システムの回折格子にも適用可能である。

１０ Ｘ線撮影装置
１１ Ｘ線源
１２ 第１の回折格子
１３、３５、４０、４５、５０、５５、６０ 第２の回折格子
１４ 第３の回折格子
１５ Ｘ線画像検出器
２０ａ〜２０ｄ、２２ａ〜２２ｄ、３６ａ〜３６ｅ、４１ａ〜４１ｄ、５１ａ〜５１ｉ、５７、６１ 小格子
１６、１７ Ｘ線遮蔽部
１９、２１、３７、４３、４７、５２、５６、６２ 支持基板
Ｆ 応力集中線
Ｕ１〜Ｕ８ 境界

Claims (12)

1. 湾曲された支持基板上に、放射線遮蔽部と放射線透過部とからなる格子構造を有する少なくとも１枚の小格子を接合した回折格子であって、
   前記支持基板を湾曲させたときに応力が集中する応力集中線に、少なくとも１枚の前記小格子が重なるように配置したことを特徴とする回折格子。
2. 前記小格子は、互いに隣接するように複数枚が配列されており、前記小格子間の境界の全部が前記応力集中線方向において一致しないように、前記支持基板上に配列されていることを特徴とする請求項１記載の回折格子。
3. 前記小格子間の境界は、前記応力集中線に対して等距離に配置されていることを特徴とする請求項２記載の回折格子。
4. 前記小格子は、互いに隣接するように複数枚が配列されており、前記小格子間の境界が前記応力集中線と交差するように、前記支持基板上に配列されていることを特徴とする請求項１記載の回折格子。
5. 前記小格子は、格子方向と外形線とが非平行であることを特徴とする請求項４記載の回折格子。
6. 前記支持基板の湾曲は、円筒状の湾曲であることを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の回折格子。
7. 前記応力集中線は、前記支持基板の湾曲方向の両端縁の中間を通り、かつ前記支持基板上において前記湾曲方向に直交することを特徴とする請求項６記載の回折格子。
8. 前記支持基板の湾曲は、球面状の湾曲であることを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の回折格子。
9. 前記応力集中線は、前記支持基板の中心を通って放射状に延びることを特徴とする請求項８記載の回折格子。
10. 前記支持基板は、放射線透過性を有し、かつ前記小格子と同程度の熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１〜９いずれか記載の回折格子。
11. 放射線を放射する放射線源と、前記放射線を通過させて縞画像を生成する第１の回折格子と、前記縞画像の周期パターンに対して位相が異なる複数の相対位置で前記縞画像に強度変調を与える第２の回折格子と、前記放射線源と前記第１の回折格子との間に配置され、前記放射線源から照射された放射線を領域選択的に遮蔽して複数の線光源とする第３の回折格子と、前記第２の回折格子により前記各相対位置で強度変調された縞画像を検出する放射線画像検出器とを有する放射線撮影装置であって、
    前記第１〜第３の回折格子の少なくとも１つに、請求項１〜１０いずれか記載の回折格子を用いたことを特徴とする放射線撮影装置。
12. 湾曲された支持基板上に、放射線遮蔽部と放射線透過部とからなる格子構造を有する少なくとも１枚の小格子を接合した回折格子の製造方法であって、
    前記支持基板を湾曲させる工程の前、もしくは前記支持基板を湾曲させる工程の後に、前記支持基板を湾曲させたときに応力が集中する応力集中線に、少なくとも１枚の前記小格子が重なるように配置する工程を含むことを特徴とする回折格子の製造方法。

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